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看了这些,你就基本了解2G、3G、4G、5G了


智能手机的问世除了带动移动世代的崛起,更加速通信技术的革新,在几年间,数据传输率的增加让用户享受高速移动网络新体验,3G4G5G 的议题热度也始终居高不下。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,本文将从不同通信时代的角度切入,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:
  
第二代移动电话(2G):GSM 系统只支持线路交换(注)的语音信道,主要通过语音信道打电话与传送短信,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 的手机讲电话或发短信时,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 2G,因此在手机找不到 LTE 基站时仍然会以 UMTS 基站上网,讲电话或发短信时仍然是使用 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 提供讲电话或发短信时,仍然是使用 GSM 系统的语音信道来完成。
  
带宽的科学含意
一般人对通信世代的认知就是越后面的世代表示带宽(Bandwidth)越宽,带宽就好像高速公路,带宽越宽就好像高速公路越宽(车道越多),代表行车速度越快,也就是通信时数据传输率越高;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1a)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1b)所示;一秒钟振动 4 次,则频率为 4Hz,如图1c)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 3G4G5G 的那个 G)。


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2a)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(InfraredIR)、可见光(人类肉眼可以看见的光)、紫外光(UltravioletUV),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。
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2:电磁波频谱与应用。
  
a)电磁波频谱;
  
b) 通信电磁波频谱。
  
目前用来做为无线通信的电磁波如图2b)所示,包括:
  
1
)频率大约 100G~1GHz 的电磁波:通常应用在卫星通信、卫星定位、雷达与微波通信等,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 的通信系统中。
  
2
)频率大约 100M~1MHz 的电磁波:通常应用在无线电视、移动通信(GSM / GPRS)、调幅广播(AM)、业余无线电、调频广播(FM)等。
  
3
)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)是用来传递信号的「频率范围」,单位与频率相同为「赫兹(Hz)」,而且每一对通信用户必须使用「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);
  
此时我们说这个通信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:
  
1
)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信号,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。
  
2
)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(连续的模拟信号)先转换成不连续的 0 1 两种数字信号,再经由天线传送出去。数据传输率的单位「每秒位数(bpsbit 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 1,例如:1Gbps1G = 10 亿)代表每秒可以传送 10 亿个位(10 亿个 0 1)。
  
数据传输率是数字通讯时实际传送每个位数据的速率,重点是数字信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信技术,例如:3G 使用的 WCDMA4G 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 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 TDMAFDAMCDMAOFDM,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「调制技术」(Modulation)与「多任务技术」(Multiplex)。其中调制技术是将模拟电磁波调变成不同的波形,来代表 0 1 两种不同的数字信号,这样才能利用天线传送到很远的地方(这里只谈数字调制技术,不讨论早期的 AMFM 这种模拟调制技术)。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?
  
数字调制技术(Digital modulation

现在的手机是属于「数字通讯」,也就是我们讲话的声音(连续的模拟信号),先由手机转换成不连续的 0 1 两种数字信号,再经由数字调变转换成电磁波(模拟信号载着数字信号),最后从天线传送出去,原理如图3所示。
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图3:数字通讯示意图


电磁波是连续的能量,如何利用电磁波替我们传送这些01的数字信号呢?因此科学家发明了下列 4 种数字调制技术:
  
1
.振幅位移键送(ASK):利用电磁波的「振幅大小」载着数字信号(0 1)传送出去,振幅小代表 0,振幅大代表 1,图4a)所示。
  
2
.频率位移键送(FSK):利用电磁波的「频率高低」载着数字信号(0 1)传送出去,频率低代表 0,频率高代表 1,图4b)所示。
  
3
.相位位移键送(PSK):利用电磁波的「相位不同(波形不同)」载着数字信号(0 1)传送出去,相位 代表 0,相位 180° 代表 1,图4c)所示。
  
4
.正交振幅调制(QAM):同时利用电磁波的「振幅大小」与「相位不同(波形不同)」载着数字信号(0 1)传送出去,这个图形比较复杂有兴趣的人可以参考这里。
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4:数字信号调制技术
  
aASK:振幅小代表 0,振幅大代表 1
  
bFSK:频率低代表 0,频率高代表 1
  
cPSK:相位代表 0,相位 180° 代表 1
  
数字调制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 GSM / GPRS3G UMTS4G LTE / LTE-A、无线局域网络(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)等都是使用数字调制,显然数字通讯是发展的趋势。
  
传送端将数字信号(0 1)转变成不同的电磁波波形称为「调制(Modulation)」;同理,接收端将不同的电磁波波形还原成数字信号(0 1)称为「解调(Demodulation)」,所有的通讯装置一般都必须同时支持传送(调制)与接收(解调),因此科学家把负责调制与解调的组件称为「调制解调器」,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!
  
复用技术(Multiplex
多人共同使用一条信息信道的方法称为「复用技术」(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?
  
复用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复用技术,才能满足每个人都要使用的需求。无线通信常见的复用技术包括下列 4 种:
  
1
.时分多址(TDMA):使用者依照「时间先后」轮流使用一条信息信道,如图5a)所示,目前 2G GSM / GPRS 系统有使用 TDMA
  
2
.频分多址(FDMA):用户依照「频率不同」同时使用一条信息信道,如图5b)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 GSM / GPRS3G UMTS 有使用 FDMA
  
3
.码分多址(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信号,如图5c)所示。目前 3G UMTS 有使用 CDMA
  
4.  
正交频分复用(OFDM):前面介绍过频分多址(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 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
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5:复用技术(Multiplex
  
aTDMA:依照时间先后轮流使用;
  
bFDMA:依照频率不同同时使用;
  
cCDMA:将不同用户的数据分别与特定的密码运算。

复用技术的比喻
复用技术比较复杂,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:
  
时分多址(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。
  
频分多址(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。
 
码分多址(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
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/HzLTE-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 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制与复用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 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  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!
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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,但是不同世代的通信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。
    
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信,传统的语音通信都是属于线路交换,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,使用越久费用越高。
  
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)」再进行通信,目前的「数据通信(Datacom)」都是属于分组交换,用户要传送的数据越多,则封包数目越多,传送的时间越长,计算机网络在通信之前并不需要拨号,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,不同数据传输率费用不同,但是使用时间没有限制。


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