天一閣

無庸置疑，大家都認為第五代移動通訊（5th generation mobile networks）是下個世代最閃耀的明星產業。

對於我這個世代的手機使用者來說一路從2G經歷3G到目前的4G通訊，所感受到的變化是什麼？在2G時代我們能做的就是撥打移動電話與發送簡訊，還記得在我念國中的時候發一封簡訊的費用是新台幣三元，每封簡訊還限制了字數內容。到了3G通訊，與2G的差異在於其通訊標準相較於2G把資訊的傳輸率往上提升了一個數量級，這使得「手機上網」的功能得以實現。從此以後，「撥打電話」與「發送簡訊」上述兩種在2G的主要功能退居為次要功能，「上網通訊」成為3G的了主要功能。那麼現在大家正在使用的4G呢？從3G過渡到4G有什麼進步嗎？我們對4G感受到最大的應該就是「手機上網速度已差不多追上了電腦上網速度」，這樣的用戶體驗來自於網路結構走向扁平化，扁平化降低了資訊在各節點之間的通訊次數。另一方面，手機上網速度提升也受惠於各基地台之間的光纖通訊頻寬也有所增加。

透過上圖中的「Carrier Bandwidth」欄位，可以得知每一代移動通訊對帶寬的需求都會大幅增加。2G的帶寬要求是1G的8倍；3G的帶寬要求是2G的25倍；4G的帶寬要求是3G的4倍。在這方面5G也不例外，需要更大的帶寬與更低的網路延遲。直觀來說，我們可以得知無線通訊傳輸速度的提升來自於使用越來越高的「頻段」與越來越大的「帶寬」。

傳輸資訊需要依靠通道。家中若有市內電話，電話線就是傳輸音頻的通道；家中若有網路數據機，網路線就是傳送數位訊號的通道。即便我們使用的是肉眼看不到通道的無線通信，這個資訊通道也依然是真實存在的。馬路是給車子跑的通道，如同資訊通道是給資訊跑的通道一樣，人們對此早已有初步的概念。

在人類發明無線電通訊後不久，大家就發現不同電台彼此之間的頻率不能靠太近，否則訊號就會互相干擾。當時專家們解決這個問題的方向是想辦法把頻率微調得特別精準。但無論調得多精準，不同電台之間的干擾依然存在。上面這個困擾，直到香農（Claude Elwood Shannon）提出了對資訊通道的度量方法後，大家才終於明白訊號彼此互相干擾的成因是什麼，這也就是我接下來要介紹的通道容量（Channel capacity）。

就拿我們人跟人之間通話的通道容量來說好了，人講話的頻率通常落在300Hz到3400Hz之間，也就是人講話時聲帶的震動頻率落在每秒鐘300次到3400次之間，震動頻率越小聲音就越低沉。根據十九世紀的法國數學家傅立葉提出的傅立葉級數定理：任何週期信號都可以被表示成以適當數量的不同頻率及振幅的正弦與餘弦函數信號的相加組合。於是，我們就可以把人講話的語音（類比訊號）等價成相應頻率正弦波的疊加組合（數位訊號）。在數學上每個正弦波都可以由兩個變量來確定，因此我們大約可以用（3400-300）*2也就是6200個左右的變量來表示出所有可能的通話訊號。

上圖表示了用各種頻率與震幅的正弦波組合成的週期信號。

在實際應用上，我們會把帶寬再放寬一些，放大到1Hz至4000Hz之間，也就是用8000個變量來對應所有的通話訊號。假設每個變量都是用八個位元來進行編碼，那麼我們人說話的語音帶寬就是8*8000也就是64K，而64K就是我們平常使用長途電話的標準帶寬。平常家裡用的Wifi，頻率大概是2.4G。如果wifi頻率範圍限制在2.4G到2.401G間的話帶寬就是1M，每秒鐘傳輸速度的理論極限就是8M位元。

根據下圖香農第二定律，我們可以得知在給定特定範圍的頻寬內，資訊通道的傳輸率是有理論極限的。其中B為通道帶寬（Hz）；S為信號功率（W）；no為雜訊功率譜密度（W/Hz）；N為雜訊功率（W）。

由上述公式我們可以得出以下幾個結論：

1.通道容量受三要素B、S、n0的限制。

2.提高信噪比S/N可增加通道容量。

3.若n0趨近於零則C會趨近於無限大，即無雜訊的資訊通道容量為無限大。

4.若S趨近於無限大則C也會趨近於無限大，當信號功率沒有限制時資訊通道容量為無限大。

5.當B趨近於無限大時，C等於1.44*(S/n0)。

6.當傳輸率R小於等於C時，理論上可以實現無誤差傳輸；當傳輸率R大於C時，傳輸誤差率是100%。

各位若參加過演唱會或是大遊行等等的多人大型活動，也許就有體驗過明明人在市區手機訊號接近滿格，但照片影片甚至連文字訊息都發送很慢甚至發送不出去，這其實就是該活動附近幾個基地台所承擔的資訊傳輸量已經到達甚至超過了資訊通道的極限。在這個資訊通道的理論極限下，我們還必須兼顧同時上網的用戶數與用戶連線的穩定性，除此之外電信商還要考慮架設基地台等基礎建設的成本還有手機設計等問題。在實務上，我們沒辦法做到資訊傳輸率高又能同時容納很多的用戶上網還不會斷線而且營運成本又低，只能想辦法在各種邊界內找出最適選擇。訂定通訊標準就如同替道路制定交通規則與設定交通號誌一樣，道路上的車輛與資訊通道中的資訊都必須遵守某一套規則才能在有限的傳輸速度下順利抵達目的地。

