還記得 1977 年上映的星際大戰〈Star Wars〉嗎？這部經典的科幻電影中，有著能投射出 3D 立體莉亞公主、且能與其即時對話的場景。在當時，全像投影讓所有影迷覺得超酷！成為了眾多科幻影劇的預設科技。現在，這項全像投影與傳輸技術，隨著 6G 通訊技術的成熟，將不再只是想像中的場景。
&nbsp;
不過，要能讓科幻電影中的場景變成真實，首先，6G 通訊就必須要解決「如何在傳遞更大量的資訊同時，能更高效、更快、更強、更聰明」的技術難題。
&nbsp;
國立中山大學電機工程學系（所） 便以「中頻高頻段 MIMO 多天線系統與結合 MIMO 可重置智慧表面平臺開發及其系統驗證」這項研究，獲得國科會補助，該計畫中的相關關鍵技術，將具有在未來全球 6G 中頻高頻段的產業應用性。
&nbsp;
雖然 MIMO 聽起來很可愛，但「中頻高頻段 MIMO」到底是什麼呢？
&nbsp;
國立中山大學通訊工程研究所溫朝凱教授為計畫中的主要參與者，他解釋，「中頻高頻段 MIMO 多天線系統」包含了兩個專有名詞，其一是「中頻高頻段」，其二是「MIMO 多天線系統」。
&nbsp;
首先，我們來談，「中頻高頻段」是什麼。
&nbsp;
<h2>中頻高頻段，眾所矚目的下世代領先頻譜</h2>
無線通訊利用電磁波來傳送和接收資訊。而無線電頻譜，是指無線電波在電磁波頻譜中，所占用的範圍。
&nbsp;
無線電頻譜可以分為不同的頻段，每個頻段有其特定的應用和技術標準。在行動通訊中，頻段一般可粗略分為低頻、中頻和高頻，每個範圍具有其特定的特性和應用。
&nbsp;
簡單來說，低頻頻段，通常是低於 1 GHz 的頻率。具有很好的穿透能力和覆蓋範圍，能夠穿透建築物和自然障礙，也適合於廣域覆蓋和鄉村地區的通信，但頻寬相對較小，因此資料傳輸速度可能不如高頻頻段快。
&nbsp;
而中頻頻段，大約在 1 GHz到24 GHz 之間。它是一個平衡的選擇，具有適中的覆蓋範圍和穿透能力，同時提供了比低頻段高數據傳輸速率。常用於城市和郊區地區，可以滿足更高的資料傳輸需求。
&nbsp;
高頻頻段，通常指的是 24 GHz 以上的頻率，包括毫米波頻段。高頻信號提供了大頻寬和非常高的資料傳輸速率，但它的覆蓋範圍有限，穿透力差，容易受到物理障礙的影響。因此，高頻頻段需要設置更多的基站，才能夠保證覆蓋。
&nbsp;
溫朝凱教授進一步解釋，「在 4G 及之前的行動通訊系統中，主要使用低於 6GHz 的頻段。然而，由於這些頻段嚴重的頻譜短缺，5G 通訊系統特別引入在 24 GHz 以上的毫米波（mmWave） 頻段。在毫米波頻段，5G 系統可獲得的頻譜分配高達 400MHz，是之前低於 6 GHz 頻段分配的好幾倍。然而，毫米波信號先天的射程限制和高度易被遮擋的特性，使得其性能通常是間歇性的，並且對室內滲透性有限。」
&nbsp;
那怎麼辦？只好再找其他方案了。就 6G 通訊來說，這個方案，必須有三項特點，一是能提供覆蓋和頻譜的良好平衡、二要能克服低於 6 GHz 頻段的頻譜短缺，三得有相對於毫米波頻段，有更好的傳播和滲透性——而中頻高頻段（約 7-24 GHz），就是這個解決方案。
&nbsp;
具備三項優勢的中頻高頻段，也在下世代的行動通訊中受到廣泛關注，被業界視為下一代（NextG，5G 及以後）無線網路的領先候選頻譜。
&nbsp;
<h2>MIMO 多天線系統，新世代的通信技術</h2>
再來，是「MIMO 多天線系統」，可簡稱為 MIMO 系統，這是一種無線通信技術。
&nbsp;
溫朝凱教授解釋，在傳統的無線通信系統中，數據的傳輸，會透過一個發射天線，和一個接收天線進行。但在 MIMO 系統中，數據會被分成多個獨立的信號，這些信號同時通過多個發射天線發送，並由多個接收天線接收。如此一來，便可以增加傳輸的信號量、提高數據傳輸速率。
