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知識大圖解:4G行動網路大解構

知識大圖解_96
・2014/11/17 ・1831字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 531 ・七年級
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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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火箭阿伯的「臺灣太空港」願景——專訪國家太空中心主任吳宗信

科技大觀園_96
・2022/01/16 ・4906字 ・閱讀時間約 10 分鐘

臺灣的「國家太空中心」於 1991 年成立至今屆滿 30 年。恰好在而立之年,行政院 11 月 25 日拍板「國家太空中心設置條例」,若立法院審查順利,太空中心將於 2022 年升格為直屬科技部的行政法人,大力推動我國太空科技及產業發展!

談到臺灣的太空發展,你可能會先想到 2019 年發射的「福衛七號」;但若談到火箭,你可能會先想起一個身著橘色連身衣的阿伯,操著臺語在 TED 講台上侃侃而談的身影,也就是現任國家太空中心主任吳宗信。

「火箭阿伯」吳宗信在今年 8 月接任國家太空中心主任,在「產官學」三界都走了一遭。圖/呂元弘攝

放眼宇宙卻心懷鄉土的「火箭阿伯」,是很多人對吳宗信主任的印象。吳宗信在 2012 年在陽明交通大學創立了前瞻火箭研究中心(ARRC),同時也有創立太空科技公司的經驗。如今他在今年 8 月接任國家太空中心主任,在「產官學」三界都走了一遭。

談到何為「太空產業」的基礎問題?吳宗信解釋,火箭與衛星的發展,需要很多不同專長的人才,仰賴跨領域合作,「是一門精密且嚴謹的系統工程。」

火箭產值雖然不大,卻對太空產業至關重要

談到臺灣的太空產業該如如何發展?吳宗信指出,要發展太空產業,除了過去國家太空中心專注於的衛星發展,擁有自主發射火箭的能力也很關鍵。以馬斯克的 SpaceX 為例, SpaceX 是先將火箭發展起來,接著才有如星鏈(Starlink)的衛星服務,透過這樣的過程來達成太空產業一條龍。

然而有趣的是,火箭其實只佔太空產業總產值的大約 2-3%,因此光靠火箭賺大錢其實很困難。既然產值很少,那大費周章的研發火箭到底有什麼好處呢?

對此吳宗信解釋,一個用在衛星上的設備和地面設備最大的差別,就是前者必須能在真空、高輻射、高溫差的太空環境運作,也要能承受震動、噪音等火箭發射過程帶來的考驗。

因此,雖然地面上也能模擬出類似太空中的環境,但要驗證一個設備是否符合「太空等級」,還是要直接送上太空長時間運作,經過真實的極端環境考驗才能見真章。如果有能力自己發射衛星,那對於太空相關設備的驗證頻率就能得到顯著提升,整條產業鏈的進步的速度才會快。

「遙測」及「通訊」雙軌進行,強化自主衛星發展能力

火箭研發是臺灣太空產業未來發展的關鍵,但同時衛星發展的腳步也並未因此停下來!國家太空中心目前正在執行自 2019 年起為期 10 年的「第三期太空計畫」,該計畫以開發「遙測衛星」為主。

吳宗信提到,在遙測衛星部分,目前有六枚解析度1米,經地面影像處理後解析度可達 0.7 米的「光學遙測衛星」(也就是福衛八號計畫)。福衛八號衛星第一枚(FS-8A)科學酬載的研製由成功大學負責,主要發展雙波段大氣瞬變影像儀與電子溫度密度儀,目前規劃於 2023 年發射;同時,太空中心未來也將再發展兩枚「超高解析度遙測衛星」。

福衛八號衛星示意圖。圖/國家太空中心提供

吳宗信指出,第三期太空計畫還有兩枚合成孔徑雷達(SAR)遙測衛星的計畫,不同於福衛二、五、八以「可見光」遙測,合成孔徑雷達因為觀測波段可以穿透雲層,全天候皆可使用是其優勢之一。

除了遙測衛星以外,發展「通訊衛星」也是國家太空中心的重要計畫。目前正在執行兩枚 B5G(Beyond 5G)衛星計畫,目前規劃 2025 可以發射第一枚;在研發上,衛星可以分成本體(Bus)與酬載(Payload)兩部分,對於臺灣首次自主發展通訊衛星,吳宗信表示,在衛星本體上,國家太空中心已經有一定的自製能力,「臺灣幾乎能百分之百自主研發了。」

