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              安防知識

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              看了這些,你就基本了解2G、3G、4G、5G了

              作者: admin 時間:2017-11-20 來源:未知
              摘要:智能手機的問世除了帶動移動世代的崛起,更加速通信技術的革新,安防技術也在通訊技術的帶動下取得了更快的發展。在幾年間,數據傳輸率的增加讓用戶享受高速移動網絡新體驗,...

                     智能手機的問世除了帶動移動世代的崛起,更加速通信技術的革新,安防技術也在通訊技術的帶動下取得了更快的發展。在幾年間,數據傳輸率的增加讓用戶享受高速移動網絡新體驗,3G、4G、5G 的議題熱度也始終居高不下。但是一般人對 4G 乃至于 5G 的認知,就是手機上網的速度更快,并不了解背后的科學含意,本文將從不同通信時代的角度切入,一步步帶領讀者認識這些技術背后的原理,到底什么是電磁波?什么是帶寬?不同世代的差別又在哪里?

              移動電話的世代

                     我們常常聽到廣告說:4G LTE,其中 G 代表「代(Generation)」,4G 代表第四代,是為了與之前的第二代(2G)、第三代(3G)移動電話做出區隔,我們以目前全球市占率最高的歐洲系統來說明:

                     第二代移動電話(2G):GSM 系統只支持線路交換(注)的語音信道,主要通過語音信道打電話與傳送短信,GPRS 系統支持分組交換因此可以上網,但是由于利用語音信道傳送數據封包,因此上網的速度很慢。

                     第三代移動電話(3G):UMTS 系統支持分組交換(注),可以用更快的速度上網,由于 3G 的手機同時支持 2G ,因此當我們使用 3G 的手機講電話或發短信時,其實是使用 GSM 系統的語音信道來完成。

                     第四代移動電話(4G):LTE / LTE-A 系統支持分組交換,可以用更快的速度上網,由于 4G 的手機大多同時支持 3G 與 2G,因此在手機找不到 LTE 基站時仍然會以 UMTS 基站上網,講電話或發短信時仍然是使用 GSM 系統的語音信道來完成。

                     其實 4G 使用的 LTE 系統由于數據傳輸率很高,可以直接將語音數據切割成封包來傳送,原理就和 Skype 網絡電話一樣,可以讓音質更好,但是分組交換通常費用是以數據傳輸率來計算,等于使用者講再久費用都一樣,對電信公司來說如何收到更多錢是個問題;反觀線路交換是計時收費,電信公司能夠賺到更多錢,因此目前大部份電信公司的 4G LTE 提供講電話或發短信時,仍然是使用 GSM 系統的語音信道來完成。

              帶寬的科學含意

                     一般人對通信世代的認知就是越后面的世代表示帶寬(Bandwidth)越寬,帶寬就好像高速公路,帶寬越寬就好像高速公路越寬(車道越多),代表行車速度越快,也就是通信時數據傳輸率越高;再講簡單一點,就是手機上網的速度更快,這樣的觀念是對的,但是這種認知是不科學的,要解釋帶寬,我們需要從電磁波說起。

              無線通信傳遞媒介:電磁波

                     電磁波(Electromagnetic wave)是由互相垂直的「電場(Electric field)」與「磁場(Magnetic field)」交互作用而產生的一種「能量(Energy)」,這種能量在前進的時候就像水波一樣會依照一定的頻率不停地振動,如圖1(a)所示。電磁波每秒鐘振動的次數是「頻率(Frequency) 」,單位為「赫茲(Hz)」,假設某一個電磁波一秒鐘振動 2 次,則頻率為 2Hz,如圖1(b)所示;一秒鐘振動 4 次,則頻率為 4Hz,如圖1(c)所示,例如:無線局域網絡(Wi-Fi)與藍牙(Bluetooth)的通訊頻率為 2.4GHz,意思就是它使用的電磁波每秒鐘振動 24 億次(在這里 G 的意思是 Giga,也就是 Billion,代表 10 億,不是前面 3G、4G、5G 的那個 G)。

              01.jpg

              圖1:電磁波的定義

              (a)電磁波是由彼此互相垂直的電場與磁場交互作用而產生的能量;

              (b)每秒鐘振動 2 次則頻率為2Hz;

