從互聯網原理 到5G網絡的技術、發展與隱憂｜STEM教室
發佈時間：14:00 2025-01-15
5G技術研發早於2008年已開始籌劃，經過約十年發展，到了2019年，我們終於迎來5G網絡。隨着全球各地陸續建設5G設備，以及電訊商大力推廣，愈來愈多人購買5G手機，轉用5G網絡。
不過，推出至今，有關爭議或顧慮不斷，例如5G的安全性、部分國家對電訊商華為的擔憂，以及影響天氣預測等等。最近，美國就因5G信號可能會影響飛機通訊，對飛行及降落產生危險，要求兩家電訊商 Verizon 及 AT&T 延期啟動5G網絡，或其覆蓋範圍亦要遠離機場區域。今期就讓我們探討通訊科技，以及5G的相關技術吧！
我們是如何上網？
5G傳輸的一大特點就是上網（包括上載及下載檔案）速度比以往如4G網絡快得多，在我們了解為何5G「快」之前，大家有沒有想過平日瀏覽網頁時，資訊是如何傳遞到我們的電話或電腦呢？現在就讓我們先了解當中的過程。
當我們「點進」一個網頁時，這個指令就會即時傳遞至伺服器（server）——伺服器存放在不同數據中心（data centre），運作時猶如一部電腦，裏面有一個內部記憶體 （internal memory）——當收到指令，便把儲存在內的網頁資訊抽取，然後傳到我們的手機或電腦。
光纖與互聯網
上述步驟看起來非常直接，但當中細節並不是如此簡單。
想一想，指令或資訊的傳遞是利用甚麼方式呢？ 我們不能利用通訊衞星 （telecommunication satellites），因為這些衞星距離地面數萬公里，而且先要把信號射上去，再利用衞星把信號發射回地面，是兩倍距離，長度比環繞地球一整圈還要多，因此要做到快速上網，我們須要地面傳輸。
由於沒有東西比光走得更快，因此我們建造了光纖（optical fibre），將數據中心與各家各戶連接起來，形成互聯網，而指令和資訊會以光的形式傳達；要連接各地用戶，就需要遍布全球的光纖，因此我們安裝不少海底通訊電纜（見圖一）。
圖一：海底通訊電纜
光纖⑧能夠做到快速且安全的資訊傳輸，但它較幼小及脆弱，因此需要一個大型結構（包括聚乙烯外皮①、聚酯層②、鋼鉸綫層③、鋁製防水層④、聚碳酸酯層⑤、石蠟層⑦）以提供強度和保護。而由於資訊跨越長途距離會有衰減現象，亦即信號會減弱，我們需要放大器以維持信號強度，但由於放大器需要能量運作，而我們不能在水底建造電力設備，因此須在電纜的其中一層加上銅管或鋁管⑥來運送電力，為放大器提供能量。
互聯網世界的住址——IP地址
有了光纖，我們又如何把指令傳到數據中心，而數據中心又如何通過光纖網絡找到我們的裝置呢？
我們可以把整個傳輸系統比作一個郵遞系統。要把信件寄到家中，須填上我們的住址；同樣，每一部能夠連接到互聯網的裝置，包括手機、電腦、Wi-Fi 路由器，以及伺服器，都有自己的「地址」，我們稱之為IP地址。上文提過伺服器內儲存了網頁資訊，因此我們搜尋一個網頁時，其實是要尋找該伺服器的IP地址。
不過，由於這些IP地址是由一系列的數字而成，為方便記憶，人們便設計了網域名稱（domain name），如 youtube.com、facebook.com 等，並與原本專屬的IP地址配對；當我們輸入網頁名稱時，通過域名系統（domain name system, DNS）——類似電話簿功能，從網域名稱查出IP地址，從而把指令傳送至相應的伺服器。
數位形式傳遞資訊
至於把網頁資訊傳回裝置，就是由伺服器尋找裝置的IP地址。在互聯網世界裏，所有資訊都能以數位（digital）形式表達，亦即是「0」與「1」這兩個數字，因此伺服器所做的事就是把代表網頁資訊的一系列「0」和「1」傳送到目的地的IP地址。要做到快速傳遞，系統不會把每個數字逐一傳送，而是把幾個數字連成一小串，加上序號和IP地址，一串一串地發放信號。到達裝置時，資料串會按序號重新排列，重組成完整網頁資訊，我們就能在裝置看到要找的網頁了。
圖二：Google數據中心
由於數據中心是各裝置連結互聯網的重要樞紐，因此需要多重安全措施，以及要有技術人員長期維護及修理可能出現問題的部件。一家如 Google 公司規模的數據中心需要使用大量能源支援多個伺服器，因此 Google 積極研究如何做到節能，及利用可再生能源。
認識流動網絡
前文關於上網過程的描述，其實還差最後一步。
假若我們專注家中或室內應用，光纖入屋後，可以接駁路由器（router），它能夠把光信號轉換為電子信號。利用乙太網絡綫（ethernet cable）把路由器與電腦連接，電子信號就能傳送到電腦，我們就能上網。可是，如果我們在街上，手機又是如何接收資訊呢？答案是：利用流動網絡（cellular network）。
