詳解5G與4G、3G的不同之處

　　智能型手機(jī)的問世除了帶動(dòng)行動(dòng)世代的崛起，更加速通訊技術(shù)的革新，在幾年間，數(shù)據(jù)傳輸率的增加讓用戶享受高速行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)新體驗(yàn)，3G、4G、5G 的議題熱度也始終居高不下，并躍居產(chǎn)官學(xué)研等單位的研究主題。但是一般人對(duì) 4G 乃至于 5G 的認(rèn)知，就是手機(jī)上網(wǎng)的速度更快，并不了解背后的科學(xué)含意，本文將從不同通訊世代的角度切入，一步步帶領(lǐng)讀者認(rèn)識(shí)這些技術(shù)背后的原理，到底什么是電磁波？什么是帶寬？不同世代的差別又在哪里？

　　移動(dòng)電話的世代

　　我們常常聽到廣告說：4G LTE，其中 G 代表「代（Generation）」，4G 代表第四代，是為了與之前的第二代（2G）、第三代（3G）移動(dòng)電話做出區(qū)隔，我們以目前全球市占率最高的歐洲系統(tǒng)來說明，這也是目前***所使用的系統(tǒng)：

　　·第二代移動(dòng)電話（2G）：GSM 系統(tǒng)只支持線路交換（注）的語音信道，主要透過語音信道打電話與傳送簡(jiǎn)訊，GPRS 系統(tǒng)支持分組交換因此可以上網(wǎng)，但是由于利用語音信道傳送數(shù)據(jù)封包，因此上網(wǎng)的速度很慢。

　　·第三代移動(dòng)電話（3G）：UMTS 系統(tǒng)支持分組交換（注），可以用更快的速度上網(wǎng)，由于 3G 的手機(jī)同時(shí)支持 2G ，因此當(dāng)我們使用 3G 的手機(jī)講電話或傳簡(jiǎn)訊時(shí)，其實(shí)是使用 GSM 系統(tǒng)的語音信道來完成。

　　· 第四代移動(dòng)電話（4G）：LTE / LTE-A 系統(tǒng)支持分組交換，可以用更快的速度上網(wǎng)，由于 4G 的手機(jī)大多同時(shí)支持 3G 與 2G，因此在手機(jī)找不到 LTE 基地臺(tái)時(shí)仍然會(huì)以 UMTS 基地臺(tái)上網(wǎng)，講電話或傳簡(jiǎn)訊時(shí)仍然是使用 GSM 系統(tǒng)的語音信道來完成。

　　其實(shí) 4G 使用的 LTE 系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)傳輸率很高，可以直接將語音數(shù)據(jù)切割成封包來傳送，原理就和 Skype 網(wǎng)絡(luò)電話一樣，可以讓音質(zhì)更好，但是分組交換通常費(fèi)用是以數(shù)據(jù)傳輸率來計(jì)算，等于使用者講再久費(fèi)用都一樣，對(duì)電信公司來說如何收到更多錢是個(gè)問題；反觀線路交換是計(jì)時(shí)收費(fèi)，電信公司能夠賺到更多錢，因此目前***大部份電信公司的 4G LTE 提供講電話或傳簡(jiǎn)訊時(shí)，仍然是使用 GSM 系統(tǒng)的語音信道來完成。

　　帶寬的科學(xué)含意

　　一般人對(duì)通訊世代的認(rèn)知就是愈后面的世代表示帶寬（Bandwidth）愈寬，帶寬就好像高速公路，帶寬愈寬就好像高速公路愈寛（車道愈多），代表行車速度愈快，也就是通訊時(shí)數(shù)據(jù)傳輸率愈高；再講簡(jiǎn)單一點(diǎn)，就是手機(jī)上網(wǎng)的速度更快，這樣的觀念是對(duì)的，但是這種認(rèn)知是不科學(xué)的，要解釋帶寬，我們需要從電磁波說起。

