解析3G、4G、5G 背后的科学意义——下篇

正交分频多工（OFDM）：前面介绍过分频多工（FDMA）是使用者依照"频率不同"同时传送资料，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、无线区域网络（IEEE802.11a/g/n）、数码电视（DTV）、数码音讯广播（DAB）有使用OFDM。

▲ 图三：多工技术（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：将不同使用者的资料分别与特定的密码运算。

多工技术的比喻

多工技术比较复杂，我们可以想像在房子里，甲与乙要讲话，丙与丁要讲话，戊与己要讲话：

分时多工接取（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。

分频多工接取（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。

分码多工接取（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：增加频谱效率与频宽

"频谱效率"（Spectrum efficiency）是单位频宽（Hz）具有多少资料传输率（bps），可参考表1 的说明，当单位频宽的资料传输率高，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变与多工技术来增加频谱效率，让相同频宽的电磁波具有更高的资料传输率，也就是把更多的0 和1 塞进相同频宽的电磁波里来传送。

增加频宽

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Samsung 的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！相关的新闻请参考这里。

表1：数码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资料传输率除以通道频宽，但是不同世代的通讯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。

僧多粥少，无线通讯的使用执照与频谱分配

经由前面的介绍可以发现，无线通讯的频谱非常珍贵，僧多粥少，因此使用执照费也比较高。那么是由谁来决定那一种系统使用那一个频率范围才不会重覆呢？国内的无线通讯频谱目前是由国家通讯传播委员会（NCC）管理，每一家系统业者（例如：中华电信、台湾大哥大、远传电信等）都必须先向NCC 取得使用执照才能经营无线通讯业务，由于无线通讯的频谱非常珍贵，可以使用的频率范围有限，所以使用执照有限，通常会以公开招标的方式让出价最高的电信业者取得使用执照，这就是去年的"第四代（4G）移动宽频业务释照"。

不只如此，由于我们大家是共用同一个空间，如果无线通讯设备任意发出频率不正确的信号会干扰到其他通讯设备，因此所有的无线通讯设备，包括我们使用的手机与无线区域网络（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）等产品都必须先进行测试合格才可以上市销售。