【科技】通訊系統與數據時代

前言:正謂筆鋒可比利刃尖。作為電子工程系的畢業班學生,本文旨在為讀者介紹筆者對通訊工程與未來科技發展之淺見。

引言
現代數碼社會由一系列的資訊科技及產品建構而成,未來的科研發展更聚焦於龐量數據處理。而通訊系統亦從筆者年幼時(有幸)接觸過的第一代無線電通訊系統(The First Generation of Mobile Communication System, 1G)演變成今天油尖旺區滿街推銷廣告的第四代(4G)。可是,大眾未必會去質疑為何一邊受電訊商鼎力推廣「高速流動數據」、「無限上網」等服務計劃的同時又要一邊付款購買數據吧?在理解所謂「頻譜有價」及其於科研未來扮演的角色前,容我先介紹通訊系統的運作原理。

甚麼是通訊?
就通訊工程學角度而言,「通訊」一詞意指將資訊從一端傳送至另一端的過程。[1] 具體例子包括電話將我的聲音傳送至你的聽筒期間的過程、廣播公司將影像傳送至家用電視的過程,甚或是上課時無聊跟同窗寒喧兩句,都屬於一種通訊。大家不難發現這些例子有幾個共同元素,就是都包含了既定資訊、傳送媒界及一對或以上的發送/接收器。以電視廣播系統為例,電視節目裡的影像及聲音就是既定資訊,傳送媒界則是大氣電波,而飛鵝山發射站及觀眾收看的電視則分別是發送器及接收器。當然,我引用的例子及解釋算是相當甚或過於簡化的比喻,技術上如何界定資訊、媒界及發送/接收器是更複雜的一門學問。再者,數碼系統的通訊更包括多層架構:應用層、傳輸層、網絡層、物理層等,而在物理層中的通訊就是電子工程學的研究範圍之一。

頻譜有價
回顧通訊史,古時戰爭所用的號角聲響及煙火訊號所用的傳送媒界是空氣,而今天無線電頻譜就是流動通訊最重要的媒界。對用家而言,可傳送及接收資訊量當然是越多越快越好。理論上,越闊的頻譜可以越快的速度傳輸,惟無線電頻譜是非常有限的資源,故不可能把大部分頻譜都用於一位用家身上。再者,物理學上越高頻的信號只可傳送越短的距離,故無線電頻譜內偏高的頻譜也非電訊服務的合適媒界。參考通訊事務管理局2017年本港無線電頻率分佈圖,基本上無空置而可用的頻譜。[2] 由於本港的無線電頻譜是以拍賣形式向各電訊商租售,其價值理應可由成交價反映:從數碼通及中國移動於2016年投得頻率的成交價可估算每1MHz無線電頻率於15年的使用權約值5千萬港元。[3] 若以平均年租計,即每1MHz的無線電頻譜價值3.33百萬港元,簡直可謂天價。

數據主導的時代 
大數據、人工智能、智能城市等等都是科技發展即將奔往的方向,這些灸手可熱的未來科技都免不了需要大量即時數據處理及支援。而跟據Statista提供的數據及統計,全球更有超過一半的網頁流覽次數是依靠流動網絡支援的。[4] 可預見的是,流動網絡需求量將會無上限地增加。在可用頻譜有限的情況下,工程師真正需面對的問題是:如何可以高速而有效地通訊呢?80年代推出的1G系統採用類比訊號(Analogue Signal,筆者至今仍甚不解為何鍾樹根前議員會將之譯作模擬訊號),受技術限制只容許無線語音通話。後來數碼通訊科技進步,90年代的2G已可支援簡訊功能,至千禧年的3G更可透過網際網路作多媒體通訊。時至今天大眾使用的4G講求的不再是傳輸甚麼而是「快、狠、準」,而Next Generation Mobile Networks (NGMN) Alliance 更將高輸送量(目標1萬位用家可同享每秒1GB的網速)及全面訊號覆蓋定為5G技術規格之一,可見通訊科研界早已準備支援處理大量即時數據去迎接新時代。值得一提的是,儘管無線系統由第一代進化到第四(或五)代,可用的頻譜仍舊未有增加,當中進步的是發送/接收器中的數碼訊號處理技術及天線設計。

結語
通訊工程是一門極為複雜而集百家於一身的學科:從基本的傅立葉轉換以至難以理解的統計學模形、麥斯威方程組以至射頻電子學、集成電路以至天線設計、甚至訊號壓縮及信息論都是通訊工程師必備的常識,而電子工程學就正好涵蓋了上述學問。縱觀現世,未來世界大概會以數據為主導,而進步不斷的通訊系統就是支撐該種世界的盤石。我相信,不論未來社會的科研朝住甚麼方向進發,電子及通訊工程學都會擔當不可或缺的支援角色。

 

[1] 馬榮健教授於中大任教通訊系統原理的講課提綱,或任何一本通訊工程學導論的教科書。
[2] http://www.ofca.gov.hk/filemanager/ofca/en/content_144/frequency_allocation_chart%20_2017.pdf
[3] http://www.samenacouncil.org/samena_daily_news.php?news=50526
[4] https://www.statista.com/statistics/306528/share-of-mobile-internet-traffic-in-global-regions/

姜偉耀

中大學生、前電子工程學系系會會長、現任教務會師生諮詢委員會工程學院學生代表、中大學生會代表會副主席