真正的6G来了！使用太赫兹(THz)电磁波带宽可达5G的100倍

【编者按】本文作者曲建仲，内容来自曲博科技教室，集微网经原作者授权转载。

你应该知道的是：马斯克的「星链计划(Starlink)」不是5G更不是6G，未来5G和6G的主角还是地面基地台，卫星只是「配角」而已。6G真正的主角将是「太赫兹(THz)」电磁波，虽然问题很多难度很高，但是如果开发成功6G的数据传输率将是5G的10~100倍，可达每秒100Gbps，甚至1Tbps以上。

第五代移动电话(5G：5th Generation)网络时代才刚要来临，美国已经开始试验第六代移动电话(6G：6th Generation)技术，6G的数据传输率将是5G的10~100倍，美国联邦通信委员会(FCC)决定开放95GHz到3THz的电磁波频率范围作为试验频谱，正式启动6G技术研发。其中T是「Tera」代表太拉，因此称为「太赫兹」，「THz」的电磁波将是6G数据传输的关键技术之一，到底这是什么技术？又会有那些特性呢？

什么是电磁波？

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，那么到底什么是电磁波？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)」的型式前进，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)：电磁波一秒钟振动的次数，单位为「赫兹(Hz)」。

由图中可以看出，电磁波的波长愈长，一秒钟内振动的次数愈少，频率愈低；电磁波的波长愈短，一秒钟内振动的次数愈多，频率愈高，因此波长与频率成「反比」。

图一　电磁波示意图

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)、兆赫兹(MHz)、十亿赫兹(GHz)、太赫兹(THz)，电磁波可以用来无线通信或有线通信，特性如下：

图二　通讯电磁波频谱

· 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，就是我们的有线电视传输线。

· 频率GHz的电磁波：其中频率介于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：其中频率介于300GHz~10THz的电磁波又称为「太赫兹」，属于「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)：频率介于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。

通讯组件只认频率不认人  频率不能重复使用

不同的通讯组件必须使用不同的频率范围来通讯，不然会互相干扰，因为「通讯组件只认频率不认人」，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)」。无线通信的频谱分配非常严格，执照费用也很高，因为无线通信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，中国移动用了中国联通就不能用，因此各家电信厂商都必须取得使用执照才能经营无线通信业务，由于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电信厂商取得使用执照，当然最后这个费用会转嫁到使用手机的消费者身上啰！

频率愈低绕射效果愈好(KHz>MHz>GHz)

绕射效果愈好代表可以在传递途中绕过障碍物，因此虽然基地台在室外，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1000倍，9MHz又是9KHz的1000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，高频电磁波的射频组件工作频率高，制作困难价格高。

5G的系统建置需要时间

5G的官方名称定为「新无线电(NR：New Radio)」，包含「核心网(CN：Core Network)」与「无线接入网(RAN：Radio Access Network)」，核心网是指云端相关设备，无线接入网是指基站台相关设备，进度分为两个阶段：

5G NR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，这是为什么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 NR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，基站台数目大量增加，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。

6G为什么使用太赫兹(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于两者之间频率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，用完了该怎么办呢？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」，后来要再增加频率只能提高到1800MHz，就是所谓的「GSM1800」，那么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)」，那么6G要再增加频率怎么办？当然只能再往上挖使用频率THz的「太赫兹(THz)」电磁波啰！

频率愈高绕射效果愈差该怎么办呢？

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么办呢？解决绕射问题的方法是大量建置基站台，因此5G第一阶段(Sub 6GHz)的基站台数量是4G的2倍；5G第二阶段(mmWave)的基站台数量是4G的10倍。

许多人听到5G要建置这么多基站台，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，因此每个基站台都会限制通讯范围，避免干扰别的基站台，意思是：基站台愈多，每个基站台的通讯范围愈小，电磁波的功率愈小，因此不必太过紧张。

再提醒大家一次，基站台的通讯范围愈小，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，则基站台的通讯范围愈小愈好，因此5G和未来的6G是朝向「小型基站台(Small cell)」发展而不是卫星。

5G未来发展：Sub 6GHz完全覆盖地面，毫米波以热点方式运作

5G的基站台目前是以频率6GHz以下(Sub 6GHz)的电磁波比较可行，绕射效果好，基站台数目大约是4G的2倍；但是毫米波由于绕射效果不好，必须建置大量基站台，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，而且基站台的通讯范围愈小能够提供更多人高速上网。

5G的毫米波基站台和WiFi热点类似，两者的差异在那里？基本上是方便性，因为5G系统的基站台之间可以自动「换手(Hand off)」，前面介绍过每个基站台都会限制通讯范围，避免干扰别的基站台，当用户移动时基站台会自动切换到另外一个基站台称为换手，使用者可以持续通话或上网，完全没有感觉，但是WiFi热点必须由用户搜寻后再输入密码联机，显然比较麻烦。

另外一个问题是，如果5G真的吃到饱，那WiFi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，使用上并不是那么方便，而WiFi大部分是专用网使用人数少，WiFi热点连接有线通讯速度也快，因此WiFi和5G是不同的市场，还是有一定的需求。

6G使用太赫兹(THz)电磁波难度高有待解决

由于频率介于300GHz~10THz的「太赫兹」电磁波属于远红外线(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。

除了美国以外，中国大陆、日本、韩国、芬兰、瑞典、德国、英国等通讯技术强国都加入6G技术研发的行列，在可以预见的未来，将会有更多的新科技等待大家去学习，现在就加入《曲博科技教室》和我们一起开始学习科技吧！