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# 行動通訊技術之發展
###### date: `2021/12/26`
###### tags: `TNFSH class`, `竹園專題探索`, `行動通訊`
## 前言
> 2020年為5G元年，也逐漸有許多公司推出5G手機；2021年，Meta公司宣布元宇宙時代的到來，將應用5G技術持續發展。因此，這使我好奇，行動通訊1G～5G與其相關技術，究竟是如何發展的呢？於是撰寫此篇報告。

## 研究方法
* **文獻探討法**：蒐集資料與研究，並加以整理、歸納、進行分析及探討。

## 文獻探討

* ### 頻寬（bandwidth）
傳遞訊號的**頻率範圍**，單位與頻率相同為**赫茲（Hz）**。通訊一定有**傳送端**與**接收端**，所以一定是成對的

當我們使用電磁波傳遞訊號時，不會只使用「一個」頻率，而是有一段特定的「頻率範圍」，此範圍稱為**頻寬**。

通訊時，手機並不會分辨到底是誰與誰互動，而是以接收某種頻率範圍來辨別。因此，每一對通訊使用者必須使用「不同的頻率範圍」來通話

由於無線通訊會將訊號往我們生活的空間發出，而這個空間是所有通訊設備共用的，因此相同的頻率範圍只能使用一次，否則會互相干擾。

>[color=#c92031][name=小幫手]當我們說話時，不會只有一種音調，而是會有高音及低音的變化，這個高低變化的頻率範圍，就是頻寬的意思啦！
>
>一般人對於頻寬可以理解為高速公路，當高速公路愈寛（車道愈多），代表行車速度愈快；同樣的，當頻寬愈寬，通訊時資料傳輸率便會愈高。

* ### 類比訊號（Analog signal）
為**連續值**。大自然的所有訊號（聲音、光、溫度、位移、壓力等）都屬於類比訊號。
>[color=#c92031][name=小幫手]以聲音為例，由於人說話時可能會漸漸大聲或漸漸小聲，因此聲音是連續的，假使有人以麥克風說話，則隨著聲音的大小，麥克風的電壓也會由此產生連續的變化，這種連續的訊號就是類比訊號啦！

* ### 數位訊號（Digital signal）
為**不連續值**。當我們將連續的類比訊號處理後，可以變成0和1兩種不連續的訊號，此種不連續的訊號便是數位訊號。
目前所有電子產品裡的處理器都是使用數位訊號來進行運算。如：電腦在做運算時，訊號的變化只有兩種情況：0變1或1變0。

>圖一：類比訊號與數位訊號。
>（取自：https://thexplorion.com/digital-and-analog-signals/ ）

* ### 訊號數位化（signal digitization）
將類比訊號轉換成數位訊號的過程，轉換後會只剩0與1兩種訊號，利用0與1的「排列順序」來代表文字、聲音或圖片。由於類比訊號在經歷長距離的傳輸或複製多次後，容易被雜訊影響而失真，因此若要在網路上傳輸聲音，發送端得先將此類比訊號轉成數位訊號後再傳送，接收端再將此數位訊號轉成類比訊號，如此才能確保聲音的傳輸順利。

>[color=#c92031][name=小幫手]我們再以聲音為例，假使我們說話時透過麥克風錄音後，將此音檔撥放，使麥克風再次錄下後，再次播放……如此循環後，這段聲音將因雜訊而失真，因此才會將訊號數位化。

#### 訊號數位化有許多優點：
>1. 容易儲存、傳輸
>2. 容易壓縮、解壓縮
>3. 容易加密、解密
>4. 容易偵錯、除錯
>5. 容易修改

* ### 類比調變（analog modulation）
如傳統電話、類比收音機（AM & FM）、類比無線電視、無線對講機，及1G「黑金剛」，都是類比通訊的使用範疇，以下將介紹振幅與頻率調變。

#### 振幅調變，AM（amplitude modulation）
以高頻電磁波依 **「振幅大小」**，將低頻類比訊號傳送出去。經過調變後將可以傳遞很遠。

#### 頻率調變，FM（frequency modulation）
以高頻電磁波依 **「頻率高低」**，將低頻類比訊號傳送出去。經過調變後將可以傳遞很遠。

>圖二：振幅調變與頻率調變。
>（取自：https://byjus.com/physics/difference-between-am-and-fm/ ）

##### 缺點：
>以 AM 無線通訊為例，傳送端訊號會先經由放大器將訊號放大，再經由天線傳送，然而經過數十公里後，此訊號將會衰減，且會因建築物反射或繞射而產生雜訊。當接收端收到後，又會經由功率放大器將訊號放大，同時連雜訊也一起放大，造成訊號失真。

