3G、4G、5G有何不同之处,你真的懂吗？
3G技术还未远去，4G技术方兴未艾，5G技术已蓄势待发。本文从技术层面全面解析了关于3G、4G、5G的不同之处：1。无线通信传递媒介：电磁波，2.无线通信传递通道：带宽，3。带宽与数据传输率的差异，4。数字调变技术，5.多任务技术，6.4G 与 5G 的技术发展目的:增加频谱效率与带宽。 钠
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？
公安派出所组织条例移动电话的世代
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。
宇宙里自然存在的所有电磁波如图2(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信使用。
图2：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信的电磁波如图2(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、行动通讯（GSM / GPRS)、调幅广播(AM)、业余无线电、调频广播(FM)等。
德庆公社
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.
无线通信传递通道：带宽
带宽（Bandwidth）是用来传递讯号的「频率范围」，单位与频率相同为「赫兹（Hz）」，而且每一对通讯用户必须使用「不同的频率范围」来通话，假设：
甲和乙使用频率 900～900。2MHz 的电磁波通话(带宽 900.2-900=0。2MHz）;
丙和丁使用频率 900.2~900。4MHz 的电磁波通话(带宽 900。4-900.2=0.2MHz）;
此时我们说这个通讯系统的语音信道带宽为 0.2MHz。
手机并不会分辨到底是谁和谁在通话,而是接收某一个「频率范围（带宽)」的电磁波讯号,因此甲与乙通话时手机都接收频率 900~900。2MHz 的电磁波，丙与丁通话时手机都接收频率 900.2~900.4MHz 的电磁波,换句话说，所有的通讯组件都是「只认频率不认人」,而且相同频率范围的电磁波只能使用一次，不能重复使用，否则会互相干扰。
带宽与数据传输率的差异
角的度量教学设计
「带宽(Bandwidth）」与「数据传输率（Data rate）」的意义很类似，常常让我们混淆，这里简单说明它们之间的差别：
带宽（Bandwidth)是模拟通讯使用的名词:由图一可以看出，电磁波是一种连续的波动能量,既然是连续的当然一定是模拟讯号,因此「带宽(Bandwidth）」和它的单位「赫兹(Hz)」指的都是电磁波的物理特性。方俊明
维奇网
数据传输率（Data rate)是数字通讯使用的名词：手机会先将我们讲话的声音(连续的模拟讯号）先转换成不连续的 0 与 1 两种数字讯号,再经由天线传送出去.数据传输率的单位「每秒位数（bps:bit per second）」，代表每秒可以传送几个位，也就是每秒可以传送几个 0 或 1，例如：1Gbps（1G = 10 亿)代表每秒可以传送 10 亿个位(10 亿个 0 或 1）。
数据传输率是数字通讯时实际传送每个位数据的速率，重点是数字讯号让我们可以利用不同的调变与多任务技术，使相同带宽的介质具有更高的数据传输率，这就是目前许多新的通讯技术，例如：3G 使用的 WCDMA、4G 使用的 OFDM 等被发明出来的原因，后面会再详细说明。
在前文中，我们了解到无线通信的频谱有限，分配非常严格,相同带宽的电磁波只能使用一次，例如 2G 的 GSM900 系统使用频率范围 890～960MHz,则其他的无线通信就不能再使用这个频率范围，否则会互相干扰。为了解决僧多粥少的难题,工程师研发出许多技术，来扩增频谱的使用率，例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在这些复杂技术的背后，只要能掌握两个基本概念，就能了解整个通讯技术的发展关键。
这两个基本概念为「调变技术」（Modulation）与「多任务技术」(Multiplex）。其中调变
技术是将模拟电磁波调变成不同的波形，来代表 0 与 1 两种不同的数字讯号，这样才能利用天线传送到很远的地方（这里只谈数字调变技术,不讨论早期的 AM、FM 这种模拟调变技术).多任务技术则是将电磁波区分给不同的使用者使用,由于手机必须设计给所有的人使用，当每支手机都把电磁波丢到空中,该如何区分那个电磁波是谁的呢?
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