3G、4G、5G有何不同之處，你真的懂嗎？
3G、4G、5G有何不同之處，你真的懂嗎？
3G技術還未遠去，4G技術方興未艾，5G技術已蓄勢待發。本文從技術層面全面解析了關於3G、4G、5G的不同之處：1.無線通訊傳遞媒介：電磁波，2.無線通訊傳遞通道：頻寬，3.頻寬與資料傳輸率的差異，4.數字調變技術，5.多工技術，6.4G 與 5G 的技術發展目的：增加頻譜效率與頻寬。
作者：Dr.J來源：edn|2015-10-21 14:22
智慧型手機的問世除了帶動行動世代的崛起，更加速通訊技術的革新，在幾年間，資料傳輸率的增加讓使用者享受高速行動網路新體驗，3G、4G、5G 的議題熱度也始終居高不下，並躍居產官學研等單位的研究主題。
但是一般人對 4G 乃至於 5G 的認知，就是手機上網的速度更快，並不瞭解背後的科學含意，本文將從不同通訊世代的角度切入，一步步帶領讀者認識這些技術背後的原理，到底什麼是電磁波?什麼是頻寬?不同世代的差別又在哪裡?
行動電話的世代
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)行動電話做出區隔，我們以目前全球市佔率最高的歐洲系統來說明，這也是目前臺灣所使用的系統：
第二代行動電話(2G)：GSM 系統只支援線路交換(注)的語音通道，主要透過語音通道打電話與傳送簡訊，GPRS 系統支援分組交換因此可以上網，但是由於利用語音通道傳送資料封包，因此上網的速度很慢。
第三代行動電話(3G)：UMTS 系統支援分組交換(注)，可以用更快的速度上網，由於 3G 的手機同時支援 2G ，因此當我們使用 3G 的手機講電話或傳簡訊時，其實是使用 GSM 系統的語音通道來完成。
·第四代行動電話(4G)：LTE / LTE-A 系統支援分組交換，可以用更快的速度上網，由於 4G 的手機大多同時支援 3G 與 2G，因此在手機找不到 LTE 基地臺時仍然會以 UMTS 基地臺上網，講電話或傳簡訊時仍然是使用 GSM 系統的語音通道來完成。
其實 4G 使用的 LTE 系統由於資料傳輸率很高，可以直接將語音資料切割成封包來傳送，原理就和 Skype 網路電話一樣，可以讓音質更好，但是分組交換通常費用是以資料傳輸率來計算，等於使用者講再久費用都一樣，對電信公司來說如何收到更多錢是個問題;反觀線路交換是計時收費，電信公司能夠賺到更多錢，因此目前臺灣大部份電信公司的 4G LTE 提供講電話或傳簡訊時，仍然是使用 GSM 系統的語音通道來完成。
頻寬的科學含意
一般人對通訊世代的認知就是愈後面的世代表示頻寬(Bandwidth)愈寬，頻寬就好像高速公路，頻寬愈寬就好像高速公路愈寛(車道愈多)，代表行車速度愈快，也就是通訊時資料傳輸率愈高;再講簡單一點，就是手機上網的速度更快，這樣的觀念是對的，但是這種認知是不科學的，要解釋頻寬，我們需要從電磁波說起。
無線通訊傳遞媒介：電磁波
電磁波(Electromagnetic wave)是由互相垂直的「電場(Electric field)」與「磁場(Magnetic field)」互動作用而產生的一種「能量(Energy)」，這種能量在前進的時候就像水波一樣會依照一定的頻率不停地振動，如圖1(a)所示。電磁波每秒鐘振動的次數是「頻率(Frequency) 」，單位為「赫茲(Hz)」，假設某一個電磁波一秒鐘振動 2 次，則頻率為 2Hz，如圖1(b)所示;一秒鐘振動 4 次，則頻率為 4Hz，如圖1(c)所示，例如：無線區域網絡(Wi-Fi)與藍芽(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 24 億次(在這裡 G 的意思是 Giga，也就是 Billion，代表 10 億，不是前面 3G、4G、5G 的那個 G)。
圖1：電磁波的定義
(a)電磁波是由彼此互相垂直的電場與磁場互動作用而產生的能量;
(b)每秒鐘振動 2 次則頻率為2Hz;
(c)每秒鐘振動 4 次則頻率為4Hz。
