详解5G与4G、3G的不同之处

　　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***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***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。

　　带宽的科学含意

　　一般人对通讯世代的认知就是愈后面的世代表示带宽（Bandwidth）愈宽，带宽就好像高速公路，带宽愈宽就好像高速公路愈寛（车道愈多），代表行车速度愈快，也就是通讯时数据传输率愈高；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，要解释带宽，我们需要从电磁波说起。

　　无线通信传递媒介：电磁波

　　电磁波（Electromagnetic wave）是由互相垂直的「电场（Electric field）」与「磁场（Magnetic field）」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1（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1（b）所示；一秒钟振动 4 次，则频率为 4Hz，如图1（c）所示，例如：无线局域网络（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1：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2（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信使用。

　　图2：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信的电磁波如图2（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（Millimeter Wave）」，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、行动通讯（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。

　　在前文中，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，原理如图3所示。

　　图3：数字通讯示意图。（Source：the noun project）

　　电磁波是连续的能量，如何利用电磁波替我们传送这些0与1的数字讯号呢？因此科学家发明了下列 4 种数字调变技术：

　　1.振幅位移键送（ASK）：利用电磁波的「振幅大小」载着数字讯号（0 与 1）传送出去，振幅小代表 0，振幅大代表 1，图4（a）所示。

　　2.频率位移键送（FSK）：利用电磁波的「频率高低」载着数字讯号（0 与 1）传送出去，频率低代表 0，频率高代表 1，图4（b）所示。

　　3.相位位移键送（PSK）：利用电磁波的「相位不同（波形不同）」载着数字讯号（0 与 1）传送出去，相位 0° 代表 0，相位 180° 代表 1，图4（c）所示。

　　4.正交振幅调变（QAM）：同时利用电磁波的「振幅大小」与「相位不同（波形不同）」载着数字讯号（0 与 1）传送出去，这个图形比较复杂有兴趣的人可以参考这里。

　　图4：数字讯号调变技术。（a）ASK：振幅小代表 0，振幅大代表 1；（b）FSK：频率低代表 0，频率高代表 1；（c）PSK：相位 0° 代表 0，相位 180° 代表 1。

　　数字调变技术的优点包括可以侦错与除错、可以压缩与解压缩、可以加密与解密、更好的抗噪声能力等，我们所使用手机 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、无线局域网络（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）等都是使用数字调变，显然数字通讯是发展的趋势。

　　传送端将数字讯号（0 与 1）转变成不同的电磁波波形称为「调变（Modulation）」；同理，接收端将不同的电磁波波形还原成数字讯号（0 与 1）称为「解调（Demodulation）」，所有的通讯装置一般都必须同时支持传送（调变）与接收（解调），因此科学家把负责调变与解调的组件称为「调变解调器」，英文就把「Modulation」与「Demodulation」的字头组合成一个新单字「Modem」，下回只要听到 Modem 就知道它是在做通讯用的组件啰！

　　多任务技术（Multiplex）

　　多人共同使用一条信息信道的方法称为「多任务技术」（Multiplex），简单的说，天空只有一个，你的手机要丢电磁波出去，我的手机也要丢电磁波出去，两种电磁波在天空中混在一起，接收端该如何区分那些是你的（和你通话的），那些是我的（和我通话的）呢？

　　多任务技术的目的就是让所有人使用，而且彼此不能互相干扰，为了增加数据传输率，可能必须同时使用两种以上的多任务技术，才能满足每个人都要使用的需求。无线通信常见的多任务技术包括下列 4 种：

　　1.分时多任务接取（TDMA）：使用者依照「时间先后」轮流使用一条信息信道，如图5（a）所示，目前 2G 的 GSM / GPRS 系统有使用 TDMA。

　　2.分频多任务接取（FDMA）：用户依照「频率不同」同时使用一条信息信道，如图5（b）所示，前面介绍每一对使用者必须使用「不同的频率范围」来通话，其实就是 FDMA，目前 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS 有使用 FDMA。