　　無線通信傳遞媒介：電磁波

　　電磁波（Electromagnetic wave）是由互相垂直的「電場(chǎng)（Electric field）」與「磁場(chǎng)（Magnetic field）」交互作用而產(chǎn)生的一種「能量（Energy）」，這種能量在前進(jìn)的時(shí)候就像水波一樣會(huì)依照一定的頻率不停地振動(dòng)，如圖1（a）所示。電磁波每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)是「頻率（Frequency） 」，單位為「赫茲（Hz）」，假設(shè)某一個(gè)電磁波一秒鐘振動(dòng) 2 次，則頻率為 2Hz，如圖1（b）所示；一秒鐘振動(dòng) 4 次，則頻率為 4Hz，如圖1（c）所示，例如：無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）與藍(lán)牙（Bluetooth）的通訊頻率為 2.4GHz，意思就是它使用的電磁波每秒鐘振動(dòng) 24 億次（在這里 G 的意思是 Giga，也就是 Billion，代表 10 億，不是前面 3G、4G、5G 的那個(gè) G）。

　　圖1：電磁波的定義。（a）電磁波是由彼此互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)交互作用而產(chǎn)生的能量；（b）每秒鐘振動(dòng) 2 次則頻率為2Hz；（c）每秒鐘振動(dòng) 4 次則頻率為4Hz。

　　宇宙里自然存在的所有電磁波如圖2（a）所示，我們稱為「電磁波頻譜（Spectrum） 」，由圖中可以看出中間的部分是光（Light），包括：紅外光（Infrared，IR）、可見光（人類肉眼可以看見的光）、紫外光（Ultraviolet，UV），因此光是一種電磁波；右邊為頻率更高（能量更高）的電磁波；左邊為頻率更低（能量更低）的電磁波，由于頻率較低的電磁波比較安全，而且具有良好的繞射特性，因此適合用來做為無線通信使用。

　　圖2：電磁波頻譜與應(yīng)用。（a）電磁波頻譜；（b） 通訊電磁波頻譜。

　　目前用來做為無線通信的電磁波如圖2（b）所示，包括：

　　·頻率大約 100G~1GHz 的電磁波：通常應(yīng)用在衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位、雷達(dá)與微波通訊等，而頻率 30GHz 以上（相當(dāng)于波長(zhǎng) 10 毫米以下）的電磁波稱為「毫米波（Millimeter Wave）」，目前有公司計(jì)劃應(yīng)用在 5G 的通訊系統(tǒng)中。

　　·頻率大約 100M~1MHz 的電磁波：通常應(yīng)用在無線電視、行動(dòng)通訊（GSM / GPRS）、調(diào)幅廣播（AM）、業(yè)余無線電、調(diào)頻廣播（FM）等。

　　·頻率大約 100K~1KHz 的電磁波：通常應(yīng)用在航空無線電、海底電纜、電話與電報(bào)等。

　　無線通信傳遞通道：帶寬

　　帶寬（Bandwidth）是用來傳遞訊號(hào)的「頻率范圍」，單位與頻率相同為「赫茲（Hz）」，而且每一對(duì)通訊用戶必須使用「不同的頻率范圍」來通話，假設(shè)：

　　·甲和乙使用頻率 900~900.2MHz 的電磁波通話（帶寬 900.2-900=0.2MHz）；

　　·丙和丁使用頻率 900.2~900.4MHz 的電磁波通話（帶寬 900.4-900.2=0.2MHz）；

　　·此時(shí)我們說這個(gè)通訊系統(tǒng)的語音信道帶寬為 0.2MHz。

　　手機(jī)并不會(huì)分辨到底是誰和誰在通話，而是接收某一個(gè)「頻率范圍（帶寬）」的電磁波訊號(hào)，因此甲與乙通話時(shí)手機(jī)都接收頻率 900~900.2MHz 的電磁波，丙與丁通話時(shí)手機(jī)都接收頻率 900.2~900.4MHz 的電磁波，換句話說，所有的通訊組件都是「只認(rèn)頻率不認(rèn)人」，而且相同頻率范圍的電磁波只能使用一次，不能重復(fù)使用，否則會(huì)互相干擾。

