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【認識5G專題報導5-3】為什麼5G使用毫米波(mmWave) 6G使用太赫茲(THz)?

通訊電磁頻譜。圖一

在上一篇<5G的意義二:什麼是毫米波與太赫茲?>裡我們談到通訊電磁波頻譜如圖一所示,愈左邊波長愈長(頻率愈低),愈右邊波長愈短(頻率愈高),頻率由左向右依序為千赫茲(KHz)、百萬赫茲(MHz)、十億赫茲(GHz)、兆赫茲(THz)。那麼到底不同頻率的電磁波有什麼不同的特性和應用呢?

頻率愈低繞射效果愈好(KHz>MHz>GHz)

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不同世代的行動電話頻率範圍與基地台數量比較表。表一

繞射效果愈好代表可以在傳遞途中繞過障礙物,因此雖然基地台在室外,但是頻率MHz的電磁波可以繞過牆壁進入室內,我們在室內可以講手機,收音機在室內可以聽音樂,而衛星通訊使用GHz的電磁波無法繞過屋頂,因此必須在屋頂安裝碟型天線接收訊號再傳送到室內。

同理,室內收不到衛星定位(GPS)的訊號,顯然低頻電磁波的通訊死角比較少,所以比較方便,但是電磁波的頻率愈低波長愈長,代表天線愈長不容易縮小,如何設計天線是另外一個問題。

頻率愈高可用頻寬愈寬(GHz>MHz>KHz)

「頻寬(Bandwidth)」是指可以傳遞訊號的頻率範圍,單位是「赫茲(Hz)」,計算的方法很簡單:用減法,計算方式如下:➩ 1KHz到10KHz的頻寬是9KHz。➩ 1MHz到10MHz的頻寬是9MHz。➩ 1GHz到10GHz的頻寬是9GHz。

由上面的計算可以發現,9GHz是9MHz的1,000倍,9MHz又是9KHz的1,000倍,因此頻率愈高可用的頻寬愈寬,顯然高頻電磁波的通訊速度比較快,所以比較方便,此外,高頻電磁波的射頻元件工作頻率高,製作困難價格高。

6G為什麼使用太赫茲(THz)電磁波?

經由上面的介紹會發現,繞射效果最好的是KHz的電磁波,頻寬效果最好的是GHz的電磁波,兩者互相矛盾,因此最先被人類大量使用的是特性介於兩者之間頻率MHz的電磁波,無線電視、行動通訊、調幅廣播(AM)、調頻廣播(FM)都先用這個頻率,用完了該怎麼辦呢?總不能往下挖KHz的電磁波吧!前面介紹過KHz的頻寬太窄根本不夠用,因此只能往上挖GHz的電磁波了!

第二代行動電話(2G)原本使用900MHz,就是所謂的「GSM900」,後來要再增加頻率只能提高到1800MHz,就是所謂的「GSM1800」,那麼3G和4G要再增加頻率只能提高到1~3GHz,現在5G第一階段要再增加頻率只能提高到3~6GHz,就是所謂的「sub-6GHz」,5G第二階段要再增加頻率只能提高到20~60GHz,就是所謂的「毫米波(mmWave)」,那麼6G要再增加頻率怎麼辦?當然只能再往上挖使用頻率THz的「太赫茲」電磁波囉!

頻率愈高繞射效果愈差該怎麼辦呢?

3G和4G使用1~3GHz的電磁波在室內勉強還可以收到,但是5G第一階段使用3~6GHz的電磁波在室內收訊效果就變差了!而5G第二階段使用的毫米波在室內幾乎沒有訊號該怎麼辦呢?解決繞射問題的方法是大量建置基地台,因此5G第一階段(Sub 6GHz)的基地台數量是4G的2倍;5G第二階段毫米波的基地台數量是4G的10倍,如表一所示。

許多人聽到5G要建置這麼多基地台,想想都覺得發毛,其實這個不必擔心,前面介紹過同一個空間如果頻率相同會互相干擾,因此每個基地台都會限制通訊範圍,避免干擾別的基地台,意思是:基地台愈多,每個基地台的通訊範圍愈小,電磁波的功率愈小,因此不必太過緊張。

此外,基地台的通訊範圍愈小,服務的人數就愈少,每個人分到的資料傳輸率愈高,要讓大家上網速度變快,則基地台的通訊範圍愈小愈好,因此5G和未來的6G是朝向「小型基地台(Small cell)」。

5G未來發展:sub-6GHz完全覆蓋地面 毫米波以熱點方式運作

5G的基地台目前是以頻率6GHz以下(sub-6GHz)的電磁波比較可行,繞射效果好,基地台數目大約是4G的2倍;但是毫米波由於繞射效果不好,必須建置大量基地台,未來是否能夠完全覆蓋地面還有待觀察,或許在人多的地點以「熱點(Hotspot)」的方式建置比較可行,而且基地台的通訊範圍愈小能夠提供更多人高速上網。

5G的毫米波基地台和Wi-Fi熱點類似,兩者的差異在那裡?基本上是方便性,因為5G系統的基地台之間可以自動「換手(Hand off)」,前面介紹過每個基地台都會限制通訊範圍,避免干擾別的基地台,當使用者移動時基地台會自動切換到另外一個基地台稱為換手,使用者可以持續通話或上網,完全沒有感覺,但是Wi-Fi熱點必須由使用者搜尋後再輸入密碼連線,顯然比較麻煩。

另外一個問題是,如果5G真的吃到飽,那Wi-Fi是不是就消失了?如果大家都用5G上網吃到飽,代表每個人分到的速度變慢,使用上並不是那麼方便,而Wi-Fi大部分是私人網路使用人數少,Wi-Fi熱點連接有線通訊速度也快,因此Wi-Fi和5G是不同的市場,還是有一定的需求。

6G使用太赫茲電磁波難度高有待解決

由於頻率介於300GHz~10THz的「太赫茲」電磁波屬於遠紅外線(FIR),它的繞射特性比毫米波更差,因此通訊上的問題很多難度很高,美國國防部下屬的國防高等研究計畫局(DARPA)從2016年開始,就與非營利組織及十多家私營企業合作開始一個由30多所美國大學組成的合作研究項目「聯合大學微電子學計畫(JUMP:Joint University Microelectronics Program)」,而太赫茲的感測器與通訊技術就是這個研究計畫的項目之一。

延伸閱讀:
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【認識5G專題報導5-2】什麼是毫米波(mmWave)與太赫茲(THz)?

曲建仲,知識力科技公司執行長,為政治大學、輔仁大學、東吳大學兼任助理教授。

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