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解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(上)

2014-12-05 婷婷

OFweek光通讯网讯 智能手机的问世除了带动移动世代的崛起,更加速通讯技术的革新,在几年间,资料传输率的增加让使用者享受高速移动网络新体验,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?什么是频宽?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:4GLTE,其中G代表“世代(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)的语音通道,主要透过语音通道打电话与传送简讯,GPRS系统支持封包交换因此可以上网,但是由于利用语音通道传送资料封包,因此上网的速度很慢。

?第三代移动电话(3G):UMTS系统支持封包交换(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系统的语音通道来完成。

?第四代移动电话(4G):LTE/LTE-A系统支持封包交换,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系统的语音通道来完成。

其实4G使用的LTE系统由于资料传输率很高,可以直接将语音资料切割成封包来传送,原理就和Skype网络电话一样,可以让音质更好,但是封包交换通常费用是以资料传输率来计算,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4GLTE提供讲电话或传简讯时,仍然是使用GSM系统的语音通道来完成。

频宽的科学含意

一般人对通讯世代的认知就是愈后面的世代表示频宽(Bandwidth)愈宽,频宽就好像高速公路,频宽愈宽就好像高速公路愈寛(车道愈多),代表行车速度愈快,也就是通讯时资料传输率愈高;再讲简单一点,就是手机上网的速度更快,这样的观念是对的,但是这种认知是不科学的,要解释频宽,我们需要从电磁波说起。

无线通讯传递媒介:电磁波

电磁波(Electromagneticwave)是由互相垂直的“电场(Electricfield)”与“磁场(Magneticfield)”交互作用而产生的一种“能量(Energy)”,这种能量在前进的时候就像水波一样会依照一定的频率不停地振动,如图一(a)所示。电磁波每秒钟振动的次数是“频率(Frequency)”,单位为“赫兹(Hz)”,假设某一个电磁波一秒钟振动2次,则频率为2Hz,如图一(b)所示;一秒钟振动4,则频率为4Hz,如图一(c)所示,例如:无线区域网络(Wi-Fi)与蓝牙(Bluetooth)的通讯频率为2.4GHz,意思就是它使用的电磁波每秒钟振动24亿次(在这里G的意思是Giga,也就是Billion,代表10亿,不是前面3G、4G、5G的那个G)。

▲图一:电磁波的定义。(a)电磁波是由彼此互相垂直的电场与磁场交互作用而产生的能量;(b)每秒钟振动2次则频率为2Hz;(c)每秒钟振动4次则频率为4Hz。

 

宇宙里自然存在的所有电磁波如图二(a)所示,我们称为“电磁波频谱(Spectrum)”,由图中可以看出中间的部分是光(Light),包括:红外光(Infrared,IR)、可见光(人类肉眼可以看见的光)、紫外光(Ultraviolet,UV),因此光是一种电磁波;右边为频率更高(能量更高)的电磁波;左边为频率更低(能量更低)的电磁波,由于频率较低的电磁波比较安全,而且具有良好的绕射特性,因此适合用来做为无线通讯使用。

▲图二:电磁波频谱与应用。(a)电磁波频谱;(b)通讯电磁波频谱。

目前用来做为无线通讯的电磁波如图二(b)所示,包括:

?频率大约100G~1GHz的电磁波:通常应用在卫星通讯、卫星定位、雷达与微波通讯等,而频率30GHz以上(相当于波长10毫米以下)的电磁波称为“毫米波(MillimeterWave)”,目前有公司计划应用在5G的通讯系统中。

?频率大约100M~1MHz的电磁波:通常应用在无线电视、移动通讯(GSM/GPRS)、调幅广播(AM)、业余无线电、调频广播(FM)等。

?频率大约100K~1KHz的电磁波:通常应用在航空无线电、海底电缆、电话与电报等。

无线通讯传递通道:频宽

频宽(Bandwidth)是用来传递信号的“频率范围”,单位与频率相同为“赫兹(Hz)”,而且每一对通讯使用者必须使用“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(频宽900.2-900=0.2MHz);

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

此时我们说这个通讯系统的语音通道频宽为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(频宽)”的电磁波信号,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,所有的通讯元件都是“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,不能重覆使用,否则会互相干扰。

频宽与资料传输率的差异

“频宽(Bandwidth)”与“资料传输率(Datarate)”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:

?频宽(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信号,因此“频宽(Bandwidth)”和它的单位“赫兹(Hz)”指的都是电磁波的物理特性。

?资料传输率(Datarate)是数码通讯使用的名词:手机会先将我们讲话的声音(连续的模拟信号)先转换成不连续的0与1两种数码信号,再经由天线传送出去。资料传输率的单位“每秒位数(bps:bitpersecond)”,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)。

资料传输率是数码通讯时实际传送每个位资料的速率,重点是数码信号让我们可以利用不同的调变与多工技术,使相同频宽的介质具有更高的资料传输率,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。

最后提醒大家,我们到中华电信申请的ADSL是属于数码通讯,因此要选择10Mbps、100Mbps指的其实都是“资料传输率”,不应该说是“频宽”,下回别再用错名词啰!

注:线路交换与封包交换

线路交换(Circuitswitch):是指传送端与接收端之间先建立一条专用的连线再进行通讯,传统的“语音通信(Telecom)”都是属于线路交换,例如:国内电话与国际电话、移动电话等在通话之前都必须先拨号,等交换机将电话接通之后才能通话,就是使用线路交换的方式,通常费用是以“使用时间”计算,例如:拨打市内电话或移动电话,使用愈久费用愈高。

封包交换(Packetswitch):是指传送端与接收端之间共用一条线路,必须先将要传送的资料切割成许多较小的“封包(Packet)”再进行通讯,目前的“资料通信(Datacom)”都是属于封包交换,使用者要传送的资料愈多,则封包数目愈多,传送的时间愈长,电脑网络在通讯之前并不需要拨号,只要将网络线连接即可使用,就是使用封包交换的方式,通常费用是以“资料传输率”来计算,例如:中华电信的ADSL,不同资料传输率费用不同,但是使用时间没有限制。

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