从互联网原理 到5G网络的技术、发展与隐忧｜STEM教室
发布时间：14:00 2025-01-15 HKT
5G技术研发早于2008年已开始筹划，经过约十年发展，到了2019年，我们终于迎来5G网络。随着全球各地陆续建设5G设备，以及电讯商大力推广，愈来愈多人购买5G手机，转用5G网络。
不过，推出至今，有关争议或顾虑不断，例如5G的安全性、部分国家对电讯商华为的担忧，以及影响天气预测等等。美国曾就因5G信号可能会影响飞机通讯，对飞行及降落产生危险，要求两家电讯商 Verizon 及 AT&T 延期启动5G网络，或其覆盖范围亦要远离机场区域。今期就让我们探讨通讯科技，以及5G的相关技术吧！
我们是如何上网？
5G传输的一大特点就是上网（包括上载及下载档案）速度比以往如4G网络快得多，在我们了解为何5G「快」之前，大家有没有想过平日浏览网页时，资讯是如何传递到我们的电话或电脑呢？现在就让我们先了解当中的过程。
当我们「点进」一个网页时，这个指令就会即时传递至伺服器（server）——伺服器存放在不同数据中心（data centre），运作时犹如一部电脑，里面有一个内部记忆体 （internal memory）——当收到指令，便把储存在内的网页资讯抽取，然后传到我们的手机或电脑。
光纤与互联网
上述步骤看起来非常直接，但当中细节并不是如此简单。
想一想，指令或资讯的传递是利用甚么方式呢？ 我们不能利用通讯衞星 （telecommunication satellites），因为这些衞星距离地面数万公里，而且先要把信号射上去，再利用衞星把信号发射回地面，是两倍距离，长度比环绕地球一整圈还要多，因此要做到快速上网，我们须要地面传输。
由于没有东西比光走得更快，因此我们建造了光纤（optical fibre），将数据中心与各家各户连接起来，形成互联网，而指令和资讯会以光的形式传达；要连接各地用户，就需要遍布全球的光纤，因此我们安装不少海底通讯电缆（见图一）。
图一：海底通讯电缆
光纤⑧能够做到快速且安全的资讯传输，但它较幼小及脆弱，因此需要一个大型结构（包括聚乙烯外皮①、聚酯层②、钢铰线层③、铝制防水层④、聚碳酸酯层⑤、石蜡层⑦）以提供强度和保护。而由于资讯跨越长途距离会有衰减现象，亦即信号会减弱，我们需要放大器以维持信号强度，但由于放大器需要能量运作，而我们不能在水底建造电力设备，因此须在电缆的其中一层加上铜管或铝管⑥来运送电力，为放大器提供能量。
互联网世界的住址——IP地址
有了光纤，我们又如何把指令传到数据中心，而数据中心又如何通过光纤网络找到我们的装置呢？
我们可以把整个传输系统比作一个邮递系统。要把信件寄到家中，须填上我们的住址；同样，每一部能够连接到互联网的装置，包括手机、电脑、Wi-Fi 路由器，以及伺服器，都有自己的「地址」，我们称之为IP地址。上文提过伺服器内储存了网页资讯，因此我们搜寻一个网页时，其实是要寻找该伺服器的IP地址。
不过，由于这些IP地址是由一系列的数字而成，为方便记忆，人们便设计了网域名称（domain name），如 youtube.com、facebook.com 等，并与原本专属的IP地址配对；当我们输入网页名称时，通过域名系统（domain name system, DNS）——类似电话簿功能，从网域名称查出IP地址，从而把指令传送至相应的伺服器。
数位形式传递资讯
至于把网页资讯传回装置，就是由伺服器寻找装置的IP地址。在互联网世界里，所有资讯都能以数位（digital）形式表达，亦即是「0」与「1」这两个数字，因此伺服器所做的事就是把代表网页资讯的一系列「0」和「1」传送到目的地的IP地址。要做到快速传递，系统不会把每个数字逐一传送，而是把几个数字连成一小串，加上序号和IP地址，一串一串地发放信号。到达装置时，资料串会按序号重新排列，重组成完整网页资讯，我们就能在装置看到要找的网页了。
图二：Google数据中心
由于数据中心是各装置连结互联网的重要枢纽，因此需要多重安全措施，以及要有技术人员长期维护及修理可能出现问题的部件。一家如 Google 公司规模的数据中心需要使用大量能源支援多个伺服器，因此 Google 积极研究如何做到节能，及利用可再生能源。
认识流动网络
前文关于上网过程的描述，其实还差最后一步。
假若我们专注家中或室内应用，光纤入屋后，可以接驳路由器（router），它能够把光信号转换为电子信号。利用乙太网络线（ethernet cable）把路由器与电脑连接，电子信号就能传送到电脑，我们就能上网。可是，如果我们在街上，手机又是如何接收资讯呢？答案是：利用流动网络（cellular network）。