上圖為電影「露西」的劇照，這張劇照將每個手機用戶的載波頻率給視覺化，在線用戶們都各自佔據特定頻寬使通話訊號不會彼此干擾，這是俗稱為頻分多址（Frequency Division Multiple Access/Address簡稱FDMA）的資訊通道共享技術。

上面已經介紹了通道容量（Channel capacity）這個概念以及通道容量的理論極限，但只是無線通訊技術的其中一個面向的邊界而已。無線通訊面臨的另一個問題是有效訊號覆蓋範圍，影響有效訊號覆蓋範圍的兩大因子分別是「功率」與「頻率」。在這方面，聲波與電磁波的特性就滿相似的。當許多人圍著一張桌子開會，如果聽不清楚桌子對面的人在說些什麼，通常都會說「請你講話大聲一點」，這其實就是在要求他「提高功率」。當我們在馬路邊行走時，有些從旁呼嘯而過的車子若沒關車窗還放著音樂，我們都會聽到從車內傳出的低音蹦蹦聲。那並不是車內的人喜歡聽低音蹦蹦聲，而是音響在差不多的功率輸出下，音樂中的低音節奏比高音有更遠的傳輸距離。

 同樣電磁波也是如此。頻率越高，波長越短，越趨近於直線傳播（繞射和穿牆能力越差）。頻率越高，在傳播介質中的衰減也越大。在4G時代之前這其實都不是大問題，但5G所使用的頻段隨便碰到一個障礙物可能就把訊號給擋住了。那該怎麼辦呢？告訴基地台「請你講話大聲一點」？增加基地台的功率或許是一個辦法，但住在基地台附近的人就會抗議了。在4G時代大約每2到5公里要設一個基地台，若基地台用差不多的功率去輸送5G訊號，訊號有效覆蓋範圍就只剩下200到300公尺而已了。若該5G基地台的訊號有效覆蓋範圍想要跟4G一樣廣，覆蓋半徑必須提高十倍。若覆蓋半徑要提高十倍，基地台功率就必須提升一百倍。無線通訊的基地台一直以來都是嫌惡設施，更不用說功率調高一百倍後還指望附近的住戶能接受它的存在。

 相較於「請你講話大聲一點」，另一個較為可行的辦法是下面這張圖。

是的，我們請桌子對面的人坐到你旁邊說悄悄話就行了。

上面這個概念應用在無線通訊上的可行辦法就是我們蓋更多但功率更小的基地台，來達成跟過去相同的覆蓋面積。傳輸半徑減少十倍，基地台之間的距離就縮短十倍，單位面積內的基地台數量提高一百倍，基地台發訊功率也只剩下原本的1%。因為功率非常低，我們也就不必去考慮這種微型基地台對人體的危害了。

介紹到這裡可以先替移動通訊技術的進步過程做幾點歸納：

1.因為低頻段已經被各類無線傳輸應用給佔據了，未來新的通訊頻段只會越來越高。

2.每一代新的移動通訊技術總是能用更少的能量消耗、更少的時間或是更少的金錢成本來傳輸更多的資訊。

3.基地台的功率只會越來越低，功率越低基地台就必須架設越多越密集。

在5G都還沒被廣泛應用前，美國總統川普已經在推特上面表示要發展6G了。

就連最近的新聞也指出我國政府也要跟著發展6G。

若無線通訊的進步仍遵守前面所述的趨勢，那麼6G應該使用什麼樣的電磁波頻段？該頻段的電磁波有什麼樣的物理特性需要克服？要架設多麼密集的基地台，難道每平方公尺都要蓋一個嗎？蓋那麼密的基地台是否有商業價值？如果與基地台通訊的有效距離只剩下幾公尺，難道不能拉一根光纖來解決嗎？

有些問題我們放棄使用依靠直覺得出的答案並不難，但要放棄掉用數十年生活經驗培養起來的直覺則是千難萬難。既然都已經從1G進步到5G了，沒道理未來不能有6G、7G、8G呀？前面這句話其實就是基於生活經驗的直覺所得出的答案。

技術也許可以不斷提高，但理論極限、物理特性與建立於數學基礎上的嚴謹推論是沒辦法被突破的。明白了這些邊界，就不會犯傻花時間心力去嘗試邊界以外的事情，我們能做的就是在這個邊界裡面不斷尋找出相對比較好的解決方案。

下一篇，我會介紹伴隨著移動通訊技術一同進步的「移動設備端」存在哪些邊界。