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【認識5G】專題報導

【認識5G專題報導5-2】什麼是毫米波(mmWave)與太赫茲(THz)?

電磁波示意圖(圖一)。

在前一篇<認識5G意義(1):全面物聯網(IoT)時代來臨,3秒鐘下載一部電影不是重點!>裡,我們談到5G的三大特性:增強行動寬頻上網(eMBB)、高可靠低延遲通訊(URLLC)、大量裝置連網通訊(mMTC),那麼科學家是使用那些技術來達到這三個特性呢?

什麼是電磁波?

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通訊電磁波頻譜(圖二)。

大家都知道手機是經由電磁波通訊,甚至有人聽到電磁波就會害怕,那麼到底什麼是電磁波?電磁波是由「電場(Electric field)」與「磁場(Magnetic field)」交互作用產生的「能量(Energy)」,沿著某一個方向以「波(Wave)」的形式前進,如圖一所示,因此電磁波有下列兩個參數:

波長(Wavelength):電磁波的波峰到波峰的距離。

頻率(Frequency):電磁波1秒鐘振動的次數,單位為「赫茲(Hz)」。

由圖一可以看出,電磁波的波長愈長,1秒鐘內振動的次數愈少,頻率愈低;電磁波的波長愈短,1秒鐘內振動的次數愈多,頻率愈高,因此波長與頻率成反比。

電磁波如何分類與應用?

通訊電磁波頻譜如圖二所示,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),電磁波可以用來無線通訊或有線通訊,特性如下:

★ 頻率KHz的電磁波:應用在航空無線電、海底電纜、電話與電報等,如果應用在有線通訊通常使用「雙絞銅線(Twisted pair)」為介質,就是我們使用的RJ45網路線。

★頻率MHz的電磁波:應用在無線電視、行動通訊(手機)、調幅廣播(AM)、業餘無線電、調頻廣播(FM)等;如果應用在有線通訊,通常使用「同軸電纜(Coaxial cable)」為介質,就是第四台用的有線電視傳輸線。

★ 頻率GHz的電磁波:其中頻率介於30~300GHz的電磁波波長大約1~10毫米(mm),因此又稱為「毫米波(mmWave)」,應用在衛星通訊、衛星定位、雷達與微波等,如果應用在有線通訊通常使用「波導(Waveguide)」為介質,波導是空心金屬管,可以讓電磁波沿著金屬表面傳播。

★ 頻率THz的電磁波:其中頻率介於300GHz~10THz的電磁波又稱為「兆赫茲」或「太赫茲(THz)」,屬於「遠紅外線(FIR:Far Infrared)」的一種,也就是未來6G要使用的電磁波。

★ 紅外光(IR:Infrared):頻率介於10~400THz的電磁波,應用在電視或冷氣的遙控器,如果應用在有線通訊必須使用「光纖(Fiber)」為介質。

通訊元件只認頻率不認人 頻率不能重複使用

不同的通訊元件必須使用不同的頻率範圍來通訊,不然會互相干擾,因為「通訊元件只認頻率不認人」,而頻率不能重複使用代表有人在管理這些頻率,負責頻譜分配的在美國是「聯邦通信委員會(FCC)」,在台灣是「國家通訊傳播委員會(NCC)」。

無線通訊的頻譜分配非常嚴格,執照費用也很高,因為無線通訊的傳輸介質是我們眼睛可以看到的空間,而我們大家是共用同一個空間,所有的訊號都往同一個空間裡丟,如果頻率相同會互相干擾。

例如:收音機用了,無線電視就不能用;無線電視用了,手機就不能用。中華電信用了,台灣大哥大就不能用。

因此各家電信業者都必須取得使用執照才能經營無線通訊業務,由於可以使用的頻率範圍有限,通常會以公開標售的方式讓出價最高的電信業者取得使用執照,當然最後這個費用會轉嫁到使用手機的消費者身上!

5G系統建置需要時間 建議2021年再換手機

5G的官方名稱定為「新無線電(NR:New Radio)」,電信系統包括「無線接取網路(RAN:Radio Access Network)」與「核心網路(CN:Core Network)」,進度分為兩個階段:

5G新無線電第一階段(5G NR Phase I):2019年開始佈建,使用電磁波頻率3~6GHz的「sub-6GHz」,與現有4G LTE特性相似,技術障礙較低,但是上網速度增加不多,這是為什麼常看到新聞裡提到和4G速度差不多的原因之一,當然目前電信公司5G系統佈建不足還是主要原因。

5G新無線電第二階段(5G NR Phase II):2022年預計開始佈建,使用電磁波頻率20~60GHz的「毫米波(mmWave)」,繞射特性差,基地台數目大量增加,技術障礙較高,可以大幅增加上網速度,我們常在新聞裡看到5G的資料傳輸率要達到10Gbps以上,要到第二階段才能達成。

由於目前電信公司5G系統佈建不足,因此2020年買5G手機其實用處不大,建議使用者2021年再考慮更換5G手機比較合適。

那麼5G使用毫米波,6G使用太赫茲各有那些特性呢?且聽下回分解。

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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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