　　3.分码多任务接取（CDMA）：将不同用户的数据分别与特定的「密码（Code）」运算以后，再传送到数据信道，接收端以不同的密码来分辨要接收的讯号，如图5（c）所示。目前 3G 的 UMTS 有使用 CDMA。

　　4. 正交分频多任务（OFDM）：前面介绍过分频多任务（FDMA）是用户依照「频率不同」同时传送数据，而 OFDM 原理类似，唯一不同的是必须使用彼此「正交」的频率，这个原理比较复杂有兴趣的人可以参考这里，目前 4G 的 LTE / LTE-A、无线局域网络（IEEE802.11a/g/n）、数字电视（DTV）、数字音频传输（DAB）有使用 OFDM。

　　图5：多任务技术（Multiplex）。（a）TDMA：依照时间先后轮流使用；（b）FDMA：依照频率不同同时使用；（c）CDMA：将不同用户的数据分别与特定的密码运算。

　　多任务技术的比喻

　　多任务技术比较复杂，我们可以想象在房子里，甲与乙要讲话，丙与丁要讲话，戊与己要讲话：

　　·分时多任务接取（TDMA）：甲与乙先讲一句，再换丙与丁讲一句，再换戊与己讲一句，依此类推，大家轮流（分时）讲话彼此就不会互相干扰。

　　·分频多任务接取（FDMA）：甲与乙在客厅讲话，丙与丁在书房讲话，戊与己在卧室讲话，大家在不同的房间（分频）讲话彼此就不会互相干扰。

　　· 分码多任务接取（CDMA）：甲与乙用中文讲话，丙与丁用英文讲话，戊与己用日文讲话，这样虽然大家在同一个房子里讲话，各自仍然可以分辨出各自不同的语言，当甲与乙用中文讲话时，丙与丁的英文以及戊与己的日文只是声音干扰而己，不会造成甲与乙解读中文的困扰；同理，当丙与丁用英文讲话时，甲与乙的中文以及戊与己的日文只是声音干扰而己，不会造成丙与丁解读英文的困扰，在这个例子里「用不同的语言讲话」就好像「用不同的密码加密」一样。

　　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）」了吧！相关的新闻请参考这里。

　　表 1：数字通讯系统的频谱效率比较表

　　注：表 1 中的频谱效率是直接以数据传输率除以信道带宽，但是不同世代的通讯系统使用不同的技术，这个并没有考虑进去，因此表中不同世代应该分开来比较才有意义。

　　僧多粥少，无线通信的使用执照与频谱分配

　　经由前面的介绍可以发现，无线通信的频谱非常珍贵，僧多粥少，因此使用执照费也比较高。那么是由谁来决定那一种系统使用那一个频率范围才不会重复呢？国内的无线通信频谱目前是由国家通讯传播委员会（NCC）管理，每一家系统业者（例如：中华电信、***大哥大、远传电信等）都必须先向 NCC 取得使用执照才能经营无线通信业务，由于无线通信的频谱非常珍贵，可以使用的频率范围有限，所以使用执照有限，通常会以公开招标的方式让出价最高的电信业者取得使用执照，这就是去年的「第四代（4G）行动宽带业务释照」。

　　不只如此，由于我们大家是共享同一个空间，如果无线通信设备任意发出频率不正确的讯号会干扰到其他通讯设备，因此所有的无线通信设备，包括我们使用的手机与无线局域网络（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）等产品都必须先进行测试合格才可以上市销售。

　　注：线路交换与分组交换

　　线路交换（Circuit switch）：是指传送端与接收端之间先建立一条专用的联机再进行通讯，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。

　　分组交换（Packet switch）：是指传送端与接收端之间共享一条线路，必须先将要传送的数据切割成许多较小的「封包（Packet）」再进行通讯，目前的「数据通信（Datacom）」都是属于分组交换，用户要传送的数据愈多，则封包数目愈多，传送的时间愈长，计算机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，就是使用分组交换的方式，通常费用是以「数据传输率」来计算，例如：中华电信的 ADSL，不同数据传输率费用不同，但是使用时间没有限制。