2G、3G、4G、5G背后的科学含义科谱

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 智能型手机的问世除了带动行动世代的崛起，更加速通讯技术的革新，在几年间，数据传输率的增加让用户享受高速行动网络新体验，3G、4G、5G 的议题热度也始终居高不下，并跃居产官学研等单位的研究主题。但是一般人对 4G 乃至于 5G 的认知，就是手机上网的速度更快，并不了解背后的科学含意，本文将从不同通讯世代的角度切入，一步步带领读者认识这些技术背后的原理，到底什么是电磁波？什么是带宽？不同世代的差别又在哪里？

 

移动电话的世代：

   

我们常常听到广告说：4G LTE，其中 G 代表「代（Generation）」，4G 代表第四代，是为了与之前的第二代（2G）、第三代（3G）移动电话做出区隔，我们以目前全球市占率最高的欧洲系统来说明，这也是目前台湾所使用的系统：

 

·第二代移动电话（2G）：GSM 系统只支持线路交换（注）的语音信道，主要透过语音信道打电话与传送简讯，GPRS 系统支持分组交换因此可以上网，但是由于利用语音信道传送数据封包，因此上网的速度很慢。

 

·第三代移动电话（3G）：UMTS 系统支持分组交换（注），可以用更快的速度上网，由于 3G 的手机同时支持 2G ，因此当我们使用 3G 的手机讲电话或传简讯时，其实是使用 GSM 系统的语音信道来完成。

 

·第四代移动电话（4G）：LTE / LTE-A 系统支持分组交换，可以用更快的速度上网，由于 4G 的手机大多同时支持 3G 与 2G，因此在手机找不到 LTE 基地台时仍然会以 UMTS 基地台上网，讲电话或传简讯时仍然是使用 GSM 系统的语音信道来完成。

 

其实 4G 使用的 LTE 系统由于数据传输率很高，可以直接将语音数据切割成封包来传送，原理就和 Skype 网络电话一样，可以让音质更好，但是分组交换通常费用是以数据传输率来计算，等于使用者讲再久费用都一样，对电信公司来说如何收到更多钱是个问题；反观线路交换是计时收费，电信公司能够赚到更多钱，因此目前台湾大部份电信公司的 4G LTE 提供讲电话或传简讯时，仍然是使用 GSM 系统的语音信道来完成。

 

无线通信传递通道：带宽

 

带宽（Bandwidth）是用来传递讯号的「频率范围」，单位与频率相同为「赫兹（Hz）」，而且每一对通讯用户必须使用「不同的频率范围」来通话，假设：

 

·甲和乙使用频率 900~900.2MHz 的电磁波通话（带宽 900.2-900=0.2MHz）；

 

·丙和丁使用频率 900.2~900.4MHz 的电磁波通话（带宽 900.4-900.2=0.2MHz）；

 

·此时我们说这个通讯系统的语音信道带宽为 0.2MHz。

 

手机并不会分辨到底是谁和谁在通话，而是接收某一个「频率范围（带宽）」的电磁波讯号，因此甲与乙通话时手机都接收频率 900~900.2MHz 的电磁波，丙与丁通话时手机都接收频率 900.2~900.4MHz 的电磁波，换句话说，所有的通讯组件都是「只认频率不认人」，而且相同频率范围的电磁波只能使用一次，不能重复使用，否则会互相干扰。

 

带宽与数据传输率的差异

 

「带宽（Bandwidth）」与「数据传输率（Data rate）」的意义很类似，常常让我们混淆，这里简单说明它们之间的差别：

 

·带宽（Bandwidth）是模拟通讯使用的名词：由图一可以看出，电磁波是一种连续的波动能量，既然是连续的当然一定是模拟讯号，因此「带宽（Bandwidth）」和它的单位「赫兹（Hz）」指的都是电磁波的物理特性。

 

·数据传输率（Data rate）是数字通讯使用的名词：手机会先将我们讲话的声音（连续的模拟讯号）先转换成不连续的 0 与 1 两种数字讯号，再经由天线传送出去。数据传输率的单位「每秒位数（bps：bit per second）」，代表每秒可以传送几个位，也就是每秒可以传送几个 0 或 1，例如：1Gbps（1G = 10 亿）代表每秒可以传送 10 亿个位（10 亿个 0 或 1）。

 

数据传输率是数字通讯时实际传送每个位数据的速率，重点是数字讯号让我们可以利用不同的调变与多任务技术，使相同带宽的介质具有更高的数据传输率，这就是目前许多新的通讯技术，例如：3G 使用的 WCDMA、4G 使用的 OFDM 等被发明出来的原因，后面会再详细说明。

 

我们了解到无线通信的频谱有限，分配非常严格，相同带宽的电磁波只能使用一次，例如 2G 的 GSM900 系统使用频率范围 890~960MHz，则其他的无线通信就不能再使用这个频率范围，否则会互相干扰。为了解决僧多粥少的难题，工程师研发出许多技术，来扩增频谱的使用率，例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在这些复杂技术的背后，只要能掌握两个基本概念，就能了解整个通讯技术的发展关键。

 

这两个基本概念为「调变技术」（Modulation）与「多任务技术」（Multiplex）。其中调变技术是将模拟电磁波调变成不同的波形，来代表 0 与 1 两种不同的数字讯号，这样才能利用天线传送到很远的地方（这里只谈数字调变技术，不讨论早期的 AM、FM 这种模拟调变技术）。多任务技术则是将电磁波区分给不同的使用者使用，由于手机必须设计给所有的人使用，当每支手机都把电磁波丢到空中，该如何区分那个电磁波是谁的呢？

 

数字调变技术（Digital modulation）

 

现在的手机是属于「数字通讯」，也就是我们讲话的声音（连续的模拟讯号），先由手机转换成不连续的 0 与 1 两种数字讯号，再经由数字调变转换成电磁波（模拟讯号载着数字讯号），最后从天线传送出去。

 

4G 与 5G 的技术发展目的：增加频谱效率与带宽

 

「频谱效率」（Spectrum efficiency）是单位带宽（Hz）具有多少数据传输率（bps），可参考表 1 的说明，当单位带宽的数据传输率高，代表频谱效率高，例如：LTE 可以提供上传 2.5bps/Hz，下载 5bps/Hz；LTE-A 可以提供上传 5bps/Hz，下载 10bps/Hz，显然 LTE-A 的频谱效率比 LTE 高。因此 4G 与 5G 技术的发展只为了两个目的：

 

增加频谱效率

 

由于相同的频率只能使用一次，因此必须利用更新的调变与多任务技术来增加频谱效率，让相同带宽的电磁波具有更高的数据传输率，也就是把更多的 0 和 1 塞进相同带宽的电磁波里来传送。

 

增加带宽

 

由于目前的电磁波频谱里 10GHz 以下的电磁波大部分都已经被用掉了，频谱效率再怎么提高总有技术上的极限，因此科学家只能去挖更高频还没有被使用的电磁波来给 5G 手机用，大家现在明白为什么 Samsung 的 5G 技术会想要使用频率 30GHz（相当于波长 10 毫米）的「毫米波（Millimeter Wave）」。

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