解析3G、4G、5G 背后的科学意义

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本文编辑： Dr. J 发表于科技新报

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，3G、4G、5G 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

大家常常听到广告说：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，大家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 系统只支撑线路交换（注）的语音信道，主要通过语音信道打电话与传送短信，GPRS 系统支撑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 系统支撑分组交换（注），可以用更快的速度上网，由于 3G 的手机同时支撑 2G ，因此当大家使用 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 系统支撑分组交换，可以用更快的速度上网，由于 4G 的手机大多同时支撑 3G 与 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，对电信企业来说如何收到更多钱是个问题；反观线路交换是计时收费，电信企业能够赚到更多钱，因此目前大部份电信企业的 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，要说明带宽，大家需要从电磁波说起。

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，大家称为「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） 通信电磁波频谱。

目前用来做为无线通信的电磁波如图2（b）所示，包括：

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）」，目前有企业计划应用在 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）；

此时大家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，常常让大家混淆，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：手机会先将大家讲话的声音（连续的模拟信号）先转换成不连续的 0 与 1 两种数字信号，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，重点是数字信号让大家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 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，大家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 与 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 AM、FM 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」，也就是大家讲话的声音（连续的模拟信号），先由手机转换成不连续的 0 与 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。

图3：数字通讯示意图

电磁波是连续的能量，如何利用电磁波替大家传送这些0与1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 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」载着数字信号（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）」载着数字信号（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 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：数字信号调制技术

（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，大家所使用手机 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、无线局域网络（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）等都是使用数字调制，显然数字通讯是发展的趋势。

传送端将数字信号（0 与 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 与 1）称为「解调（Demodulation）」，所有的通讯装置一般都必须同时支撑传送（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5（a）所示，目前 2G 的 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5（b）所示，前面先容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．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5（c）所示。目前 3G 的 UMTS 有使用 CDMA。

4. 正交频分复用（OFDM）：前面先容过频分多址（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 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：复用技术（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。

复用技术的比喻

复用技术比较复杂，大家可以想象在房子里，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！

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。