              (c)每秒鐘振動 4 次則頻率為4Hz。

                     宇宙里自然存在的所有電磁波如圖2(a)所示,我們稱為「電磁波頻譜(Spectrum)」,由圖中可以看出中間的部分是光(Light),包括:紅外光(Infrared,IR)、可見光(人類肉眼可以看見的光)、紫外光(Ultraviolet,UV),因此光是一種電磁波;右邊為頻率更高(能量更高)的電磁波;左邊為頻率更低(能量更低)的電磁波,由于頻率較低的電磁波比較安全,而且具有良好的繞射特性,因此適合用來做為無線通信使用。

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              圖2:電磁波頻譜與應用。

              (a)電磁波頻譜;

              (b) 通信電磁波頻譜。

              目前用來做為無線通信的電磁波如圖2(b)所示,包括:

              1)頻率大約 100G~1GHz 的電磁波:通常應用在衛星通信、衛星定位、雷達與微波通信等,而頻率 30GHz 以上(相當于波長 10 毫米以下)的電磁波稱為「毫米波(Millimeter Wave)」,目前有公司計劃應用在 5G 的通信系統中。

              2)頻率大約 100M~1MHz 的電磁波:通常應用在無線電視、移動通信(GSM / GPRS)、調幅廣播(AM)、業余無線電、調頻廣播(FM)等。

              3)頻率大約 100K~1KHz 的電磁波:通常應用在航空無線電、海底電纜、電話與電報等。無線通信傳遞通道:帶寬

                     帶寬(Bandwidth)是用來傳遞信號的「頻率范圍」,單位與頻率相同為「赫茲(Hz)」,而且每一對通信用戶必須使用「不同的頻率范圍」來通話,假設:

                     甲和乙使用頻率 900~900.2MHz 的電磁波通話(帶寬 900.2-900=0.2MHz);

                     丙和丁使用頻率 900.2~900.4MHz 的電磁波通話(帶寬 900.4-900.2=0.2MHz);

                     此時我們說這個通信系統的語音信道帶寬為 0.2MHz。

                     手機并不會分辨到底是誰和誰在通話,而是接收某一個「頻率范圍(帶寬)」的電磁波信號,因此甲與乙通話時手機都接收頻率 900~900.2MHz 的電磁波,丙與丁通話時手機都接收頻率

                     900.2~900.4MHz 的電磁波,換句話說,所有的通訊組件都是「只認頻率不認人」,而且相同頻率范圍的電磁波只能使用一次,不能重復使用,否則會互相干擾。

              帶寬與數據傳輸率的差異

                     「帶寬(Bandwidth)」與「數據傳輸率(Data rate)」的意義很類似,常常讓我們混淆,這里簡單說明它們之間的差別:

                     1)帶寬(Bandwidth)是模擬通訊使用的名詞:由圖一可以看出,電磁波是一種連續的波動能量,既然是連續的當然一定是模擬信號,因此「帶寬(Bandwidth)」和它的單位「赫茲(Hz)」指的都是電磁波的物理特性。

                     2)數據傳輸率(Data rate)是數字通訊使用的名詞:手機會先將我們講話的聲音(連續的模擬信號)先轉換成不連續的 0 與 1 兩種數字信號,再經由天線傳送出去。數據傳輸率的單位「每秒位數(bps:bit per second)」,代表每秒可以傳送幾個位,也就是每秒可以傳送幾個 0 或 1,例如:1Gbps(1G = 10 億)代表每秒可以傳送 10 億個位(10 億個 0 或 1)。

                     數據傳輸率是數字通訊時實際傳送每個位數據的速率,重點是數字信號讓我們可以利用不同的調變與多任務技術,使相同帶寬的介質具有更高的數據傳輸率,這就是目前許多新的通信技術,例如:3G 使用的 WCDMA、4G 使用的 OFDM 等被發明出來的原因,后面會再詳細說明。

                     在前文中,我們了解到無線通信的頻譜有限,分配非常嚴格,相同帶寬的電磁波只能使用一次,例如 2G 的 GSM900 系統使用頻率范圍 890~960MHz,則其他的無線通信就不能再使用這個頻率范圍,否則會互相干擾。為了解決僧多粥少的難題,工程師研發出許多技術,來擴增頻譜的使用率,例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM,而在這些復雜技術的背后,只要能掌握兩個基本概念,就能了解整個通訊技術的發展關鍵。

                     這兩個基本概念為「調制技術」(Modulation)與「多任務技術」(Multiplex)。其中調制技術是將模擬電磁波調變成不同的波形,來代表 0 與 1 兩種不同的數字信號,這樣才能利用天線傳送到很遠的地方(這里只談數字調制技術,不討論早期的 AM、FM 這種模擬調制技術)。多任務技術則是將電磁波區分給不同的使用者使用,由于手機必須設計給所有的人使用,當每支手機都把電磁波丟到空中,該如何區分那個電磁波是誰的呢?