* ### 數位調變（digital modulation）
如2G～5G、無線行動電話、無線區域網路、數位電視等，都是類比通訊的使用範疇，以下將介紹相位、振幅與頻率位移鍵送。

#### 相位位移鍵送，PSK（phase shift keying）
以電磁波依 **「波形不同」**，將數位訊號傳送出去。相位0°（先上後下振動）代表0，相位180°（先下後上振動）代表1。**技術最複雜，抗雜訊能力最好**，因此較常用在無線通訊，如無線網路。

#### 振幅位移鍵送，ASK（amplitude shift keying）
以電磁波依 **「振幅大小」**，將數位訊號傳送出去。振幅小代表0，振幅大代表1。**技術最簡單，抗雜訊能力最差**，較少使用在無線通訊，而是使用在光纖通訊。

#### 頻率位移鍵送，FSK（frequency shift keying）
以電磁波依 **「頻率高低」**，將數位訊號傳送出去。頻率低代表0，頻率高代表1。頻率改變的瞬間可能使電磁波不連續，造成頻譜特性變差。**技術複雜，抗雜訊能力比ASK好，錯誤率低**，可使用在無線通訊。

>圖三：振幅、頻率與相位位移鍵送。
>（取自：https://www.kindpng.com/imgv/mmmiJw_ask-fsk-psk-modulation-hd-png-download/ ）

##### 優點：
>容易校正、可偵錯與除錯、加密與解密、壓縮與解壓縮等。

>[color=#c92031][name=小幫手]數位訊號調變的電磁波在傳送的過程中若因干擾產生雜訊，很容易經由校正將雜訊去除。以 ASK 無線通訊為例，因訊號只有0與1兩種，所以接收端只要接收到的電磁波振幅小於50％判斷為0，大於50％判斷為1，這種技術我們稱為校正。

* ### 多工技術（multiplex）
由於通訊必須設計給所有的人使用，又不能互相干擾，因此必須以多工技術架構提供多人共同使用的資訊通道，常常需同時使用兩種以上的多工技術來增加資料傳輸率，以下將介紹相位、振幅與頻率位移鍵送分時、分頻、分碼多工進接。

#### 分時多工進接，TDMA（time division multiplex access）
指使用者依照 **「時間先後」** 輪流使用一條資訊通道。

>[color=#c92031][name=小幫手]假設資料通道只有一個，但有甲、乙、丙三人要使用，則最簡單的方法就是甲先傳送資料，再換乙，再換丙；再輪回甲，再換乙，再換丙，依此類推。

#### 分頻多工進接，FDMA（frequency division multiplex access）
指使用者依照 **「頻率不同」** 同時使用一條資訊通道。

>[color=#c92031][name=小幫手]同樣假設資料通道只有一個，甲、乙、丙要使用，且三人都要同時傳送。那麼就只好先將資料通道依照不同的頻率切割成三等分，再將甲、乙、丙的資料同時傳送。由於資料通道被切割成三等分，所以每個人只能使用原來三分之一的頻寬來傳送資料，需要較長的時間。

#### 分碼多工進接，CDMA（code division multiplex access）
指將不同使用者的資料分別與特定密碼（正交展頻碼）運算以後，再傳送到資料通道，接收端以不同的密碼來分辨要接收的訊號。由於此種方法必須將數位訊號與密碼進行運算，因此只能使用在數位通訊系統中
>[color=#c92031][name=小幫手]資料通道還是只有那一個，甲、乙、丙還是要使用，而且三人又想同時傳送，又不想要將頻率切割成三等分，那該怎麼辦呢？
>
>由於手機的元件都是 **「只認頻率不認人」**，如果三人都使用相同的頻率，則手機將無法分辨。因此，只要在三人所傳送的數位訊號裡加入特定的密碼，則接收端只要分辨不同的密碼就可以選擇接收正確的數位訊號，這便是CDMA的原理哦！

