實現次世代移動通訊「6G」的技術（下）

如果以2030年當作6G商轉的目標年，大概在2025年就要開始關鍵技術的研發。亟待開發的關鍵技術不只是無線通訊技術，還包含了社會基礎設施的進化技術。本篇將簡要說明幾個特別重要的關鍵技術，具體有（1）「超穎介面反射板」、（2）「通訊衛星」、（3）「類比RoF（Radio-over-Fiber）」等。

首先，先來介紹能擴大6G無線涵蓋範圍的「超穎介面反射板」。

「6G」系統用的毫米波跟次兆赫波等波長，是短於迄今所用的無線電波波長，波長愈短的電波優點是直線性高，但缺點是電波遇到牆壁等障礙物時就無法迂迴穿越，因此過去4G以前的系統可以迂迴接傳送收到訊號的區域，在5G以後的系統就難以傳送及接收得到訊號。

針對5G以後的系統無法迂迴傳送及接收電波的問題，可以利用表面及內部結構經過特殊加工·能控制調整反射角，稱作「超穎介面反射板」的人工反射板來解決。「超穎介面反射板」與一般的鏡面反射板不同的地方，在表面結構上利用特殊的大小尺寸設計來控制調整對特定波段的反射角。

因為智慧型手機與行動電話等終端設備隨使用者會到處移動，期望透過「超穎介面反射板」的反射角的動態變化可以對應終端設備的行動。能動態地控制調整反射角的反射板稱作「IRS（Intelligent Reflecting Surface）」或「RIS（Reconfigurable Intelligent Surface）」，目前也正在進行研發中。

圖1：超穎界面反射板的實證實驗案例。左（a）是使用超穎材料製作的毫米波用超穎界面反射板。反射角無法變換。中間（b）是可依照毫米波穿透與反射動態地邊換反射角的超穎界面反射板。右（c）是把穿透窗戶玻璃的毫米波集中成一個點的鏡片，稱作。「超穎介面鏡片」

資料來源：NTTDOCOMO白皮書「5G的高度化與6G」（2022年11月（5.0版）） https://image.itmedia.co.jp/l/im/ee/articles/2306/21/l_mm230621_device07a.jpg

其次，來介紹一下補足行動終端弱點的「假想化終端」。

智慧型手機及行動電話等終端設備與基地台間的訊號資料的傳輸速度並不是對稱的，由基地台傳送到終端，也稱作「下載」的傳送速度非常地快；而從終端傳送到基地台，也稱作「上傳」的傳送速度很顯著地慢。這種非對稱性是反映使用者的使用方式（以下載為中心），也是迄今比較適當的配置。但是，如果使用者有大容量的資料必須連續地傳送時，就會被這種非對稱性所限制，抑或是終端的硬體本身就不適於大容量資料傳輸，終端為維持攜帶的便利性，從設計上就限制大小跟重量。大容量資料檔案傳輸會導致激烈消耗電池的電量，而加大電池容量又會增加終端的重量，結果是要具備大容量資料傳輸功能的話，將會招致終端尺寸加大，怎麼樣都不是終端設備製造商及使用者所樂見的結果。

為解決上述問題，不是由終端設備與基地台直接進行接收及傳送，而是透過接近終端設備的多數裝置與多數的基地台進行大容量資料傳輸，這就是「假想化終端」的概念。接近終端設備各種裝置（如智慧眼鏡、智慧手錶、電腦等）間的傳送距離都很短，傳送電力也不用增加太多就可以傳送大檔案資料到終端設備，各個裝置也能把終端傳送的資料再上傳到部分的基地台。

圖2：假想終端的概念

資料來源：KDDI、「Beyond 5G/6G白皮書」（2021年10月（2.0.1版）） https://image.itmedia.co.jp/l/im/ee/articles/2306/21/l_mm230621_device08.jpg

再來介紹的是：不論海上、空中、宇宙中都可以通訊的「衛星」系統。

「6G」系統特色中「擴張性」的需求就是要「所有的地方」都可以通訊，「所有的地方」不只包含陸地上的山區及偏遠地區、離島等過去行動通訊難以涵蓋的區域，也包含海上的船舶、空中的飛機等，特別是對稱作「非陸上網路（NTN：Non-Terrestrial Network）」陸地上以外的移動通訊系統，以不受地理上限制的網路而受到注目。

在關鍵技術中最能夠解決「擴張性」與「NTN」需求的就是「通訊衛星」，目前人造衛星在播放服務及通信服務都已經商業化，更被期待今後與行動通訊系統有更強的連結。

非路上網路（NTN）及6G系統可以使用的通訊衛星依高度不同可分為以下三種：繞行在高度3萬6千公里的「靜止衛星（GEO：Geostationary Orbit satellite）」、繞行在高度300公里到2,000公里的「低軌道衛星（LEO：Low Earth Orbit satellite）」、飛行在高度20公里左右的「HAPS（High Altitude Platform Stations）」，HAPS也被稱作高空偽衛星、高空無人機、高空平台或是成層圈平台等。

