• 收藏

  • 点赞

  • 评论

  • 微信扫一扫分享

真正的6G来了!使用太赫兹(THz)电磁波带宽可达5G的100倍

来源:曲博科技教室

#曲博科技教室#

09-24 11:00

【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!

责编: 爱集微

爱集微

作者

微信:

邮箱:jiwei@lunion.com.cn

作者简介

读了这篇文章的人还读了...

关闭
加载

PDF 加载中...