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解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(上)

2015-11-18 15:02
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  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、4G5G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。

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