　　帶寬與數(shù)據(jù)傳輸率的差異

　　「帶寬（Bandwidth）」與「數(shù)據(jù)傳輸率（Data rate）」的意義很類似，常常讓我們混淆，這里簡(jiǎn)單說明它們之間的差別：

　　·帶寬（Bandwidth）是模擬通訊使用的名詞：由圖一可以看出，電磁波是一種連續(xù)的波動(dòng)能量，既然是連續(xù)的當(dāng)然一定是模擬訊號(hào)，因此「帶寬（Bandwidth）」和它的單位「赫茲（Hz）」指的都是電磁波的物理特性。

　　· 數(shù)據(jù)傳輸率（Data rate）是數(shù)字通訊使用的名詞：手機(jī)會(huì)先將我們講話的聲音（連續(xù)的模擬訊號(hào)）先轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的 0 與 1 兩種數(shù)字訊號(hào)，再經(jīng)由天線傳送出去。數(shù)據(jù)傳輸率的單位「每秒位數(shù)（bps：bit per second）」，代表每秒可以傳送幾個(gè)位，也就是每秒可以傳送幾個(gè) 0 或 1，例如：1Gbps（1G = 10 億）代表每秒可以傳送 10 億個(gè)位（10 億個(gè) 0 或 1）。

　　數(shù)據(jù)傳輸率是數(shù)字通訊時(shí)實(shí)際傳送每個(gè)位數(shù)據(jù)的速率，重點(diǎn)是數(shù)字訊號(hào)讓我們可以利用不同的調(diào)變與多任務(wù)技術(shù)，使相同帶寬的介質(zhì)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率，這就是目前許多新的通訊技術(shù)，例如：3G 使用的 WCDMA、4G 使用的 OFDM 等被發(fā)明出來的原因，后面會(huì)再詳細(xì)說明。

　　在前文中，我們了解到無線通信的頻譜有限，分配非常嚴(yán)格，相同帶寬的電磁波只能使用一次，例如 2G 的 GSM900 系統(tǒng)使用頻率范圍 890~960MHz，則其他的無線通信就不能再使用這個(gè)頻率范圍，否則會(huì)互相干擾。為了解決僧多粥少的難題，工程師研發(fā)出許多技術(shù)，來擴(kuò)增頻譜的使用率，例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在這些復(fù)雜技術(shù)的背后，只要能掌握兩個(gè)基本概念，就能了解整個(gè)通訊技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵。

　　這兩個(gè)基本概念為「調(diào)變技術(shù)」（Modulation）與「多任務(wù)技術(shù)」（Multiplex）。其中調(diào)變技術(shù)是將模擬電磁波調(diào)變成不同的波形，來代表 0 與 1 兩種不同的數(shù)字訊號(hào)，這樣才能利用天線傳送到很遠(yuǎn)的地方（這里只談數(shù)字調(diào)變技術(shù)，不討論早期的 AM、FM 這種模擬調(diào)變技術(shù)）。多任務(wù)技術(shù)則是將電磁波區(qū)分給不同的使用者使用，由于手機(jī)必須設(shè)計(jì)給所有的人使用，當(dāng)每支手機(jī)都把電磁波丟到空中，該如何區(qū)分那個(gè)電磁波是誰的呢？

　　數(shù)字調(diào)變技術(shù)（Digital modulation）

　　現(xiàn)在的手機(jī)是屬于「數(shù)字通訊」，也就是我們講話的聲音（連續(xù)的模擬訊號(hào)），先由手機(jī)轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的 0 與 1 兩種數(shù)字訊號(hào)，再經(jīng)由數(shù)字調(diào)變轉(zhuǎn)換成電磁波（模擬訊號(hào)載著數(shù)字訊號(hào)），最后從天線傳送出去，原理如圖3所示。

