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，因此目前台湾大部份电信公司的 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