《AI時代系列(5)：掌握AI + 6G無線行動通訊網路 —— 超高速、零延遲、智慧城市全攻略 🌐》
2/100 第1周：無線通訊基礎
2. 電磁頻譜 🌈
從收音機到 5G 毫米波，頻率是資訊的高速公路！
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🎯 單元導讀
電磁頻譜（Electromagnetic Spectrum）指的是所有 電磁波頻率的排列範圍，涵蓋從極低頻的長波（ELF）到極高頻的伽瑪射線（Gamma Ray）。
在通訊領域，我們最關注的是 3 Hz – 300 GHz 之間的「無線電波段（Radio Spectrum）」。這是人類日常生活與產業應用的核心領域：
• AM 廣播 → 低頻
• FM 廣播、電視 → 中高頻
• 行動通訊（2G–5G） → UHF 與微波
• Wi-Fi、衛星 → 微波
• 5G 毫米波、未來 6G 太赫茲
頻譜就像「看不見的土地資源」：
• 頻率越低 → 覆蓋廣，但頻寬小。
• 頻率越高 → 頻寬大、速率快，但覆蓋差、需大量基地台。
👉 頻譜規劃與分配 是電信產業的戰略核心。
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🧠 一、電磁頻譜的分段與特性
（1）無線電波範圍（3 Hz–300 GHz）
1️⃣ 極低頻 ELF (3–30 Hz)
• 特性：波長上萬公里，可穿透海水。
• 應用：深海潛艇通訊（軍事專用）。
2️⃣ 低頻 LF (30–300 kHz)
• 特性：繞射能力強，可跨越山脈。
• 應用：航海、氣象。
3️⃣ 中頻 MF (300 kHz–3 MHz)
• 特性：地波 & 電離層反射。
• 應用：AM 廣播。
4️⃣ 高頻 HF (3–30 MHz)
• 特性：電離層反射，可傳至上千公里。
• 應用：短波廣播、軍事、航空長距離通訊。
5️⃣ 甚高頻 VHF (30–300 MHz)
• 特性：直線傳播，干擾少。
• 應用：FM 廣播、電視、航空管制。
6️⃣ 超高頻 UHF (300 MHz–3 GHz)
• 特性：可穿透建築，兼具覆蓋與容量。
• 應用：手機 2G/3G/4G、數位電視。
7️⃣ 微波 (3–30 GHz)
• 特性：大頻寬、低延遲。
• 應用：Wi-Fi、雷達、衛星通訊、5G Sub-6 GHz。
8️⃣ 毫米波 (30–300 GHz)
• 特性：超高頻寬，容量極大，但傳輸距離短，容易受阻。
• 應用：5G mmWave、6G 太赫茲高速連結。
（2）趨勢與挑戰
• 5G：引入毫米波 → 解決高頻寬需求。
• 6G：規劃太赫茲（0.1–10 THz） → 支援 Tbps 級別速率。
• 挑戰：高頻段容易受雨衰、牆壁阻擋，需 波束賦形（Beamforming） 與 小基站密集部署。
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🧠 二、頻譜的應用與規劃策略
• 農村 & 偏遠地區 → 採用低頻（700 MHz） → 基站少、覆蓋廣。
• 都市高密度區域 → 使用中高頻（3.5 GHz） → 容量大，適合商業與住宅。
• 室內熱點、演唱會、大型場館 → 部署毫米波（28 GHz） → 超高流量需求。
• 未來智慧城市 → 6G 太赫茲 → AIoT、沉浸式 VR/AR、智慧醫療。
👉 結論：頻譜不是「誰最好用」，而是「根據場景選對的頻段」。
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💻 三、ASCII 示意圖
🌈 電磁頻譜與應用分佈
頻率低 -------------------------------> 頻率高
波長長 -------------------------------> 波長短
📡 無線電頻段與典型應用
• LF（Low Frequency，低頻）
‧ 例子：潛艇通信
‧ 用途：長波導航、海軍潛艇通信
• MF（Medium Frequency，中頻）
‧ 例子：AM 廣播
‧ 用途：中波廣播、緊急訊號
• HF（High Frequency，高頻）
‧ 例子：短波、軍事電台
‧ 用途：國際短波廣播、航空/船舶通信
• VHF（Very High Frequency，很高頻）
‧ 例子：FM 廣播、電視
‧ 用途：FM 廣播、地面電視、航空通信
• UHF（Ultra High Frequency，特高頻）
‧ 例子：手機 2G～4G、數位電視
‧ 用途：行動通信、數位電視、無線麥克風
• 微波（Microwave）
‧ 例子：Wi-Fi、衛星通訊
‧ 用途：無線區域網路、點對點微波、衛星連結
• 毫米波（Millimeter Wave）
‧ 例子：5G mmWave、VR/AR/雲遊戲
‧ 用途：超高速行動寬頻、短距離高容量傳輸
• 太赫茲（THz）
‧ 例子：6G 應用、醫療、AIoT
‧ 用途：超高速 6G 通訊、感測、醫療影像、AIoT
👉 說明：
頻率越高 → 容量越大、速率越快，但覆蓋距離越短。
因此，頻譜使用必須結合 地理環境 + 業務需求，才能達到最佳平衡。
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🧩 四、模擬題
1️⃣ 專業題
題目：解釋「低頻、中頻、高頻」在傳輸距離、頻寬容量上的差異，並說明為什麼電信業者必須同時持有多種頻段。
答案：
低頻（1 GHz 以下）傳輸最遠、穿透力最強，但頻寬小、容量低；
中頻（1–6 GHz）距離與容量平衡，速率比低頻快，是現在 5G 主力；
高頻（毫米波/太赫茲）頻寬最大、速率超快，但距離短、怕阻擋。
電信業者同時持有多種頻段，才能兼顧「廣覆蓋＋高速度」，不同場景都能滿足。
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2️⃣ 應用題
題目：如果電信要規劃「智慧農業 5G 網路」與「都會區 5G 網路」，你會如何分配 700 MHz 與 3.5 GHz 頻譜？
答案：
智慧農業偏遠、範圍大，人少，用 700 MHz 低頻段：穿透力強、一座基站可服務大片農田、成本低；
都會區人口密集、流量大，用 3.5 GHz 中頻段：頻寬大、速度快、能支撐高流量。
這樣分配農村省成本又有基本連線，都市則提供真正的高速 5G 體驗。
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3️⃣ 情境題
題目：當 6G 太赫茲頻段開放後，你認為哪一種 AI 驅動的應用最能展現其價值？請設計一個商業場景並解釋理由。
答案：
可以推出 AI 驅動的即時全息遠端手術/培訓平台：
太赫茲頻段頻寬極大、延遲極低，可即時傳輸多視角超高畫質影像與觸覺回饋；
AI 同步分析生理數據、協助醫師決策，並把手術影像投射到遠端教學現場；
價值在於偏鄉也能享有高水準醫療，醫師可跨國即時手術或教學，建立全新醫療教育商業模式。
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✅ 五、小結與啟示
• 頻譜是無線通訊的土地資源 → 稀缺且需要國家分配。
• 低頻：覆蓋廣，適合農村與偏遠地區。
• 中高頻：容量佳，適合都市與企業用戶。
• 毫米波 & 太赫茲：高容量、低延遲，推動 5G/6G 高速應用。
• 頻譜規劃必須平衡 覆蓋率、容量需求、建設成本。
👉 一句話總結：頻譜管理是電信營運的靈魂，誰能靈活運用不同頻段，就能在數位競爭中領先一步。