　　圖3：數(shù)字通訊示意圖。（Source：the noun project）

　　電磁波是連續(xù)的能量，如何利用電磁波替我們傳送這些0與1的數(shù)字訊號(hào)呢？因此科學(xué)家發(fā)明了下列 4 種數(shù)字調(diào)變技術(shù)：

　　1.振幅位移鍵送（ASK）：利用電磁波的「振幅大小」載著數(shù)字訊號(hào)（0 與 1）傳送出去，振幅小代表 0，振幅大代表 1，圖4（a）所示。

　　2.頻率位移鍵送（FSK）：利用電磁波的「頻率高低」載著數(shù)字訊號(hào)（0 與 1）傳送出去，頻率低代表 0，頻率高代表 1，圖4（b）所示。

　　3.相位位移鍵送（PSK）：利用電磁波的「相位不同（波形不同）」載著數(shù)字訊號(hào)（0 與 1）傳送出去，相位 0° 代表 0，相位 180° 代表 1，圖4（c）所示。

　　4.正交振幅調(diào)變（QAM）：同時(shí)利用電磁波的「振幅大小」與「相位不同（波形不同）」載著數(shù)字訊號(hào)（0 與 1）傳送出去，這個(gè)圖形比較復(fù)雜有興趣的人可以參考這里。

　　圖4：數(shù)字訊號(hào)調(diào)變技術(shù)。（a）ASK：振幅小代表 0，振幅大代表 1；（b）FSK：頻率低代表 0，頻率高代表 1；（c）PSK：相位 0° 代表 0，相位 180° 代表 1。

　　數(shù)字調(diào)變技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括可以偵錯(cuò)與除錯(cuò)、可以壓縮與解壓縮、可以加密與解密、更好的抗噪聲能力等，我們所使用手機(jī) 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）、藍(lán)牙（Bluetooth）等都是使用數(shù)字調(diào)變，顯然數(shù)字通訊是發(fā)展的趨勢(shì)。

　　傳送端將數(shù)字訊號(hào)（0 與 1）轉(zhuǎn)變成不同的電磁波波形稱為「調(diào)變（Modulation）」；同理，接收端將不同的電磁波波形還原成數(shù)字訊號(hào)（0 與 1）稱為「解調(diào)（Demodulation）」，所有的通訊裝置一般都必須同時(shí)支持傳送（調(diào)變）與接收（解調(diào)），因此科學(xué)家把負(fù)責(zé)調(diào)變與解調(diào)的組件稱為「調(diào)變解調(diào)器」，英文就把「Modulation」與「Demodulation」的字頭組合成一個(gè)新單字「Modem」，下回只要聽到 Modem 就知道它是在做通訊用的組件啰！

　　多任務(wù)技術(shù)（Multiplex）

　　多人共同使用一條信息信道的方法稱為「多任務(wù)技術(shù)」（Multiplex），簡(jiǎn)單的說，天空只有一個(gè)，你的手機(jī)要丟電磁波出去，我的手機(jī)也要丟電磁波出去，兩種電磁波在天空中混在一起，接收端該如何區(qū)分那些是你的（和你通話的），那些是我的（和我通話的）呢？

　　多任務(wù)技術(shù)的目的就是讓所有人使用，而且彼此不能互相干擾，為了增加數(shù)據(jù)傳輸率，可能必須同時(shí)使用兩種以上的多任務(wù)技術(shù)，才能滿足每個(gè)人都要使用的需求。無線通信常見的多任務(wù)技術(shù)包括下列 4 種：

　　1.分時(shí)多任務(wù)接?。═DMA）：使用者依照「時(shí)間先后」輪流使用一條信息信道，如圖5（a）所示，目前 2G 的 GSM / GPRS 系統(tǒng)有使用 TDMA。