              數字調制技術(Digital modulation)

                     現在的手機是屬于「數字通訊」,也就是我們講話的聲音(連續的模擬信號),先由手機轉換成不連續的 0 與 1 兩種數字信號,再經由數字調變轉換成電磁波(模擬信號載著數字信號),最后從天線傳送出去,原理如圖3所示。

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              圖3:數字通訊示意圖

                     電磁波是連續的能量,如何利用電磁波替我們傳送這些0與1的數字信號呢?因此科學家發明了下列 4 種數字調制技術:

              1.振幅位移鍵送(ASK):利用電磁波的「振幅大小」載著數字信號(0 與 1)傳送出去,振幅小代表 0,振幅大代表 1,圖4(a)所示。

              2.頻率位移鍵送(FSK):利用電磁波的「頻率高低」載著數字信號(0 與 1)傳送出去,頻率低代表 0,頻率高代表 1,圖4(b)所示。

              3.相位位移鍵送(PSK):利用電磁波的「相位不同(波形不同)」載著數字信號(0 與 1)傳送出去,相位 0° 代表 0,相位 180° 代表 1,圖4(c)所示。

              4.正交振幅調制(QAM):同時利用電磁波的「振幅大小」與「相位不同(波形不同)」載著數字信號(0 與 1)傳送出去,這個圖形比較復雜有興趣的人可以參考這里。

              04.jpg

              圖4:數字信號調制技術

              (a)ASK:振幅小代表 0,振幅大代表 1;

              (b)FSK:頻率低代表 0,頻率高代表 1;

              (c)PSK:相位 0° 代表 0,相位 180° 代表 1。

                     數字調制技術的優點包括可以偵錯與除錯、可以壓縮與解壓縮、可以加密與解密、更好的抗噪聲能力等,我們所使用手機 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、無線局域網絡(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)等都是使用數字調制,顯然數字通訊是發展的趨勢。

                     傳送端將數字信號(0 與 1)轉變成不同的電磁波波形稱為「調制(Modulation)」;同理,接收端將不同的電磁波波形還原成數字信號(0 與 1)稱為「解調(Demodulation)」,所有的通訊裝置一般都必須同時支持傳送(調制)與接收(解調),因此科學家把負責調制與解調的組件稱為「調制解調器」,英文就把「Modulation」與「Demodulation」的字頭組合成一個新單字「Modem」,下回只要聽到 Modem 就知道它是在做通訊用的組件啰!

              復用技術(Multiplex)

                     多人共同使用一條信息信道的方法稱為「復用技術」(Multiplex),簡單的說,天空只有一個,你的手機要丟電磁波出去,我的手機也要丟電磁波出去,兩種電磁波在天空中混在一起,接收端該如何區分那些是你的(和你通話的),那些是我的(和我通話的)呢?

                     復用技術的目的就是讓所有人使用,而且彼此不能互相干擾,為了增加數據傳輸率,可能必須同時使用兩種以上的復用技術,才能滿足每個人都要使用的需求。無線通信常見的復用技術包括下列 4 種:

                     1.時分多址(TDMA):使用者依照「時間先后」輪流使用一條信息信道,如圖5(a)所示,目前 2G 的 GSM / GPRS 系統有使用 TDMA。

                     2.頻分多址(FDMA):用戶依照「頻率不同」同時使用一條信息信道,如圖5(b)所示,前面介紹每一對使用者必須使用「不同的頻率范圍」來通話,其實就是 FDMA,目前 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS 有使用 FDMA。

                     3.碼分多址(CDMA):將不同用戶的數據分別與特定的「密碼(Code)」運算以后,再傳送到數據信道,接收端以不同的密碼來分辨要接收的信號,如圖5(c)所示。目前 3G 的 UMTS 有使用 CDMA。