具体一点来说，光纤不会入屋，而是接驳到信号发射站（又称发射塔），发射塔的天线会以电磁波形式把信号传送到我们手机内的天线接收，手机天线把电磁波转换为 电子信号后，就能在屏幕展示出来。顺带一提，每个发射塔的信号会覆盖一个六边形范围，因此流动网络又称「蜂巢式网络」。
图三：电磁波谱
可见光、X光、微波等都是电磁波的一种，它们的分别在于波长（或频率）的不同。基于种种原因，通讯设备大多以无线电波（波长由厘米至公里不等）传递资讯，而5G则利用比4G较高频率的毫米波长发放和接收讯息。
操控频率提升网速
我们之所以运用电磁波，除了因为它能以光速传播，还因我们可以通过操控频率来提升网络速度。之前提及，电子信号全都以「0」与「1」表达，而在电磁波上，我们可以利用低频率波和高频率波来分别代表「0」与「1」。由于一个数字代表一个信号，如果我们可以利用一个波来代表多于一个数字（称之为位元，bit），那么我们就能减少需要发射的电磁波数量，亦即我们能以较短时间传递较多资讯。
以4G与5G为例，它们运用了一项名为正交分频多工（Orthogonal frequency division multiplexing, OFDM）的技术，利用多个不同频率、波幅与相位差组合（定义见图四）的电磁波，代表多位元资讯，从而提升速度。
由此可见，我们希望发射塔能够发出多个频率，这暗示频率范围（frequency range）要够阔，即是需要「宽频」（broadband），才能使传送速率上升。从技术层面来看，高频电磁波较易做到更宽的频率范围，因此现时5G网络所用的电磁波频率比4G的较高（见图三）。
图四 电磁波
定义「波」的三大元素： 波幅（amplitude，波的顶端高度）、波长（wavelength，两个顶端之间的距离，频率（frequency）与波长成反比）和相位（phase，用以描述波的不同阶段）
两个不同波幅（左上）、相位（右上）、频率（左下）以及三个元素都不同（右下）的波之比较。
补充资料
5G网络的技术、发展与隐忧
★ 技术
根据图三，我们发现通讯系统所使用的波长大多是在无线波段上，若想减少不同应用之间（如电台、电话通讯等）的信号干扰，须每项通讯方式所使用的频率范围不重叠。因此，政府有专责部门规管频谱的使用，甚至会以拍卖形式出售特定范围使用权予电讯商。在有限的频宽内，该如何有效运用？主要有两个方法。
- 第一是频隙分配（Frequency slot distribution）。假设一家电讯商得到约 200 MHz（MHz为频率单位）频宽，会分割成若干份频隙（如20 MHz宽）并分配至各个发射塔（亦即每个发射塔所覆盖的「蜂巢」内），相邻「蜂巢」不得使用同一个频隙以防止隔邻区域会无意收到本区域的信号，但不相邻的「蜂巢」就能使用同一个频隙以节省频率的使用。
- 第二是多重接取技术（Multiple Access Technique）。在同一区域或「蜂巢」 内要应付多个用家或装置，发射塔会再分割频率范围，并在不同时间点发出不同加密方式的信号，确保每部装置都会收到独有的信号。
5G网络正正有使用上述两个方法。此外，Multi-user MIMO也是一个重要技术。MIMO指一个系统内有数个独自接收和发送信号的天线，而Multi-user MIMO则是以更多天线来增加可连接装置的承载量。这些技术使5G网络能够支援多个用家同时以高速上网。
★ 发展
5G技术令人期待，不过距离真正普及化或许还有一些路程。首先，5G网络使用较高频率，根据波动光学，高频率波在空间传播时衰弱较快，须在更多地方安装大型发射塔，但在城市较难做到，因此改为安装大量小型基地台（small cells）以应付5G的数据容量需求（见图五）。其次，要接收更高和更宽频率，我们需要一部5G手机配合，这要待手机市场发展才能使技术更普及。
★ 隐忧
至于有关航空通讯问题，这关乎频谱使用授权。飞机若在天气不明朗又或晚上降落，须与地面通讯以得知位置及机场情况，并利用雷达高度针确保安全着陆，而仪器使用的频段是 4.2至4.4 GHz。然而，2021年初美国把 3.7至3.98 GHz频谱售予两大电讯商，尽管与 4.2 GHz之间有 220 MHz 缓冲区，符合当地法规最低要求，但航空业界普遍担心缓冲不足，使雷达高度针仍受5G信号干扰，危害航空安全。因此，要成功推行5G技术，除基建和配套，政策和规管也同样重要。
文：刘心
图：星岛图片库、CyberHoot、blog.google、ResearchGate、维基百科、网上图片
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