　　2.分頻多任務(wù)接取（FDMA）：用戶依照「頻率不同」同時(shí)使用一條信息信道，如圖5（b）所示，前面介紹每一對(duì)使用者必須使用「不同的頻率范圍」來通話，其實(shí)就是 FDMA，目前 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS 有使用 FDMA。

　　3.分碼多任務(wù)接?。–DMA）：將不同用戶的數(shù)據(jù)分別與特定的「密碼（Code）」運(yùn)算以后，再傳送到數(shù)據(jù)信道，接收端以不同的密碼來分辨要接收的訊號(hào)，如圖5（c）所示。目前 3G 的 UMTS 有使用 CDMA。

　　4. 正交分頻多任務(wù)（OFDM）：前面介紹過分頻多任務(wù)（FDMA）是用戶依照「頻率不同」同時(shí)傳送數(shù)據(jù)，而 OFDM 原理類似，唯一不同的是必須使用彼此「正交」的頻率，這個(gè)原理比較復(fù)雜有興趣的人可以參考這里，目前 4G 的 LTE / LTE-A、無線局域網(wǎng)絡(luò)（IEEE802.11a/g/n）、數(shù)字電視（DTV）、數(shù)字音頻傳輸（DAB）有使用 OFDM。

　　圖5：多任務(wù)技術(shù)（Multiplex）。（a）TDMA：依照時(shí)間先后輪流使用；（b）FDMA：依照頻率不同同時(shí)使用；（c）CDMA：將不同用戶的數(shù)據(jù)分別與特定的密碼運(yùn)算。

　　多任務(wù)技術(shù)的比喻

　　多任務(wù)技術(shù)比較復(fù)雜，我們可以想象在房子里，甲與乙要講話，丙與丁要講話，戊與己要講話：

　　·分時(shí)多任務(wù)接?。═DMA）：甲與乙先講一句，再換丙與丁講一句，再換戊與己講一句，依此類推，大家輪流（分時(shí)）講話彼此就不會(huì)互相干擾。

　　·分頻多任務(wù)接?。‵DMA）：甲與乙在客廳講話，丙與丁在書房講話，戊與己在臥室講話，大家在不同的房間（分頻）講話彼此就不會(huì)互相干擾。

　　· 分碼多任務(wù)接?。–DMA）：甲與乙用中文講話，丙與丁用英文講話，戊與己用日文講話，這樣雖然大家在同一個(gè)房子里講話，各自仍然可以分辨出各自不同的語言，當(dāng)甲與乙用中文講話時(shí)，丙與丁的英文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會(huì)造成甲與乙解讀中文的困擾；同理，當(dāng)丙與丁用英文講話時(shí)，甲與乙的中文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會(huì)造成丙與丁解讀英文的困擾，在這個(gè)例子里「用不同的語言講話」就好像「用不同的密碼加密」一樣。

　　4G 與 5G 的技術(shù)發(fā)展目的：增加頻譜效率與帶寬

　　「頻譜效率」（Spectrum efficiency）是單位帶寬（Hz）具有多少數(shù)據(jù)傳輸率（bps），可參考表 1 的說明，當(dāng)單位帶寬的數(shù)據(jù)傳輸率高，代表頻譜效率高，例如：LTE 可以提供上傳 2.5bps/Hz，下載 5bps/Hz；LTE-A 可以提供上傳 5bps/Hz，下載 10bps/Hz，顯然 LTE-A 的頻譜效率比 LTE 高。因此 4G 與 5G 技術(shù)的發(fā)展只為了兩個(gè)目的：

　　增加頻譜效率

　　由于相同的頻率只能使用一次，因此必須利用更新的調(diào)變與多任務(wù)技術(shù)來增加頻譜效率，讓相同帶寬的電磁波具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率，也就是把更多的 0 和 1 塞進(jìn)相同帶寬的電磁波里來傳送。