具體一點來說，光纖不會入屋，而是接駁到信號發射站（又稱發射塔），發射塔的天綫會以電磁波形式把信號傳送到我們手機內的天綫接收，手機天綫把電磁波轉換為 電子信號後，就能在屏幕展示出來。順帶一提，每個發射塔的信號會覆蓋一個六邊形範圍，因此流動網絡又稱「蜂巢式網絡」。
圖三：電磁波譜
可見光、X光、微波等都是電磁波的一種，它們的分別在於波長（或頻率）的不同。基於種種原因，通訊設備大多以無綫電波（波長由厘米至公里不等）傳遞資訊，而5G則利用比4G較高頻率的毫米波長發放和接收訊息。
操控頻率提升網速
我們之所以運用電磁波，除了因為它能以光速傳播，還因我們可以通過操控頻率來提升網絡速度。之前提及，電子信號全都以「0」與「1」表達，而在電磁波上，我們可以利用低頻率波和高頻率波來分別代表「0」與「1」。由於一個數字代表一個信號，如果我們可以利用一個波來代表多於一個數字（稱之為位元，bit），那麼我們就能減少需要發射的電磁波數量，亦即我們能以較短時間傳遞較多資訊。
以4G與5G為例，它們運用了一項名為正交分頻多工（Orthogonal frequency division multiplexing, OFDM）的技術，利用多個不同頻率、波幅與相位差組合（定義見圖四）的電磁波，代表多位元資訊，從而提升速度。
由此可見，我們希望發射塔能夠發出多個頻率，這暗示頻率範圍（frequency range）要夠闊，即是需要「寬頻」（broadband），才能使傳送速率上升。從技術層面 來看，高頻電磁波較易做到更寬的頻率範圍，因此現時5G網絡所用的電磁波頻率比4G的較高（見圖三）。
圖四 電磁波
定義「波」的三大元素： 波幅（amplitude，波的頂端高度）、波長（wavelength，兩個頂端之間的距離，頻率（frequency）與波長成反比）和相位（phase，用以描述波的不同階段）
兩個不同波幅（左上）、相位（右上）、頻率（左下）以及三個元素都不同（右下）的波之比較。
補充資料
5G網絡的技術、發展與隱憂
★ 技術
根據圖三，我們發現通訊系統所使用的波長大多是在無綫波段上，若想減少不同應用之間（如電台、電話通訊等）的信號干擾，須每項通訊方式所使用的頻率範圍不重疊。因此，政府有專責部門規管頻譜的使用，甚至會以拍賣形式出售特定範圍使用權予電訊商。在有限的頻寬內，該如何有效運用？主要有兩個方法。
- 第一是頻隙分配（Frequency slot distribution）。假設一家電訊商得到約 200 MHz（MHz為頻率單位）頻寬，會分割成若干份頻隙（如20 MHz寬）並分配至各個發射塔（亦即每個發射塔所覆蓋的「蜂巢」內），相鄰「蜂巢」不得使用同一個頻隙以防止隔鄰區域會無意收到本區域的信號，但不相鄰的「蜂巢」就能使用同一個頻隙以節省頻率的使用。
- 第二是多重接取技術（Multiple Access Technique）。在同一區域或「蜂巢」 內要應付多個用家或裝置，發射塔會再分割頻率範圍，並在不同時間點發出不同加密方式的信號，確保每部裝置都會收到獨有的信號。
5G網絡正正有使用上述兩個方法。此外，Multi-user MIMO也是一個重要技術。MIMO指一個系統內有數個獨自接收和發送信號的天綫，而Multi-user MIMO則是以更多天綫來增加可連接裝置的承載量。這些技術使5G網絡能夠支援多個用家同時以高速上網。
★ 發展
5G技術令人期待，不過距離真正普及化或許還有一些路程。首先，5G網絡使用較高頻率，根據波動光學，高頻率波在空間傳播時衰弱較快，須在更多地方安裝大型發射塔，但在城市較難做到，因此改為安裝大量小型基地台（small cells）以應付5G的數據容量需求（見圖五）。其次，要接收更高和更寬頻率，我們需要一部5G手機配合，這要待手機市場發展才能使技術更普及。
★ 隱憂
至於有關航空通訊問題，這關乎頻譜使用授權。飛機若在天氣不明朗又或晚上降落，須與地面通訊以得知位置及機場情況，並利用雷達高度針確保安全着陸，而儀器使用的頻段是 4.2至4.4 GHz。然而，2021年初美國把 3.7至3.98 GHz頻譜售予兩大電訊商，儘管與 4.2 GHz之間有 220 MHz 緩衝區，符合當地法規最低要求，但航空業界普遍擔心緩衝不足，使雷達高度針仍受5G信號干擾，危害航空安全。因此，要成功推行5G技術，除基建和配套，政策和規管也同樣重要。
文：劉心
圖：星島圖片庫、CyberHoot、blog.google、ResearchGate、維基百科、網上圖片
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