你應該知道的是：馬斯克的「星鏈計畫(Starlink)」不是5G更不是6G，未來5G和6G的主角還是地面基地台，衛星只是「配角」而已。6G真正的主角將是「兆赫茲(THz)」電磁波，雖然問題很多難度很高，但是如果開發成功6G的資料傳輸率將是5G的10~100倍，可達每秒100Gbps，甚至1Tbps以上。
第五代行動電話(5G：5th Generation)網路世代才剛要來臨，美國已經開始試驗第六代行動電話(6G：6th Generation)技術，6G的資料傳輸率將是5G的10~100倍，美國聯邦通信委員會(FCC)決定開放95GHz到3THz的電磁波頻率範圍作為試驗頻譜，正式啟動6G技術研發。其中T是「Tera」代表一兆，如表一所示，因此稱為「兆赫茲」，由於讀音為Tera因此又稱為「太赫茲」，「THz」的電磁波將是6G數據傳輸的關鍵技術之一，到底這是什麼技術？又會有那些特性呢？（延伸閱讀：別急著跟Musk起舞：誇大的衛星夢，別再說星鏈計畫是6G了！）
什麼是電磁波？
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)」的型式前進，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)：電磁波一秒鐘振動的次數，單位為「赫茲(Hz)」。
由圖中可以看出，電磁波的波長愈長，一秒鐘內振動的次數愈少，頻率愈低；電磁波的波長愈短，一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，就是我們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」，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 頻率不能重覆使用
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」，而頻率不能重覆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囉！
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1千倍，9MHz又是9KHz的1千倍，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。
5G系統建置需時 建議大家明年再換手機
5G的官方名稱定為「新無線電(NR：New Radio)」，包含「核心網路(CN：Core Network)」與「接取網路(RAN：Radio Access Network)」，核心網路是指雲端相關設備，接取網路是指基地台相關設備，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至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。
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至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至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(THz)」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至3GHz的電磁波，這在室內勉強還可以收到，但是5G第一階段使用3至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，在室內更幾乎沒有訊號，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(mmWave)的基地台數量是4G的10倍。
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，同一個空間內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。
再提醒大家一次，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)」發展而不是衛星。
5G未來：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WiFi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，其基地台會自動切換到另外一個基地台，這稱為換手，使用者可以持續通話或上網，完全沒有感覺，但是WiFi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WiFi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WiFi大部分是私人網路使用人數少，WiFi熱點連接有線通訊速度也快，因此WiFi和5G是不同的市場，還是有一定的需求。
6G使用太赫茲(THz)電磁波 難度高有待解決
由於頻率介於300GHz至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。
除了美國以外，中國大陸、日本、南韓、芬蘭、瑞典、德國、英國等通訊技術強國都加入6G技術研發的行列，在可以預見的未來，將會有更多的新科技等待大家去學習，現在就加入《曲博科技教室》和我們一起開始學習科技吧！
作者為台大電機博士，知識力專家社群創辦人。
責任編輯/周岐原
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