　　增加帶寬

　　由于目前的電磁波頻譜里 10GHz 以下的電磁波大部分都已經(jīng)被用掉了，頻譜效率再怎么提高總有技術(shù)上的極限，因此科學(xué)家只能去挖更高頻還沒有被使用的電磁波來給 5G 手機(jī)用，大家現(xiàn)在明白為什么 Samsung 的 5G 技術(shù)會(huì)想要使用頻率 30GHz（相當(dāng)于波長(zhǎng) 10 毫米）的「毫米波（Millimeter Wave）」了吧！相關(guān)的新聞?wù)垍⒖歼@里。

　　表 1：數(shù)字通訊系統(tǒng)的頻譜效率比較表

　　注：表 1 中的頻譜效率是直接以數(shù)據(jù)傳輸率除以信道帶寬，但是不同世代的通訊系統(tǒng)使用不同的技術(shù)，這個(gè)并沒有考慮進(jìn)去，因此表中不同世代應(yīng)該分開來比較才有意義。

　　僧多粥少，無線通信的使用執(zhí)照與頻譜分配

　　經(jīng)由前面的介紹可以發(fā)現(xiàn)，無線通信的頻譜非常珍貴，僧多粥少，因此使用執(zhí)照費(fèi)也比較高。那么是由誰來決定那一種系統(tǒng)使用那一個(gè)頻率范圍才不會(huì)重復(fù)呢？國(guó)內(nèi)的無線通信頻譜目前是由國(guó)家通訊傳播委員會(huì)（NCC）管理，每一家系統(tǒng)業(yè)者（例如：中華電信、***大哥大、遠(yuǎn)傳電信等）都必須先向 NCC 取得使用執(zhí)照才能經(jīng)營(yíng)無線通信業(yè)務(wù)，由于無線通信的頻譜非常珍貴，可以使用的頻率范圍有限，所以使用執(zhí)照有限，通常會(huì)以公開招標(biāo)的方式讓出價(jià)最高的電信業(yè)者取得使用執(zhí)照，這就是去年的「第四代（4G）行動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)釋照」。

　　不只如此，由于我們大家是共享同一個(gè)空間，如果無線通信設(shè)備任意發(fā)出頻率不正確的訊號(hào)會(huì)干擾到其他通訊設(shè)備，因此所有的無線通信設(shè)備，包括我們使用的手機(jī)與無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）、藍(lán)牙（Bluetooth）等產(chǎn)品都必須先進(jìn)行測(cè)試合格才可以上市銷售。

　　注：線路交換與分組交換

　　線路交換（Circuit switch）：是指?jìng)魉投伺c接收端之間先建立一條專用的聯(lián)機(jī)再進(jìn)行通訊，傳統(tǒng)的「語音通信（Telecom）」都是屬于線路交換，例如：國(guó)內(nèi)電話與國(guó)際電話、移動(dòng)電話等在通話之前都必須先撥號(hào)，等交換機(jī)將電話接通之后才能通話，就是使用線路交換的方式，通常費(fèi)用是以「使用時(shí)間」計(jì)算，例如：撥打市內(nèi)電話或移動(dòng)電話，使用愈久費(fèi)用愈高。

　　分組交換（Packet switch）：是指?jìng)魉投伺c接收端之間共享一條線路，必須先將要傳送的數(shù)據(jù)切割成許多較小的「封包（Packet）」再進(jìn)行通訊，目前的「數(shù)據(jù)通信（Datacom）」都是屬于分組交換，用戶要傳送的數(shù)據(jù)愈多，則封包數(shù)目愈多，傳送的時(shí)間愈長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在通訊之前并不需要撥號(hào)，只要將網(wǎng)絡(luò)線連接即可使用，就是使用分組交換的方式，通常費(fèi)用是以「數(shù)據(jù)傳輸率」來計(jì)算，例如：中華電信的 ADSL，不同數(shù)據(jù)傳輸率費(fèi)用不同，但是使用時(shí)間沒有限制。