若以談話來說明，則可以假設在同一間房子裡有A～F 6人，且A 與B 要說話，C 與D 要說話，E 與F 要說話，那麼：

* 分時多工進接（TDMA）：甲與乙先說一句，再換丙與丁說一句，接著再換戊與己說一句，依此類推，大家輪流說話。

* 分頻多工進接（FDMA）：甲與乙在客廳說話，丙與丁在書房說話，戊與己在臥室說話。

* 分碼多工進接（CDMA）：甲與乙用法語說話，丙與丁用英語說話，戊與己用日語說話。雖然大家在同一個空間說話，但各自仍然可以分辨出各自不同的語言，並只視其他語言為較大的雜音而已，也因此不會造成解讀的困擾，不同的語言就好像不同的密碼一樣。

>圖四：分頻、分時及分碼多工進接。
>（取自：http://blog.ittraining.com.tw/2017/01/tdma.html ）

* ### 第一代行動通訊技術，1G（1^st^ generation）
為**類比式行動電話系統**。所謂類比式的通訊，就是將聲音訊號經由頻率調變，然而，這將使通訊保密性變差。甚至只要拿著無線對講機，調整至與想竊聽對象相同的頻率，就可以聽到通話內容。並且頻率調變會有較多雜音跟迴音的問題。

臺灣在**1989年7月**開放1G，以090為開頭號碼的行動電話。

* ### 第二代行動通訊技術，2G（2^nd^ generation）
為**數位式行動電話系統**。相對於1G直接以類比訊號的方式進行語音傳輸，2G會先把語音訊號數位化，也就是從類比訊號中採樣，並**轉換成二進位（1/0）** 的訊號後再傳送或儲存，透過加密技術也可以免於通話被竊聽的問題。

除了具有通話功能外，2G也引進了**簡訊（short message service, SMS）** 功能。在後期，更支援少量的資料傳輸與傳真，但因為速度緩慢，只適合傳輸量低的電子郵件或軟體等資訊。

臺灣在**1995到1998年**間陸續引進歐規的GSM行動電話系統，脫離開機會有的沙沙聲的困擾，數位通話音質良好，使行動電話產業開始蓬勃發展。

* ### 第三代行動通訊技術，3G（3^rd^ Generation）
為支援高速資料傳輸的**蜂巢式移動通訊技術**，能夠同時傳送聲音及資訊，主要建立在**分碼多工進接（CDMA）技術**。最早使用於軍事通訊，透過很寬的通道發送弱訊號，避免被敵人發現。與1、2G僅提供語音服務相比，3G還提供其他寬頻應用，包括數據上網和多媒體服務。目前3G存在四種標準：**W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA及WiMAX**。

臺灣約在**2005年**開啟3G行動電話服務，宣告行動電話進入高速數據傳輸時代。基地台發出分碼多工進接（CDMA）訊號，但每個人只會收到屬於自己的訊息。有了3G的高數據傳輸服務，才開啟了現今蘋果iPhone及智慧型手機劃時代產品的來臨。蘋果iPhone手機也因為有了3G的高數據傳輸服務，才開啟了現今蘋果iPhone及智慧型手機劃時代產品的來臨。

在3G之下，有了高頻寬和穩定的傳輸，影像電話和大量數據的傳送更為普遍，行動通訊有更多樣化的應用，因此3G被視為是開啟行動通訊新紀元的重要關鍵。

* ### 第四代行動通訊技術，4G（4^th^ Generation）
主要建立在**正交分頻多重進接（orthogonal frequency-division multiple access ,OFDMA）** 技術上，把高速的資料信號轉換成並行的低速的子資料流程，並使其在子通道上傳輸。由於可以把許多子資料載到許多的子頻道上，因此有效地提升了頻譜的利用率，並增加了系統的資料傳輸量。

4G主要網絡制式有：**TD-LTE（時分雙工）和FDD（頻分雙工）**，二者差異較小，但由於無線技術的差異、使用頻段的不同以及各個廠家的利益等因素，FDD-LTE之標準化與產業發展都領先於TD-LTE，因此**世界上最主要採用的是FDD-LTE**，其終端種類也最豐富。

>[color=#c92031][name=小幫手]感覺正交分頻多重進接（OFDMA）好複雜！
>其實我們可以把它想像成非比賽時期的賽馬場，設想賽馬場上有8匹馬和一條跑道，我們想要訓練這8匹馬。
>
>如果每次只跑1匹馬的話，就要要跑8次，太花時間了！可是如果要8匹馬同時跑，雖然只要跑1次。但是在這種情況下，馬匹跑得太近又可能會絆倒，怎麼辦？
>
>這個時候，我們就可以安排號碼為1、3、5、7的馬匹與和號碼2、4、6、8的馬匹，以前後穿插的方式同時跑，如此一來便可以充分利用跑道。
>
>又或者是當我們在拍團體照片的時候，想要在一張照片裡同時容納許多的人，可以將人員以前後穿插的方式（前面矮的半蹲或蹲下，後面高的站著）。這便是OFDMA的原理啦！