宇宙裡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，由於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訊使用。
圖2：電磁波頻譜與應用。
(a)電磁波頻譜;
(b) 通訊電磁波頻譜。
目前用來做為無線通訊的電磁波如圖2(b)所示，包括：
頻率大約 100G~1GHz 的電磁波：通常應用在衛星通訊、衛星定位、雷達與微波通訊等，而頻率 30GHz 以上(相當於波長 10 毫米以下)的電磁波稱為「毫米波(Millimeter Wave)」，目前有公司計劃應用在 5G 的通訊系統中。
頻率大約 100M~1MHz 的電磁波：通常應用在無線電視、行動通訊(GSM / GPRS)、調幅廣播(AM)、業餘無線電、調頻廣播(FM)等。
頻率大約 100K~1KHz 的電磁波：通常應用在航空無線電、海底電纜、電話與電報等。
無線通訊傳遞通道：頻寬
頻寬(Bandwidth)是用來傳遞訊號的「頻率範圍」，單位與頻率相同為「赫茲(Hz)」，而且每一對通訊使用者必須使用「不同的頻率範圍」來通話，假設：
甲和乙使用頻率 900~900.2MHz 的電磁波通話(頻寬 900.2-900=0.2MHz);
丙和丁使用頻率 900.2~900.4MHz 的電磁波通話(頻寬 900.4-900.2=0.2MHz);
此時我們說這個通訊系統的語音通道頻寬為 0.2MHz。
手機並不會分辨到底是誰和誰在通話，而是接收某一個「頻率範圍(頻寬)」的電磁波訊號，因此甲與乙通話時手機都接收頻率 900~900.2MHz 的電磁波，丙與丁通話時手機都接收頻率 900.2~900.4MHz 的電磁波，換句話說，所有的通訊元件都是「只認頻率不認人」，而且相同頻率範圍的電磁波只能使用一次，不能重複使用，否則會互相干擾。
頻寬與資料傳輸率的差異
「頻寬(Bandwidth)」與「資料傳輸率(Data rate)」的意義很類似，常常讓我們混淆，這裡簡單說明它們之間的差別：
頻寬(Bandwidth)是模擬通訊使用的名詞：由圖一可以看出，電磁波是一種連續的波動能量，既然是連續的當然一定是模擬訊號，因此「頻寬(Bandwidth)」和它的單位「赫茲(Hz)」指的都是電磁波的物理特性。
資料傳輸率(Data rate)是數字通訊使用的名詞：手機會先將我們講話的聲音(連續的模擬訊號)先轉換成不連續的 0 與 1 兩種數字訊號，再經由天線傳送出去。資料傳輸率的單位「每秒位數(bps：bit per second)」，代表每秒可以傳送幾個位，也就是每秒可以傳送幾個 0 或 1，例如：1Gbps(1G = 10 億)代表每秒可以傳送 10 億個位(10 億個 0 或 1)。
資料傳輸率是數字通訊時實際傳送每個位資料的速率，重點是數字訊號讓我們可以利用不同的調變與多工技術，使相同頻寬的介質具有更高的資料傳輸率，這就是目前許多新的通訊技術，例如：3G 使用的 WCDMA、4G 使用的 OFDM 等被髮明出來的原因，後面會再詳細說明。
在前文中，我們瞭解到無線通訊的頻譜有限，分配非常嚴格，相同頻寬的電磁波只能使用一次，例如 2G 的 GSM900 系統使用頻率範圍 890~960MHz，則其他的無線通訊就不能再使用這個頻率範圍，否則會互相干擾。為了解決僧多粥少的難題，工程師研發出許多技術，來擴增頻譜的使用率，例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在這些複雜技術的背後，只要能掌握兩個基本概念，就能瞭解整個通訊技術的發展關鍵。
這兩個基本概念為「調變技術」(Modulation)與「多工技術」(Multiplex)。其中調變技術是將模擬電磁波調變成不同的波形，來代表 0 與 1 兩種不同的數字訊號，這樣才能利用天線傳送到很遠的地方(這裡只談數字調變技術，不討論早期的 AM、FM 這種模擬調變技術)。多工技術則是將電磁波區分給不同的使用者使用，由於手機必須設計給所有的人使用，當每支手機都把電磁波丟到空中，該如何區分那個電磁波是誰的呢?
