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5G安全爭議不斷 探討通訊科技發展

2022.05.11
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今期熱話

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)。



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。



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」。



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 frequencydivision 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)。



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200MHz(MHz為頻率單位)頻寬,會分割成若干份頻隙(如20MHz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4.4GHz。然而,去年初美國把3.7至3.98GHz頻譜售予兩大電訊商,儘管與4.2GHz之間有220MHz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。



載自2022年5月11日《S-file STEM/理科》

文:劉心 圖:星島圖片庫、網上圖片
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