>圖五：正交分頻多重進接(OFDMA）與FDMA、TDMA、CDMA比較。
>（取自：https://www.mdpi.com/1099-4300/21/3/273/htm ）

* ### 第五代行動通訊技術，5G（5^th^ Generation）
與前面的2G、3G及4G行動網路一樣，5G網路是**數位訊號蜂巢式網路**。由於 5G 具備**高速（speed）、低延遲（latency）、多連結（connections）** 等三項特性，可提供更快速與更穩定的網路品質，因此備受市場期待。

* #### 優點
1. 高速（speed）：
就理想值來說，5G的資料傳輸速率遠遠高於以前的蜂巢式網路，最高可達**10Gbps**，以網速來看，5G比4G整整快了100倍。不過實際應用上，會因為使用率、基地台距離等因素而使速率不同。
>[color=#2828FF][name=中華電信] *想像從「高速公路」升級到「高鐵」的速度，5G將提供超高速上網體驗，當您下載一部8GB電影，透過4G大約花費2分鐘，用5G網路則只要約30秒就能完成。*

2. 低延遲（latency）：
在同等條件下，4G的延遲約為30-70毫秒，然5G延遲卻低於**1毫秒**。要知道，人受視覺刺激後，從眼睛到達大腦皮層平均需時**30毫秒**。因此5G網路將不僅可以為手機提供服務，也可以應用在**遠端醫療或無人駕**駛上，5G是可以做到低延遲性以及高穩定性的效果，以實現該技術。

3. 多連結（connections）：
可同時連接許多不同裝置。約每平方公里可連接的裝置達到**100萬台**，未來就可支援物聯網或智慧城市的擴建。不過，這些數值都是理想值，也都會因所處環境而有不同。

目前5G有分兩種頻段：

1. **6GHz 以下（Sub-6GHz）** 頻段，與目前採用的4G LTE頻段接近，屬於**低頻**5G。
2. **毫米波（mmWave）** 頻段（應用頻率為**24GHz以上**），屬於**高頻**5G。

5G網路結合了既有的4G LTE 頻段，是一種**異質性網路（HetNet）**。透過主打速度的毫米波寬頻技術，及主打低功率消耗、覆蓋能力廣的sub 6GHz窄頻技術，在不同的環境下提供最適合的無線網路，並同時滿足短距離及長距離的通訊要求。
然而，5G高頻毫米波雖然為速度極快、封包延遲時間短，然而連帶的缺點是基地台訊號覆蓋範圍縮小，訊號傳輸過程中也有高頻路徑耗損、傳輸耗損及低穿牆特性，也就是**容易被干擾**，因此5G基地台的間隔必須要更加緊密，才能達到一定的覆蓋率。
因各種潛在障礙的影響，大多數設備設計人員會將5G基地台間隔設在150～200公尺之間，才能達到充分的網路覆蓋；相比之下，即使是在高樓林立的都市地區，4G基地台間隔可以在400～800公尺，這意味著營運商必須安裝比支援4G網路更多的5G基地台，營運**成本**勢必會**高**出許多，如此一來，此成本將會轉移在使用者身上。

無線通信技術通常每10年更新一代，例如：2000年3G開始成熟並商用，2010年4G開始成熟並商用，現在研究5G，2020年成熟應該是符合規律預期的，5G的誕生，將進一步改變我們的生活。

>[color=#c92031][name=小幫手]以下是將1～5G彙整後做出的比較：

|年代|行動通訊技術|峰值速率(上傳)|頻率|功能|
|-|-|-|-|-|
|1980|1G|2 Kbps|800-900 MHz|通話|
|1990|2G|10 Kbps|850-1900 MHz|通話、簡訊、郵件(純文字)|
|2000|3G|3.8 Mbps|1.6-2.5 GHz|通話、簡訊、網路、音樂串流|
|2010|4G|0.1-1 Gbps|2-8 GHz|通話、簡訊、網路、1080p影片串流|
|2020|5G|1-10 Gbps|3-300 GHz|通話、簡訊、網路、4K影片串流、VR直播、自駕車、遠距手術|

