在今年的美國紐約布魯克林5G高峰會(Brooklyn 5G Summit)上,紐約大學(NYU)教授Ted Rappaport的簡報介紹了在大概2030年到2035年之間會變成6G技術的初步研究;相關內容細節已經由IEEE發表,論文題目為《100GHz以上的無線通訊與應用:6G及以上的機會與挑戰》(Wireless Communications and Applications Above 100 GHz: Opportunities and Challenges for 6G and Beyond,按此下載)。

Rappaport在他的簡報中指出,5G花了十五年時間達成初次佈署,他認為6G會花相同的時間──為何能超越5G?在上述論文中解釋,需要更快的無線通訊速度來跟上不斷提升的運算力,這也創造新的商機。到2036年,我們可能花1,000美元就買得到擁有等同人腦運算力的電腦,雖然以THz訊號為基礎的無線網路速度還不夠快、跟不上那樣的運算力,但已經讓我們越來越接近了,也許7G通訊就能達到。

由Rappaport發起的紐約大學無線中心(NYU Wireless)研究專案,正著眼於100GHz以上頻率、通道資料傳輸速率100Gbps的技術;考量到美國聯邦通訊委員會(FCC)已經釋出21.2GHz的95GHz以上頻譜,此技術可能在美國進行測試。

達成6G需要什麼?大量的研究,包括電氣與生物領域的研究。在電氣領域,THz訊號會帶來新的問題,但也會有實現新應用的潛力,例如5G訊號無法支援的感測(sensing);舉例來說,能夠「看」到拐角處,以及可能感測到人們在房間中的位置。

儘管如此,仍需要特徵化THz頻道,因為如此短的波長會讓例如建築物材料的粗糙度等因素,影響到訊號的吸收或反射。試想某些建築材料就像無響室(anechoic chambers)的牆壁那樣;圖1所示為Rappaport在簡報中描述在一般建築材料中的訊號損失。

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圖1:普通建築材料造成的訊號損失,可能會催生能最小化THz訊號損失的未來建築材料。
(來源:NYU Wireless)

而我們通常會認為當頻率提升,一定會讓訊號衰減越來越大,但6G就不一定了;考量在雨中的訊號衰減,如Rappaport在布魯克林5G高峰會的簡報資料指出,研究顯示,在大約100GHz的頻率時,訊號衰減會呈現平穩(參考圖2)。

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圖2:研究顯示,雨水導致的訊號衰減會在100GHz時呈現平穩;頻率升高,雨致衰減並沒有隨之升高。
(來源:NYU Wireless)

THz頻率的另一個電氣問題也與波長有關,是在天線和電子元件方面。也就是說,當天線變得如此之小,其電子元件成為尺寸上的限制因素;因此電子元件可能無法整合到天線中,像是今日的28GHz與39GHz 5G頻率那樣。而事實上,當工程師嘗試縮小放大器與其他零組件的同時,發熱會是更大的問題。

此外THz訊號的功率放大器會比運作於100GHz以下頻率的放大器有更嚴重的雜訊問題,這或許可以透過一種「空間過採樣天線」(spatially oversampled antennas)概念來補救。空間過採樣天線會產生「錐形靜音區」(cones of silence),也就是一個天線陣列的錐形支撐區(region of support,ROS)。其設計目標是將雜訊以及其他不良因素移出到可用現場以外的區域,這種電路可能是以積分-微分調變(Σ-Δ) ADC與DAC為基礎,其中回饋迴路用以改善解析度。

而如果不提及對於人體健康的影響以及進一步研究的需要,有關毫米波(mmWave)與THz訊號的討論就不完整了。在生物學方面,上述論文的作者們表示:「發熱被認為是主要的致癌風險,」但是還需要更多的努力去「了解THz輻射對人體健康的生物性與分子性影響,」儘管THz頻率比X光的游離輻射(ionizing radiation)頻率低了三級。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Initial 6G work is underway,by Martin Rowe)