解析通讯技术：3G、4G、5G 背后的科学意义（上）

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、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：4G LTE，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4G LTE 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（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。

宇宙里自然存在的所有电磁波如图二（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讯使用。

▲ 图二：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讯的电磁波如图二（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、移动通讯（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：通常应用在航空无线电、海底电缆、电话与电报等。

无线通讯传递通道：频宽

频宽（Bandwidth）是用来传递信号的"频率范