                     4.正交頻分復用(OFDM):前面介紹過頻分多址(FDMA)是用戶依照「頻率不同」同時傳送數據,而 OFDM 原理類似,唯一不同的是必須使用彼此「正交」的頻率,這個原理比較復雜有興趣的人可以參考這里,目前 4G 的 LTE / LTE-A、無線局域網絡(IEEE802.11a/g/n)、數字電視(DTV)、數字音頻傳輸(DAB)有使用 OFDM。

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              圖5:復用技術(Multiplex)  

              (a)TDMA:依照時間先后輪流使用;  

              (b)FDMA:依照頻率不同同時使用;

              (c)CDMA:將不同用戶的數據分別與特定的密碼運算。

              復用技術的比喻

                     復用技術比較復雜,我們可以想象在房子里,甲與乙要講話,丙與丁要講話,戊與己要講話:

                     時分多址(TDMA):甲與乙先講一句,再換丙與丁講一句,再換戊與己講一句,依此類推,大家輪流(分時)講話彼此就不會互相干擾。

                     頻分多址(FDMA):甲與乙在客廳講話,丙與丁在書房講話,戊與己在臥室講話,大家在不同的房間(分頻)講話彼此就不會互相干擾。

                     碼分多址(CDMA):甲與乙用中文講話,丙與丁用英文講話,戊與己用日文講話,這樣雖然大家在同一個房子里講話,各自仍然可以分辨出各自不同的語言,當甲與乙用中文講話時,丙與丁的英文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己,不會造成甲與乙解讀中文的困擾;同理,當丙與丁用英文講話時,甲與乙的中文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己,不會造成丙與丁解讀英文的困擾,在這個例子里「用不同的語言講話」就好像「用不同的密碼加密」一樣。

              4G 與 5G 的技術發展目的:增加頻譜效率與帶寬

                     「頻譜效率」(Spectrum efficiency)是單位帶寬(Hz)具有多少數據傳輸率(bps),可參考表 1 的說明,當單位帶寬的數據傳輸率高,代表頻譜效率高,例如:LTE 可以提供上傳 2.5bps/Hz,下載 5bps/Hz;LTE-A 可以提供上傳 5bps/Hz,下載 10bps/Hz,顯然 LTE-A 的頻譜效率比 LTE 高。因此 4G 與 5G 技術的發展只為了兩個目的:

              增加頻譜效率

                     由于相同的頻率只能使用一次,因此必須利用更新的調制與復用技術來增加頻譜效率,讓相同帶寬的電磁波具有更高的數據傳輸率,也就是把更多的 0 和 1 塞進相同帶寬的電磁波里來傳送。

              增加帶寬

                     由于目前的電磁波頻譜里 10GHz 以下的電磁波大部分都已經被用掉了,頻譜效率再怎么提高總有技術上的極限,因此科學家只能去挖更高頻還沒有被使用的電磁波來給 5G 手機用,大家現在明白為什么  5G 技術會想要使用頻率 30GHz(相當于波長 10 毫米)的「毫米波(Millimeter Wave)」了吧! 

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              表 1:數字通訊系統的頻譜效率比較表

                     注:表 1 中的頻譜效率是直接以數據傳輸率除以信道帶寬,但是不同世代的通信系統使用不同的技術,這個并沒有考慮進去,因此表中不同世代應該分開來比較才有意義。

              注:線路交換與分組交換

                     線路交換(Circuit switch):是指傳送端與接收端之間先建立一條專用的聯機再進行通信,傳統的語音通信都是屬于線路交換,例如:國內電話與國際電話、移動電話等在通話之前都必須先撥號,等交換機將電話接通之后才能通話,就是使用線路交換的方式,通常費用是以「使用時間」計算,例如:撥打市內電話或移動電話,使用越久費用越高。

                     分組交換(Packet switch):是指傳送端與接收端之間共享一條線路,必須先將要傳送的數據切割成許多較小的「封包(Packet)」再進行通信,目前的「數據通信(Datacom)」都是屬于分組交換,用戶要傳送的數據越多,則封包數目越多,傳送的時間越長,計算機網絡在通信之前并不需要撥號,只要將網絡線連接即可使用,就是使用分組交換的方式,通常費用是以「數據傳輸率」來計算,不同數據傳輸率費用不同,但是使用時間沒有限制。

               

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