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。
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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
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）
