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【认识5G】专题报导

【认识5G专题报导5-2】什麽是毫米波(mmWave)与太赫兹(THz)?

在前一篇<认识5G意义(1):全面物联网(IoT)时代来临,3秒钟下载一部电影不是重点!>里,我们谈到5G的三大特性:增强移动宽频上网(eMBB)、高可靠低延迟通讯(URLLC)、大量装置联网通讯(mMTC),那麽科学家是使用那些技术来达到这三个特性呢?

什麽是电磁波?

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通讯电磁波频谱(图二)。

大家都知道手机是经由电磁波通讯,甚至有人听到电磁波就会害怕,那麽到底什麽是电磁波?电磁波是由「电场(Electric field)」与「磁场(Magnetic field)」交互作用产生的「能量(Energy)」,沿着某一个方向以「波(Wave)」的形式前进,如图一所示,因此电磁波有下列两个参数:

波长(Wavelength):电磁波的波峰到波峰的距离。

频率(Frequency):电磁波1秒钟振动的次数,单位为「赫兹(Hz)」。

由图一可以看出,电磁波的波长愈长,1秒钟内振动的次数愈少,频率愈低;电磁波的波长愈短,1秒钟内振动的次数愈多,频率愈高,因此波长与频率成反比。

电磁波如何分类与应用?

通讯电磁波频谱如图二所示,愈左边波长愈长(频率愈低),愈右边波长愈短(频率愈高),频率由左向右依序为千赫兹(KHz)、百万赫兹(MHz)、十亿赫兹(GHz)、万亿赫兹(THz),电磁波可以用来无线通讯或有线通讯,特性如下:

★ 频率KHz的电磁波:应用在航空无线电、海底电缆、电话与电报等,如果应用在有线通讯通常使用「双绞铜线(Twisted pair)」为介质,就是我们使用的RJ45网络线。

★频率MHz的电磁波:应用在无线电视、移动通讯(手机)、调幅广播(AM)、业余无线电、调频广播(FM)等;如果应用在有线通讯,通常使用「同轴电缆(Coaxial cable)」为介质,就是第四台用的有线电视传输线。

★ 频率GHz的电磁波:其中频率介於30~300GHz的电磁波波长大约1~10毫米(mm),因此又称为「毫米波(mmWave)」,应用在卫星通讯、卫星定位、雷达与微波等,如果应用在有线通讯通常使用「波导(Waveguide)」为介质,波导是空心金属管,可以让电磁波沿着金属表面传播。

★ 频率THz的电磁波:其中频率介於300GHz~10THz的电磁波又称为「万亿赫兹」或「太赫兹(THz)」,属於「远红外线(FIR:Far Infrared)」的一种,也就是未来6G要使用的电磁波。

★ 红外光(IR:Infrared):频率介於10~400THz的电磁波,应用在电视或冷气的遥控器,如果应用在有线通讯必须使用「光纤(Fiber)」为介质。

通讯元件只认频率不认人 频率不能重复使用

不同的通讯元件必须使用不同的频率范围来通讯,不然会互相干扰,因为「通讯元件只认频率不认人」,而频率不能重复使用代表有人在管理这些频率,负责频谱分配的在美国是「联邦通信委员会(FCC)」,在台湾是「国家通讯传播委员会(NCC)」。

无线通讯的频谱分配非常严格,执照费用也很高,因为无线通讯的传输介质是我们眼睛可以看到的空间,而我们大家是共享同一个空间,所有的信号都往同一个空间里丢,如果频率相同会互相干扰。

例如:收音机用了,无线电视就不能用;无线电视用了,手机就不能用。中华电信用了,台湾大哥大就不能用。
因此各家运营商都必须取得使用执照才能经营无线通讯业务,由於可以使用的频率范围有限,通常会以公开标售的方式让出价最高的运营商取得使用执照,当然最後这个费用会转嫁到使用手机的消费者身上!

5G系统建置需要时间 建议2021年再换手机

5G的官方名称定为「新无线电(NR:New Radio)」,电信系统包括「无线接取网络(RAN:Radio Access Network)」与「核心网络(CN:Core Network)」,进度分为两个阶段:

5G新无线电第一阶段(5G NR Phase I):2019年开始布建,使用电磁波频率3~6GHz的「sub-6GHz」,与现有4G LTE特性相似,技术障碍较低,但是上网速度增加不多,这是为什麽常看到新闻里提到和4G速度差不多的原因之一,当然目前电信公司5G系统布建不足还是主要原因。

5G新无线电第二阶段(5G NR Phase II):2022年预计开始布建,使用电磁波频率20~60GHz的「毫米波(mmWave)」,绕射特性差,基站数目大量增加,技术障碍较高,可以大幅增加上网速度,我们常在新闻里看到5G的数据传输率要达到10Gbps以上,要到第二阶段才能达成。

由於目前电信公司5G系统布建不足,因此2020年买5G手机其实用处不大,建议使用者2021年再考虑更换5G手机比较合适。

那麽5G使用毫米波,6G使用太赫兹各有那些特性呢?且听下回分解。

延伸阅读:

【认识5G专题报导5-1】5G时代来临 3秒下载电影不是重点

曲建仲,知识力科技公司CEO,为政治大学、辅仁大学、东吴大学兼任助理教授。

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