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3G、4G、5G有何不同之处,你真的懂吗?

2015-10-21 09:57
夜隼008
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  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。

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