數字調變技術(Digital modulation)
現在的手機是屬於「數字通訊」，也就是我們講話的聲音(連續的模擬訊號)，先由手機轉換成不連續的 0 與 1 兩種數字訊號，再經由數字調變轉換成電磁波(模擬訊號載著數字訊號)，最後從天線傳送出去，原理如圖3所示。
圖3：數字通訊示意圖。(Source：the noun project)
電磁波是連續的能量，如何利用電磁波替我們傳送這些0與1的數字訊號呢?因此科學家發明了下列 4 種數字調變技術：
1.振幅位移鍵送(ASK)：利用電磁波的「振幅大小」載著數字訊號(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」載著數字訊號(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)」載著數字訊號(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.正交振幅調變(QAM)：同時利用電磁波的「振幅大小」與「相位不同(波形不同)」載著數字訊號(0 與 1)傳送出去，這個圖形比較複雜有興趣的人可以參考這裡。
圖4：數字訊號調變技術
(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。
數字調變技術的優點包括可以偵錯與除錯、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 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、無線區域網絡(Wi-Fi)、藍芽(Bluetooth)等都是使用數字調變，顯然數字通訊是發展的趨勢。
傳送端將數字訊號(0 與 1)轉變成不同的電磁波波形稱為「調變(Modulation)」;同理，接收端將不同的電磁波波形還原成數字訊號(0 與 1)稱為「解調(Demodulation)」，所有的通訊裝置一般都必須同時支援傳送(調變)與接收(解調)，因此科學家把負責調變與解調的元件稱為「調變解調器」，英文就把「Modulation」與「Demodulation」的字頭組合成一個新單字「Modem」，下回只要聽到 Modem 就知道它是在做通訊用的元件囉!
多工技術(Multiplex)
多人共同使用一條資訊通道的方法稱為「多工技術」(Multiplex)，簡單的說，天空只有一個，你的手機要丟電磁波出去，我的手機也要丟電磁波出去，兩種電磁波在天空中混在一起，接收端該如何區分那些是你的(和你通話的)，那些是我的(和我通話的)呢?
多工技術的目的就是讓所有人使用，而且彼此不能互相干擾，為了增加資料傳輸率，可能必須同時使用兩種以上的多工技術，才能滿足每個人都要使用的需求。無線通訊常見的多工技術包括下列 4 種：
1.分時多工接取(TDMA)：使用者依照「時間先後」輪流使用一條資訊通道，如圖5(a)所示，目前 2G 的 GSM / GPRS 系統有使用 TDMA。
2.分頻多工接取(FDMA)：使用者依照「頻率不同」同時使用一條資訊通道，如圖5(b)所示，前面介紹每一對使用者必須使用「不同的頻率範圍」來通話，其實就是 FDMA，目前 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS 有使用 FDMA。
3.分碼多工接取(CDMA)：將不同使用者的資料分別與特定的「密碼(Code)」運算以後，再傳送到資料通道，接收端以不同的密碼來分辨要接收的訊號，如圖5(c)所示。目前 3G 的 UMTS 有使用 CDMA。
4..正交分頻多工(OFDM)：前面介紹過分頻多工(FDMA)是使用者依照「頻率不同」同時傳送資料，而 OFDM 原理類似，唯一不同的是必須使用彼此「正交」的頻率，這個原理比較複雜有興趣的人可以參考這裡，目前 4G 的 LTE / LTE-A、無線區域網絡(IEEE802.11a/g/n)、數字電視(DTV)、數字音訊傳輸(DAB)有使用 OFDM。
圖5：多工技術(Multiplex)。
(a)TDMA：依照時間先後輪流使用;
(b)FDMA：依照頻率不同同時使用;
(c)CDMA：將不同使用者的資料分別與特定的密碼運算。
多工技術的比喻