&nbsp;
就拿星際大戰裡頭的莉亞公主投影來舉例。傳統的無線通信系統，要傳輸一個莉亞公主的全身影像，就會整包「莉亞公主全身畫面」的訊息，透過一個發射天線發射出去，再由一個接收天線接收訊息，接著我們就可以依序得到莉亞公主的手、莉亞公主的頭、莉亞公主的腳，最終得到整個莉亞公主的全身畫面。不過，我們還可以傳輸的更快。
&nbsp;
在 MIMO 系統中，莉亞公主的影像會被分成多個獨立信號。我們假想，某包信號是莉亞公主的手畫面、某包是莉亞公主的頭畫面、某包是莉亞公主的腳畫面（當然實際上資訊會拆分的更細），總之，信號被拆分後，A 發射天線發射出莉亞公主的手畫面信號，由 A’ 接收天線同時接收，同時，B、C 組的發射天線也分別發射莉亞公主的頭和腳，分別由 B’、C’ 接收天線同時接收，這樣一來，同時抵達的訊息，就能組成一個同樣完整且更快速的莉亞公主影像了。
&nbsp;
<div class="py-6">
<div class="jsx-3968805167 flex justify-center -mx-2">
<div class="jsx-3968805167 px-2">
<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2024/06/14-1_800x460.png" />
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">在MIMO 系統中，要投影的影像會被分成多個獨立信號。</div>
</div>
</div>
</div>
</div>
但你可能很快就發現，使用 MIMO 系統，就需要和多路徑傳播結合。
&nbsp;
相較於毫米波等的高頻段，低頻段由於衰減較小，因此，只要增加更多的天線，就能提供更多傳輸的渠道，隨著天線數量增加，通訊傳輸的速率也將相應提升。
&nbsp;
溫朝凱教授進一步解釋，在 5G 中，3.5 GHz 的頻段，比較容易達成 MIMO 系統的需求。但前面說到，由於低於 6 GHz 頻段的頻譜短缺，不容易獲取較大的頻譜，因此靠近中頻帶的合適頻譜（即 7.125-15.35 GHz 範圍）和 MIMO 系統再次結合，這就誕生了我們的主角——中頻高頻段 MIMO 多天線系統。
&nbsp;
MIMO 多天線系統，確實有望可以帶來更快更好的通訊表現，但是，它也有其局限。
&nbsp;
<h2>突破技術困難，臺灣研究團隊領先全球</h2>
當談到無線信號的傳播和穿透，將會發現，隨著頻率的增加，信號的損失也會增加。這種損失增加的現象意味著從發射天線到接收天線的過程中，信號經歷的多條路徑可能會減少——這可能會影響 MIMO 系統的能力。
&nbsp;
那怎麼辦呢？
&nbsp;
在這種情況下，如果能在接收端附近放置一個反射板或一種特殊表面，這些表面能將反射回來的信號重新導向接收端，就可以進而增強信號的接收效果。
&nbsp;
「可重置智慧表面」，就是這個解方。
&nbsp;
可重置智慧表面，是由許多微小的單元組成，每個單元都可以動態地調整對撞擊它的電磁波的反應；不僅能控制反射波的方向，還能增強信號在特定區域的強度。
&nbsp;
不過，要將「可重置智慧表面」應用於「MIMO 多天線系統」中則是一大挑戰，主要是需要精準控制智慧表面，以確保信號能夠準確地反射和傳播。
&nbsp;
溫朝凱教授的團隊成功克服了這項重大挑戰，成為全球首個利用「可重置智慧表面」來增強「中頻高頻段 MIMO 多天線系統」的團隊。下一步，更即時的通訊傳輸，便即將實現。
&nbsp;
&nbsp;
（客座總編輯｜中興大學電機資訊學院 楊谷章院長；研究顧問團隊｜國立中山大學通訊工程研究溫朝凱教授；責任編輯｜曹盛威、趙筱文）