>圖六：1～4G手機演變，從早期大哥大到近代的智慧型手機。
>（取自：http://www.linkedandloaded.com/2011/06/12/from-1g-to-4g-cell-phones-making-moves/ ）

## 結論與心得
在現今生活中，我們時常會接觸手機與網路。製作此報告後，使我對於手機訊號的運作原理，與通訊技術的演變更加了解。也使我了解到科技革新對生活帶來的巨大改變：從一開始只能通話及傳送簡訊的按鍵式手機，到現在大螢幕觸控式的智慧型手機，不只設計的更加精密，且行動網路與通訊的品質也有提升，我感到十分榮幸，能夠生活在如此方便的時代！

2020年推出的5G技術，對於網路速度顯著的提升，使我不禁期待著未來6G的到來，因為有著高網速，可以應用在許多方面上，例如：在偏遠地區或緊急時刻，若缺少會動高難度手術的外科醫師時，只要手機連線達文西，便可執行遠程醫療。其實這並非不可能，2021年9月18日，中榮國際醫學研討會便成功完成全台首例的「達文西手術5G遠程協作」。
> [color=#ECECFF][name=王仲祺 醫師]*以前還在4G網路時，傳輸回來的聲音和影像延遲現象，在5G 環境應用時其實感覺不出來，對我們來說等於**沒有誤差**。*

在未來，若可多加運用5G**高速**的優勢，使醫師於遠端手術協作，結合專家團隊，提高醫療品質。如此一來，不僅能突破場地時空限制即時給予建議，在5G技術成熟的某一天，或許甚至可以**直接遠端遙控、幫忙操作。** 且不限定是達文西手術，一般的內視鏡手術也可應用。若進行的是傳統手術，也可以使手術室團隊配戴**AR眼鏡**，同時將手術過程傳輸出去至5G手機，讓其他支援醫師能即時觀看手術畫面，給予指導或討論。

除了醫療方面，5G為元宇宙（metaverse）所帶來的商機也十分誘人，希望在不久的將來，我們可以達到全球完全覆蓋、資訊流通零時差的程度，屆時，或許世界會形成一個無邊界的地球村吧！

## 參考文獻
吳元熙（2019年7月22日）。跟4G不一樣在哪？5G白話文快速看懂技術差異。
https://www.bnext.com.tw/article/54075/5g-4g-difference

Hightech（2020年11月21日）。頻寬（Bandwidth）是什麼？對通訊有什麼影響？。https://www.stockfeel.com.tw/%E9%A0%BB%E5%AF%AC-%E9%80%9A%E8%A8%8A-%E5%BD%B1%E9%9F%BF/

曲建仲（無日期）。解析通訊技術：3G、4G、5G 背後的科學意義（上）。（2021年12月29日）。
https://ittoos25.pixnet.net/blog/post/305288699-%5B%E8%B3%87%E8%A8%8A%E5%B0%8F%E7%9F%A5%E8%AD%98%5D-%E9%A1%9E%E6%AF%94%E8%A8%8A%E8%99%9F-vs-%E6%95%B8%E4%BD%8D%E8%A8%8A%E8%99%9F

曲建仲（2014年9月29日）。你真的都搞懂了嗎？數位通訊新世代。
http://scimonth.blogspot.com/2014/09/blog-post_3.html

蘇俊吉（2015年9月）。行動通信的演進歷程。科學發展，513。
https://ejournal.stpi.narl.org.tw/sd/download?source=10409-11.pdf&vlId=23BE2E23-AAB9-4155-9661-A394DCFE427D&nd=1&ds=1

WL（2020年7月01日）。前進5G新世代》5G網路與4G相比，有何優點與缺點？。https://www.techbang.com/posts/79538-what-are-the-advantages-and-disadvantages-of-the-forward-5g-new-generation-5g-network-compared-to-4g

國家實驗研究院（無日期）。5G真的有這麼好嗎?。（2021年12月29日）。
https://www.narlabs.org.tw/xcscience/cont?xsmsid=0I148638629329404252&sid=0K195427304270721566

中華電信股份有限公司（無日期）。5G三大特性。（2021年12月29日）。https://www.cht.com.tw/home/campaign/5g/index.html

楊艾庭（2021年10月31日）。5G零時差！　中榮完成全台首例「達文西手術5G遠程協作」。
https://www.healthnews.com.tw/news/article/51778