至於 B5G 衛星的酬載部分,例如通訊模組等等,則正與工研院資通所合作,並與產業界一同發展相關技術,也希望未來能達到高度自主的研發能力。

臺灣太空產業要升級,得先著手打造「環境」

為了國產衛星載具的目標,吳宗信在 2012 年於交大成立了前瞻火箭研究中心,但這些年來前瞻火箭其實經營的非常辛苦。過去幾年,前瞻火箭大約募得一億六千萬新臺幣,製造火箭的技術也達到能讓火箭在空中懸浮的水準,但這似乎已經達到學校單位能做的極限,若要繼續發展下去,在人、時、地、物的支援都需要有更大的規模,然而學校不是企業或是國家單位,學生有自己的前途,因此難以留住人才。

另一方面,很多大學研究室在做的東西,由於相對單純,需要控制的變因很少,可以相對簡單的透過改變某一個部分就能夠看到效果,同時也可能只需要幾個學生合作就能夠完成。但火箭與衛星可不是這樣,它需要數百人的團隊合作,而一個系統可能有一萬個零件,只要一個螺絲做得不對,整個系統就會失效。這樣的工作,沒有一個由全職工作者組成的團隊,是很難完成的。

也因為火箭研發在學界內缺乏資源及環境,今年 8 月甫接任國家太空中心主任的吳宗信,在「換了位置卻沒換腦袋」的情況下,轉換跑道繼續推動臺灣的太空產業發展,捲起袖子,誓言把臺灣的太空產業環境建立起來!

吳宗信(左)8 月接任國家太空中心主任;中為國研院吳光鐘院長、右為前代理主任余憲政。圖/國家太空中心提供

建立產業基石,是國家機關的重責

吳宗信表示,過去開發火箭跟很多廠商合作的過程中,他也將臺灣的產業掃過一遍,發現臺灣的太空相關產業鏈其實深度及廣度兼具,甚至有許多廠商原本就有接到歐美國家訂單生產太空相關零組件,只是基於保密協議廠商不能宣傳。

那既然臺灣並非沒有發展太空產業的能力,以前為什麼不做呢?吳宗信說,就像是廣告中的一段經典台詞:「阿伯,失火了你怎麼不跑?」「啊腳麻是要怎麼跑?」由於沒有適當的發展環境與法規,很多事情就無法順利進行,像是不久前晉陞公司的飛鼠一號火箭在國內無法順利發射,就是實際的例子。

因此吳宗信認為,雖然國家單位的效率一定不比有生存壓力的私人公司,但國家卻能夠改善整體產業的發展環境,「就如同廚師要煮出好菜,也要先有廚房和爐具。」而在未來的太空產業中,廚師是民間廠商,那麼國家的角色就是幫忙把廚房準備好。像是目前完成立法的《太空發展法》、以及未來國家火箭發射場的設立等,就是建立太空產業發展基石的重要工作。

同時,與民眾、民代的溝通,也是發展太空產業非常重要的一環,吳宗信也提到,讓事情清楚透明,是讓大眾與民意代表從懷疑到支持的關鍵。

打造臺灣太空港:實現「南火箭北衛星」願景

隨著全世界太空產業的發展,未來也充滿不同的可能性,像是 SpaceX 有提出利用星艦(Starship)火箭系統,進行長程國際航班的構想,如同現代的港口與機場,未來臺灣可能會需要「太空港」來滿足各種火箭發射的需求。而太空港也會需要對應的後勤設施,並且可以結合太空產業科學園區,讓國內外的太空公司設廠製造火箭與衛星。

另一方面,這樣的太空港也可以結合地方特色發展觀光,「說不定以後每個臺灣的年輕人成年禮,都可以去參觀火箭發射和國家太空博物館」吳宗信說道。

吳宗信也提出了「南火箭、北衛星」的構想,期許未來臺灣南部能成為火箭研發、生產與發射的重要基地,而北部則可以延續過去國家太空中心發展衛星的基礎,成為衛星發展重鎮。 

吳宗信指出,未來臺灣可能會需要「太空港」來滿足火箭發射的需求;圖為美國的甘迺迪太空中心,為 NASA 發射火箭的重要太空港。圖/Pixabay

投資太空不是豪賭,科研走的每一步都算數!

