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知識大圖解:4G行動網路大解構

2014/11/17 | |
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How 4G works?

4G 行動網路是近年來最令人興奮的科技發展之一。如今電信業者紛紛開啟4G服務,許多人也因此想升級目前的3G手機,好享用這項服務的許多好處。儘管新的行動網路標準尚未固定下來,從速度與資料處理的精確度來說,就連最基本的4G服務也比前一代網路好了一大截:沒錯,4G的網路速度的確有可能比現有最快的3G還要快至少10倍。電信業者是如何達到這個令人吃驚的技術大躍進呢?

4G和3G網路都以IP(網際網路協定)為基礎,因此從網路接收資訊的基本標準也一樣。兩者的差別在於,2001年3G問世時,行動網路的語音傳輸使用的是一套不同的標準,因此當時自然而然把3G的語音和多媒體訊息協定分開。然而後來發現這種網路的使用方法非常沒有效率,於是設計4G時的最終目標,就是要讓語音、簡訊和多媒體傳訊完全以IP為基礎。也就是說,資料會在有需要的時候,以一種稱為封包交換系統(packet-switching system)的方式收發。

封包交換網路由稱為「電路交換」(circuit switching)的老式電話系統演變而來,後者的線路在使用中會專屬於該使用者。以老式電話系統來說,這表示長途電話所費不貲,因為遠距離通話會占用數千公里長的纜線。

封包交換有效地解決了老式系統效率低的問題。首先,當使用網路電話(VoIP)對談時,一人通常在聆聽,這代表線路都只有一半在使用,數據量因此大可減半。在通話過程中,你會有好幾秒鐘的沉默,此時製造出的數據完全多餘,可移除以進一步縮減檔案大小。最重要的是,與傳統單一專用線相較,封包交換系統只有在需要時才會收發資料,並透過數千條不同的網路途徑傳送。

使用網際網路協定的手機會將資料切成小封包,並將每個封包標上位址,藉此告知各種網路裝置這些封包的目的地。數據通過系統傳送時,路由器會逐件處理封包,封包於是透過不同路徑傳到最終目的。無論是透過衛星或地下纜線,通常是選擇最便宜、最不繁忙的路徑,以降低成本、增加效率。封包抵達後,接收裝置再利用封包裡的指示,將資訊編寫回原貌。

Credit: byronv2 via Flickr

到了2016年,估計會有47億5000萬人擁有4G行動寬頻
Credit: byronv2 via Flickr

4G還有許多優於上一代網路的功能。它的容量和數據傳輸速率都更高,因此可以支援更多使用者同時使用更大量的資料。隨著使用者越來越著迷於上傳高解析度影片,或拍攝高畫質照片與世界各地的朋友分享,4G讓他們可以更快速地收發資料。

讓4G速度更快的另一個因素是它的「延遲時間」較短,也就是回應使用者指示所需的時間。由於延遲的長度短於「即時」的標準(也就是最多50毫秒的延遲),你可以更快地得到網路回應,打電話也不再有滯緩或回音的現象。最後一點,4G能更充分利用其占用的電磁頻譜,而創新的編碼技術讓每赫茲的頻寬能容納更多資料。

4G行動網路的使用者通常可以得到每秒超過10 MB的下載速度,這是家用網路的常見速度,也比狀況很好的3G網路快上好幾倍。若改善基礎建設,速度還能更明顯地增加,有些4G系統的極速甚至高達每秒50MB以上。

現有的4G技術分為三大類,演進式高速封包存取(High Speed Packet Access,簡稱HSPA+)、全球互通微波存取(WiMAX,一種家用無線網路寬頻系統的衍生,在北美偏遠地帶使用),以及4G長期演進技術(Long Term Evolution,簡稱LTE)。LTE是三者中最快速的,理論上可以較低的價格升級為更快速的技術。

4G行動電話也內含2G和3G行動網路的晶片,因為目前4G網路尚未普及,收發資料仍需仰賴混雜的不同行動網路協定,這對於沒有4G訊號的地區來說尤其重要,否則這些地區會成為4G手機使用者的死角。

4G行動網路最棒的地方絕不只是硬體升級而已,它可以用比上一代更高的速度收發資料,彌補資料改道造成的功率消耗和壅塞──而且這些都以電腦聰明地進行,無須人為協助。

不過4G牽涉到的並非全是嶄新或革命性的技術。它可說單純是應商業和消費者的更多需求,再合併電信業者可利用的進階智慧型技術網路後,無可避免的產物。無論如何,4G仍是一項了不起的技術大躍進。

 

解構4G行動電話

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第六代的蘋果智慧型手機iPhone 5是首度支援LTE網路的超高速行動寬頻手機之一。它當然也與3G和其他早期技術相容,這對英國來說來得正好,因為它的上市時間是EE電信「開啟」其LTE 4G行動網路的兩個月前。iPhone 5內有6個專為不同行動頻率和標準設計的微晶片,包括最新的LTE頻寬、FM無線電頻率和Wi-Fi協定。

 

本文選自《HOW IT WORKS 知識大圖解 中文版》第 01 期(2014 年 10 月號)

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知識大圖解

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