【認識5G專題報導5-3】為什麼5G使用毫米波(mmWave) 6G使用太赫茲(THz)？
在上一篇＜5G的意義二：什麼是毫米波與太赫茲？＞裡我們談到通訊電磁波頻譜如圖一所示，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)。那麼到底不同頻率的電磁波有什麼不同的特性和應用呢？
頻率愈低繞射效果愈好(KHz>MHz>GHz)
繞射效果愈好代表可以在傳遞途中繞過障礙物，因此雖然基地台在室外，但是頻率MHz的電磁波可以繞過牆壁進入室內，我們在室內可以講手機，收音機在室內可以聽音樂，而衛星通訊使用GHz的電磁波無法繞過屋頂，因此必須在屋頂安裝碟型天線接收訊號再傳送到室內。
同理，室內收不到衛星定位(GPS)的訊號，顯然低頻電磁波的通訊死角比較少，所以比較方便，但是電磁波的頻率愈低波長愈長，代表天線愈長不容易縮小，如何設計天線是另外一個問題。
頻率愈高可用頻寬愈寬(GHz>MHz>KHz)「頻寬(Bandwidth)」是指可以傳遞訊號的頻率範圍，單位是「赫茲(Hz)」，計算的方法很簡單：用減法，計算方式如下：➩ 1KHz到10KHz的頻寬是9KHz。➩ 1MHz到10MHz的頻寬是9MHz。➩ 1GHz到10GHz的頻寬是9GHz。
由上面的計算可以發現，9GHz是9MHz的1,000倍，9MHz又是9KHz的1,000倍，因此頻率愈高可用的頻寬愈寬，顯然高頻電磁波的通訊速度比較快，所以比較方便，此外，高頻電磁波的射頻元件工作頻率高，製作困難價格高。
6G為什麼使用太赫茲(THz)電磁波？經由上面的介紹會發現，繞射效果最好的是KHz的電磁波，頻寬效果最好的是GHz的電磁波，兩者互相矛盾，因此最先被人類大量使用的是特性介於兩者之間頻率MHz的電磁波，無線電視、行動通訊、調幅廣播(AM)、調頻廣播(FM)都先用這個頻率，用完了該怎麼辦呢？總不能往下挖KHz的電磁波吧！前面介紹過KHz的頻寬太窄根本不夠用，因此只能往上挖GHz的電磁波了！
第二代行動電話(2G)原本使用900MHz，就是所謂的「GSM900」，後來要再增加頻率只能提高到1800MHz，就是所謂的「GSM1800」，那麼3G和4G要再增加頻率只能提高到1~3GHz，現在5G第一階段要再增加頻率只能提高到3~6GHz，就是所謂的「sub-6GHz」，5G第二階段要再增加頻率只能提高到20~60GHz，就是所謂的「毫米波(mmWave)」，那麼6G要再增加頻率怎麼辦？當然只能再往上挖使用頻率THz的「太赫茲」電磁波囉！
頻率愈高繞射效果愈差該怎麼辦呢？3G和4G使用1~3GHz的電磁波在室內勉強還可以收到，但是5G第一階段使用3~6GHz的電磁波在室內收訊效果就變差了！而5G第二階段使用的毫米波在室內幾乎沒有訊號該怎麼辦呢？解決繞射問題的方法是大量建置基地台，因此5G第一階段(Sub 6GHz)的基地台數量是4G的2倍；5G第二階段毫米波的基地台數量是4G的10倍，如表一所示。
許多人聽到5G要建置這麼多基地台，想想都覺得發毛，其實這個不必擔心，前面介紹過同一個空間如果頻率相同會互相干擾，因此每個基地台都會限制通訊範圍，避免干擾別的基地台，意思是：基地台愈多，每個基地台的通訊範圍愈小，電磁波的功率愈小，因此不必太過緊張。
此外，基地台的通訊範圍愈小，服務的人數就愈少，每個人分到的資料傳輸率愈高，要讓大家上網速度變快，則基地台的通訊範圍愈小愈好，因此5G和未來的6G是朝向「小型基地台(Small cell)」。
5G未來發展：sub-6GHz完全覆蓋地面 毫米波以熱點方式運作5G的基地台目前是以頻率6GHz以下(sub-6GHz)的電磁波比較可行，繞射效果好，基地台數目大約是4G的2倍；但是毫米波由於繞射效果不好，必須建置大量基地台，未來是否能夠完全覆蓋地面還有待觀察，或許在人多的地點以「熱點(Hotspot)」的方式建置比較可行，而且基地台的通訊範圍愈小能夠提供更多人高速上網。
5G的毫米波基地台和Wi-Fi熱點類似，兩者的差異在那裡？基本上是方便性，因為5G系統的基地台之間可以自動「換手(Hand off)」，前面介紹過每個基地台都會限制通訊範圍，避免干擾別的基地台，當使用者移動時基地台會自動切換到另外一個基地台稱為換手，使用者可以持續通話或上網，完全沒有感覺，但是Wi-Fi熱點必須由使用者搜尋後再輸入密碼連線，顯然比較麻煩。
另外一個問題是，如果5G真的吃到飽，那Wi-Fi是不是就消失了？如果大家都用5G上網吃到飽，代表每個人分到的速度變慢，使用上並不是那麼方便，而Wi-Fi大部分是私人網路使用人數少，Wi-Fi熱點連接有線通訊速度也快，因此Wi-Fi和5G是不同的市場，還是有一定的需求。
6G使用太赫茲電磁波難度高有待解決由於頻率介於300GHz~10THz的「太赫茲」電磁波屬於遠紅外線(FIR)，它的繞射特性比毫米波更差，因此通訊上的問題很多難度很高，美國國防部下屬的國防高等研究計畫局(DARPA)從2016年開始，就與非營利組織及十多家私營企業合作開始一個由30多所美國大學組成的合作研究項目「聯合大學微電子學計畫(JUMP：Joint University Microelectronics Program)」，而太赫茲的感測器與通訊技術就是這個研究計畫的項目之一。
延伸閱讀：【認識5G專題報導5-1】5G時代來臨 3秒下載電影不是重點【認識5G專題報導5-2】什麼是毫米波(mmWave)與太赫茲(THz)？
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。