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【认识5G】专题报导

【认识5G专题报导5-3】为什麽5G使用毫米波(mmWave) 6G使用太赫兹(THz)?

在上一篇<5G的意义二:什麽是毫米波与太赫兹?>里我们谈到通讯电磁波频谱如图一所示,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)。那麽到底不同频率的电磁波有什麽不同的特性和应用呢?

频率愈低绕射效果愈好(KHz>MHz>GHz)

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不同时代的移动电话频率范围与基站数量比较表。表一

绕射效果愈好代表可以在传递途中绕过障碍物,因此虽然基站在室外,但是频率MHz的电磁波可以绕过墙壁进入室内,我们在室内可以讲手机,收音机在室内可以听音乐,而卫星通讯使用GHz的电磁波无法绕过屋顶,因此必须在屋顶安装碟型天线接收信号再传送到室内。

同理,室内收不到卫星定位(GPS)的信号,显然低频电磁波的通讯死角比较少,所以比较方便,但是电磁波的频率愈低波长愈长,代表天线愈长不容易缩小,如何设计天线是另外一个问题。

频率愈高可用带宽愈宽(GHz>MHz>KHz)

「带宽(Bandwidth)」是指可以传递信号的频率范围,单位是「赫兹(Hz)」,计算的方法很简单:用减法,计算方式如下:➩ 1KHz到10KHz的带宽是9KHz。➩ 1MHz到10MHz的带宽是9MHz。➩ 1GHz到10GHz的带宽是9GHz。

由上面的计算可以发现,9GHz是9MHz的1,000倍,9MHz又是9KHz的1,000倍,因此频率愈高可用的带宽愈宽,显然高频电磁波的通讯速度比较快,所以比较方便,此外,高频电磁波的射频元件工作频率高,制作困难价格高。

6G为什麽使用太赫兹(THz)电磁波?

经由上面的介绍会发现,绕射效果最好的是KHz的电磁波,带宽效果最好的是GHz的电磁波,两者互相矛盾,因此最先被人类大量使用的是特性介於两者之间频率MHz的电磁波,无线电视、移动通讯、调幅广播(AM)、调频广播(FM)都先用这个频率,用完了该怎麽办呢?总不能往下挖KHz的电磁波吧!前面介绍过KHz的带宽太窄根本不够用,因此只能往上挖GHz的电磁波了!

第二代移动电话(2G)原本使用900MHz,就是所谓的「GSM900」,後来要再增加频率只能提高到1800MHz,就是所谓的「GSM1800」,那麽3G和4G要再增加频率只能提高到1~3GHz,现在5G第一阶段要再增加频率只能提高到3~6GHz,就是所谓的「sub-6GHz」,5G第二阶段要再增加频率只能提高到20~60GHz,就是所谓的「毫米波(mmWave)」,那麽6G要再增加频率怎麽办?当然只能再往上挖使用频率THz的「太赫兹」电磁波罗!

频率愈高绕射效果愈差该怎麽办呢?

3G和4G使用1~3GHz的电磁波在室内勉强还可以收到,但是5G第一阶段使用3~6GHz的电磁波在室内收讯效果就变差了!而5G第二阶段使用的毫米波在室内几乎没有信号该怎麽办呢?解决绕射问题的方法是大量建置基站,因此5G第一阶段(Sub 6GHz)的基站数量是4G的2倍;5G第二阶段毫米波的基站数量是4G的10倍,如表一所示。

许多人听到5G要建置这麽多基站,想想都觉得发毛,其实这个不必担心,前面介绍过同一个空间如果频率相同会互相干扰,因此每个基站都会限制通讯范围,避免干扰别的基站,意思是:基站愈多,每个基站的通讯范围愈小,电磁波的功率愈小,因此不必太过紧张。

此外,基站的通讯范围愈小,服务的人数就愈少,每个人分到的数据传输率愈高,要让大家上网速度变快,则基站的通讯范围愈小愈好,因此5G和未来的6G是朝向「小型基站(Small cell)」。

5G未来发展:sub-6GHz完全覆盖地面 毫米波以热点方式运作

5G的基站目前是以频率6GHz以下(sub-6GHz)的电磁波比较可行,绕射效果好,基站数目大约是4G的2倍;但是毫米波由於绕射效果不好,必须建置大量基站,未来是否能够完全覆盖地面还有待观察,或许在人多的地点以「热点(Hotspot)」的方式建置比较可行,而且基站的通讯范围愈小能够提供更多人高速上网。

5G的毫米波基站和Wi-Fi热点类似,两者的差异在那里?基本上是方便性,因为5G系统的基站之间可以自动「换手(Hand off)」,前面介绍过每个基站都会限制通讯范围,避免干扰别的基站,当使用者移动时基站会自动切换到另外一个基站称为换手,使用者可以持续通话或上网,完全没有感觉,但是Wi-Fi热点必须由使用者查找後再输入口令连线,显然比较麻烦。

另外一个问题是,如果5G真的吃到饱,那Wi-Fi是不是就消失了?如果大家都用5G上网吃到饱,代表每个人分到的速度变慢,使用上并不是那麽方便,而Wi-Fi大部分是私人网络使用人数少,Wi-Fi热点连接有线通讯速度也快,因此Wi-Fi和5G是不同的市场,还是有一定的需求。

6G使用太赫兹电磁波难度高有待解决

由於频率介於300GHz~10THz的「太赫兹」电磁波属於远红外线(FIR),它的绕射特性比毫米波更差,因此通讯上的问题很多难度很高,美国国防部下属的国防高等研究计划局(DARPA)从2016年开始,就与非营利组织及十多家私营企业合作开始一个由30多所美国大学组成的合作研究项目「联合大学微电子学计划(JUMP:Joint University Microelectronics Program)」,而太赫兹的传感器与通讯技术就是这个研究计划的项目之一。

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
【认识5G专题报导5-2】什麽是毫米波(mmWave)与太赫兹(THz)?

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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