HHRI/6G訊號應用的限制與發展機會

【鴻海研究院】
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隨著通訊技術的發展,未來在B5G/6G世代,無線通訊將全方位地滿足人類及機器等無所不在的智慧聯網,包括智慧交通、智慧物流、智慧醫療等新興產業領域,並對整個通訊產業帶來新的發展。

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未來的無線設備發展,將朝向更高頻率及更高密度的設備等發展趨勢,同時也帶來許多挑戰。新加坡科技設計大學教授Tony Q.S. Quek提出,透過6G訊號的高頻、寬頻及多天線的設計,將訊號的衰退程度及雜訊的大小,用於室內定位及周遭環境感知使用。

相較於4G,5G 網路提供了更高的頻寬及更低的延遲,主要是仰賴更高的頻率、更寬的波段,以及多基地台同時服務的方式達成。更高的頻率,如5G中的 mmWave 毫米波,可以有一般家庭使用的6GHz以下頻段的10倍傳輸速率。此外,使用多輸入多輸出系統(Multi-input Multi-output ; MIMO),則是同時使用多組天線在基地站與用戶終端做資料傳輸,可以大幅增加頻寬及穩定性。

Tony Q.S. Quek提到,未來6G網路使用的頻率將會比5G更高,以符合越來越高的頻寬需求。目前5G網路使用的頻率是3~30GHz ,預期6G會使用到 30GHz~3THz 的頻率,整整高了10到100倍,這也意味著會有更高的干擾及低穿透性。一般而言,相同功率下,高頻率代表資料傳輸速度快,並能穿透牆壁等障礙物;低頻率則代表速度較慢,卻能在複雜環境中有較好的穿越性。相較於傳統的3G及4G大型基地台,未來6G應該會像5G一樣需要佈建多而廣的小型基地台與多組天線。

目前,約200公尺就需要設置一台5G的基地台,隨之而來的是產生大量帶有5G基地台的智慧燈桿。基地台的形式從原本平均數公里就會在大樓頂端插得密密麻麻的天線,轉變成每一段距離放置一台小型筆電大小的機器。未來的6G,因為頻率更高,設置距離將會更短,可能家家戶戶門口都會需要裝一台,或是大型商場與辦公大樓會需要在走廊及辦公室牆壁上,貼上小型的天線陣列以增強建築物內的訊號。

隨著頻率越來越高,訊號的性質也與光波越來越接近,打出的訊號可能會在空間中經過多次反射才能被接收到。根據接收到的路徑不同,中間將會出現多個時間差,並收到像是回音般的訊號。對於傳統系統來說,這是需要被解決的雜訊,但是Tony Q.S. Quek認為,反而可以利用這個特性,作為「使用者終端」感知周遭環境的方法。

訊號從基地台送出到被接收的過程中,可以分成三種主要傳播路徑,第一種是直射,收送雙方中間並無障礙物阻隔,訊號可以直線抵達;第二種是經過光滑表面反射,這種路徑的傳輸,延遲雖然較第一種來得大,但訊號仍清晰;第三種則是經過粗糙表面反射,這種訊號會比第二種更為模糊且帶有雜訊。假使終端收到兩組強度相同的訊號,即可推測,第一組為直射的訊號,第二組則是反射的訊號,且根據時間差,又可推估出周遭可能有一面玻璃門,以及距離。這個原理有點像是洞窟中的蝙蝠主要是靠著發出聲波反射,以及其他同伴發出的聲響,而能在黑暗中飛行。

要將收到的資訊分成數個不同路徑所傳來的訊號並不簡單,就如同要清楚分辨出樂曲中每個樂器的演奏訊號一樣。如果是音色不同的樂器,可能較容易辨識;但如果是同一種樂器,僅是在演奏時降了半個音階,那就極為困難了。接收方收到的訊號強度及時間差,除了受周遭環境影響,也會因為頻率不同而有不一樣的結果,例如彩虹是因為折射率不同而分成多種顏色,6G的訊號如果同時用多組天線在不同的頻率傳輸,亦可藉此判斷中間經過的介質性質。

Tony Q.S. Quek認為,透過結合 MIMO 的多組天線的6G網路,與5G既有的多基地台同時服務的技術,加上更高效的運算晶片的出現,理應可以在任意終端,無須透過額外的設備即可做到室內定位以及感知周遭環境的技術。他也提出,能去正規化的表示各種接收訊號的方法,將其分類為直射、反射,以及訊號疊加的方式,並根據上述結果,反推出位置與障礙物資訊,並模擬在不同發射的訊號牆下,解析出來的正確性為何。

目前該技術雖然還有很多難題需克服,例如高頻且大量的天線,所接收的資訊量極大,若要針對一般使用者的終端裝置,如手機進行分析幾乎不可能;但要傳到雲端進行計算,又受限於資料量龐大,會占用掉大量的頻寬。所以如能設計出讓資料能在終端時先預作處理,再經由雲端結合各方資訊,進行最後的綜合判斷,應為可行的辦法。

全文轉載自鴻海研究院TECH BLOG

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