圖3：使用衛星及HAPS擴張海陸空涵蓋範圍的想像圖。高度愈高涵蓋範圍愈廣，通訊所需要的時間也愈長

資料來源：NTTDOCOMO白皮書「5G的高度化與6G」（2022年11月（5.0版））

 https://image.itmedia.co.jp/l/im/ee/articles/2306/21/l_mm230621_device09.jpg

GEO雖然可以涵蓋地面上半徑1,000公里以上的超廣泛地域，但因訊號傳遞遲延的時間單程就需要120毫秒，耗時稍長，不適用於低延遲需求的用途，現在已經使用在移動通訊系統中的行動網路回傳上。

LEO的涵蓋範圍是地面上數百公里廣泛地域，訊號傳遞遲延時間單程也只要數毫秒的極短時間，現在已經用在行動衛星電話系統及衛星感測（用感測器觀測大氣及地表的變化）。最後，HAPS因為高度上處於低高度，訊號傳遞遲延時間單程不到1毫秒甚至還要更短，但涵蓋範圍只有在半徑50公里左右的地域，所以已經是通訊衛星中最受到注意的領域，目前可以想到的使用方式例如像是利用搭載太陽能電池模組的滑翔機當作臨時基地台。

最後再來介紹與基地台分割與高密度化密不可分的「類比RoF（Radio-over-Fiber）」。關鍵技術中「類比RoF（Radio-over-Fiber）」技術是實現「6G」系統中「使用者中心架構」最關鍵的技術。

「使用者中心架構」與「假想化終端」等概念是以單一平面上高密度配置龐大數量的基地台為前提，基地台大致是由天線、增幅器、A-D／D-A變換迴路、光電變換迴路、訊號處理迴路等所組成。如果考量到基地台的裝設成本、稼動成本、裝設所必需的工程等可投入資源，要用裝設由天線等各種零組件所組成的基地台是非常困難的事。

圖4：利用類比RoF（Radio-over-Fiber）將基地台的功能分離與集中。左邊是外站基地台主要是與多數的終端接傳送訊號，右邊是內站基地台負責連接多數外站基地台處理訊號。外站基地台與內站基地台間用光纖網路傳遞訊號。

資料來源：NTT技術期刊、2020年3月號、pp.15-17  https://image.itmedia.co.jp/l/im/ee/articles/2306/21/l_mm230621_device10.jpg

對智慧型手機與行動終端而言，最重要的是傳送及接收無線訊號的另一端，說的極端一點就是「可以用來通訊的天線數量」，所以把基地台分成由天線及增幅器所組成簡單且低成本的外站基地台，與由訊號處理迴路及連接固定網路部分所組成高成本的內站基地台，之後大量且廣泛地裝設低成本的外站基地台，以達成可以實現「使用者中心架構」的數量的天線，由單一內站基地台統整處理傳送多數的外站基地台的訊號。

在這樣的架構中最重要的就是「類比RoF（Radio-over-Fiber）」技術，將外站基地台與內站基地台用光纖網路連結，並且外站基地台不將無線訊號轉換成數位訊號，直接將類比無線訊號利用光強度變調透過光纖網路傳送，如此外站基地台也不需要超高速的A-D／D-A變換迴路，還可以再降低生產成本。

其他關鍵技術

除了以上這些發展「6G」通訊系統的關鍵技術外，6G通訊系統用晶片亦為關鍵技術中的一個。6G通訊系統用晶片不僅可用於智慧型手機及行動電話外，「假想化終端」的智慧眼鏡、智慧手錶、電腦、車載通訊等終端設備，甚至連內站基地台中都必須使用到。但6G通訊系統晶片為了要能滿足6G通訊系統特色的「高速、大容量」、「低延遲」、「多數同時連接」、「自律性」等特性，不可避免地就會消耗大量電力，該如何達成僅消耗目前5G通訊系統百分之一電力的超低消耗電力的特性就是一大課題，目前關於應用於6G通訊系統的低損耗熱材料及結構的研究也正在進行中。

對於6G通訊系統的應用，已有許多先進提出可讓遠距醫療及遠端手術等醫療保健方面，也有用於AR、VR等沉浸式體驗的娛樂方面；但在行動交通方面，如果要達成LEVEL3以上的自動駕駛，將必須應用到6G通訊系統，在使用者中心架構下，只要使用到6G通訊系統的道路基礎設施、車輛及行人透過的低延遲性在極短的時間內，互相傳遞處理各個資訊，即時地讓車輛、行人等道路使用者能夠做出反應，提高安全性和交通管理水準。

FIND觀點

隨著通訊技術朝著6G的進步，我們期待未來不僅有比現在更高速、更省電、傳遞更大容量的網路資源可以使用，在應用領域上，我們在未來科幻電影中看到的量子電腦、無人駕駛車、飛天車、全息通訊、全域覆蓋影像將逐漸進入我們的現實生活中。

 

封面圖片來源：6G示意圖  https://www.ctee.com.tw/news/20230610700268-430502

參考資料來源：

1.NTTDOCOMO白皮書「5G的高度化與6G」（2022年11月（5.0版）） https://image.itmedia.co.jp/l/im/ee/articles/2306/21/l_mm230621_device07a.jpg

2.KDDI、「Beyond 5G/6G白皮書」（2021年10月（2.0.1版）） https://image.itmedia.co.jp/l/im/ee/articles/2306/21/l_mm230621_device08.jpg

3.NTTDOCOMO白皮書「5G的高度化與6G」（2022年11月（5.0版））