吳宗信表示,在太空產業發展上若政府願意帶頭出來衝,民間會有更多企業投入太空產業。

吳宗信說,過去臺灣在不同產業的嘗試,有半導體業的成功案例,但也有許多投入資源卻沒發展起來的產業。但投資本來就不可能穩賺不賠,也不能永遠固守既有的優勢產業。現在太空產業出現了機會,並不代表做了一定會成功,「但不做就完全沒有機會了。」

另外,太空產業的發展最終不論是否能開花結果,投入資源訓練出來的人才、發展出的技術其實都能應用在不同領域。像是 1960 年代的美國,就因為阿波羅登月計畫所需,大力推動如 IBM 等民間電腦公司的快速發展,「科技就是這樣一步一腳印創造出來的。」

如果想要進入太空產業,可以怎麼準備?

跨領域合作在太空產業非常重要。吳宗信說明,在衛星方面,大約有三分之二與電機和資訊工程相關,而火箭方面,則是有三分之二與機械、材料與結構等等相關。因此對於有志在未來投入太空產業的學生,航太系會是很好的選擇,但很多理工科系也都與太空產業有關,職涯發展上不會因「非航太系」而受限。

吳宗信也鼓勵對於太空產業有興趣的大學生在本科系繼續學習的同時,可以在大三大四去修一些與衛星、推進等等課程,接著研究所再到國內外相關系所深造。

而職場的選擇,則要取決於自己想要「怎麼參與太空產業」,像是進入一家太空產業鏈上製造特定零組件的公司,也是參與太空產業的一種方式,而若是想接觸更完整的太空產業,則可以選擇到做系統整合的公司或是太空中心就職。

火箭與衛星都是複雜的「系統工程」

火箭與衛星的研發製造,都必須整合很多不同次系統,是一門非常精密且嚴謹的系統工程。以火箭系統為例,推進、結構、航電、軟體、硬體和通訊等系統缺一不可,這些系統各自都是不同的專業,但系統間又要能完美的配合,若火箭上任何系統無法順利運作或配合,這支火箭就跟「沖天炮」差不多了。

而臺灣的大學科系目前在授課上較少有「系統工程」的規劃,每個不同專業的領域各做各的就像是一個樹林裡,「有些人種芒果,有些人種龍眼,每一群人都很擅長照顧自己的作物,但卻不知道樹林裡還有哪些水果。因此就需要有人開直升機從上往下看,看看到底有哪些資源,並且對其他領域稍微多懂一些,才能有效的整合。」

吳宗信強調,系統工程就是「不能見樹不見林,更要『見樹又見林』」。也因此,吳宗信也期待未來臺灣能有「太空系統工程」碩博班的設立,以培育更多產業所需的太空人才。

從打橄欖球到做火箭,那些同樣重要的事

訪談中吳宗信也分享自己在臺大時期是橄欖球隊一員,主打九號傳鋒[註]位置的吳宗信笑著說:「那時候我這個體格,在全臺灣高中以上的橄欖球員中應該就是我最輕,不到 50 公斤,但憑著快速靈活的身手,也能成為球隊中重要的一員。橄欖球很好玩,在倒地之前只能將球往後傳,一定要球傳下去,任何位置都很重要,我也在那邊學到很多團隊合作精神。」

吳宗信表示過去做火箭時,有好幾次測試中火箭摔在地上,甚至斷成兩截,面對不斷失敗產生的壓力,其實對身體及精神都是折磨,這些挫折也曾讓團隊懷疑過,自己到底要不要繼續做火箭?但就如同橄欖球場上的磨難,但當很多人一起做事時,就可以分工合作,克服很多困難與阻礙。

而不論是打橄欖球或是做火箭,吳宗信說,他很喜歡扮演「箍桶」(臺語:khoo-tháng)的角色,也就是木桶上的鐵環。因為有了箍桶將木片整合在一起,木桶才不會散掉,就像是系統工程中,要將不同次系統整合串聯一樣。

註解

  • 註 1:「傳鋒」是橄欖球隊型的九號位,在多數的比賽中,Scrum-half 擔任從前鋒群中接過球並傳給後衛的角色。他們善於團隊溝通,特別擅長指揮前鋒,主要目的是提供後衛群穩定俐落的傳球。

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