多工技術比較複雜，我們可以想象在房子裡，甲與乙要講話，丙與丁要講話，戊與己要講話：
分時多工接取(TDMA)：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)講話彼此就不會互相干擾。
分頻多工接取(FDMA)：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)講話彼此就不會互相干擾。
·分碼多工接取(CDMA)：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房子裡講話，各自仍然可以分辨出各自不同的語言，當甲與乙用中文講話時，丙與丁的英文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會造成甲與乙解讀中文的困擾;同理，當丙與丁用英文講話時，甲與乙的中文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會造成丙與丁解讀英文的困擾，在這個例子裡「用不同的語言講話」就好像「用不同的密碼加密」一樣。
4G 與 5G 的技術發展目的：增加頻譜效率與頻寬
「頻譜效率」(Spectrum efficiency)是單位頻寬(Hz)具有多少資料傳輸率(bps)，可參考表 1 的說明，當單位頻寬的資料傳輸率高，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 技術的發展只為了兩個目的：
增加頻譜效率
由於相同的頻率只能使用一次，因此必須利用更新的調變與多工技術來增加頻譜效率，讓相同頻寬的電磁波具有更高的資料傳輸率，也就是把更多的 0 和 1 塞進相同頻寬的電磁波里來傳送。
增加頻寬
由於目前的電磁波頻譜裡 10GHz 以下的電磁波大部分都已經被用掉了，頻譜效率再怎麼提高總有技術上的極限，因此科學家只能去挖更高頻還沒有被使用的電磁波來給 5G 手機用，大家現在明白為什麼 Samsung 的 5G 技術會想要使用頻率 30GHz(相當於波長 10 毫米)的「毫米波(Millimeter Wave)」了吧!相關的新聞請參考這裡。
表 1：數字通訊系統的頻譜效率比較表
注：表 1 中的頻譜效率是直接以資料傳輸率除以通道頻寬，但是不同世代的通訊系統使用不同的技術，這個並沒有考慮進去，因此表中不同世代應該分開來比較才有意義。
僧多粥少，無線通訊的使用執照與頻譜分配
經由前面的介紹可以發現，無線通訊的頻譜非常珍貴，僧多粥少，因此使用執照費也比較高。那麼是由誰來決定那一種系統使用那一個頻率範圍才不會重複呢?國內的無線通訊頻譜目前是由國家通訊傳播委員會(NCC)管理，每一家系統業者(例如：中華電信、臺灣大哥大、遠傳電信等)都必須先向 NCC 取得使用執照才能經營無線通訊業務，由於無線通訊的頻譜非常珍貴，可以使用的頻率範圍有限，所以使用執照有限，通常會以公開招標的方式讓出價最高的電信業者取得使用執照，這就是去年的「第四代(4G)行動寬頻業務釋照」。
不只如此，由於我們大家是共享同一個空間，如果無線通訊裝置任意發出頻率不正確的訊號會干擾到其他通訊裝置，因此所有的無線通訊裝置，包括我們使用的手機與無線區域網絡(Wi-Fi)、藍芽(Bluetooth)等產品都必須先進行測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)：是指傳送端與接收端之間先建立一條專用的聯機再進行通訊，傳統的「語音通訊(Telecom)」都是屬於線路交換，例如：國內電話與國際電話、行動電話等在通話之前都必須先撥號，等交換機將電話接通之後才能通話，就是使用線路交換的方式，通常費用是以「使用時間」計算，例如：撥打市內電話或行動電話，使用愈久費用愈高。
分組交換(Packet switch)：是指傳送端與接收端之間共享一條線路，必須先將要傳送的資料切割成許多較小的「封包(Packet)」再進行通訊，目前的「資料通訊(Datacom)」都是屬於分組交換，使用者要傳送的資料愈多，則封包數目愈多，傳送的時間愈長，計算機網路在通訊之前並不需要撥號，只要將網路線連線即可使用，就是使用分組交換的方式，通常費用是以「資料傳輸率」來計算，例如：中華電信的 ADSL，不同資料傳輸率費用不同，但是使用時間沒有限制。
