📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 11周: 🔭 太赫茲（THz）革命 × 光無線通訊 × 全雙工
6G 高频 × 光 × 激光鏈路的未來主戰場
101／150單元： THz 頻段特性 🔭 超高頻的物理限制
（THz Band Characteristics：Physical Limits of Ultra-High Frequencies）
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🎯 單元導讀
6G 的最終型態之一，就是進入「超高頻通訊」時代：
⭐ 100 GHz ～ 10 THz 的無線頻段，號稱下一個 Tbps 主戰場。
THz 能力非常狂：
✔ 巨大頻寬（GHz → THz 級）
✔ 極高容量（Tbps）
✔ 低延遲（<0.1 ms 級）
✔ 光學級空間解析度（毫米級定位）
但同時 THz 也是「地獄難度」頻段：
❗ 超高自由空間損耗
❗ 高吸收（O₂、H₂O）
❗ 非常容易被遮蔽
❗ 僅適用短距離
❗ 天線與 RF 架構高度挑戰
一句話：
🌐 THz = 無線通訊的「光學化」，高能力 × 高代價 × 高挑戰。
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🧠 一、THz 頻段的定義與分區
標準化組織將 THz 大致分為：
📡 THz 頻段標準化劃分（精簡）
• 低 THz（100–300 GHz）
o D-band（110–170 GHz）、G-band
o 衰減較低、技術最成熟
o 最先商用：6G RAN / Backhaul
• 中 THz（300 GHz–1 THz）
o THz Window 1
o 吸收高、需視距（LoS）
o 超高速短距離通訊
• 高 THz（1–10 THz）
o THz Window 2
o 幾乎光學化、距離極短
o 晶片間 / 光電混合
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🌐 6G 共識
• ITU、3GPP
o D-band（110–170 GHz）＝6G 第一波標準頻段
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一句話
6G 從 D-band 起飛，真正 THz 留給下一階段。
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🧠 二、THz 頻段的三大物理限制
① 空間路徑損耗（FSPL）爆炸式增加
自由空間損耗公式：
FSPL ∝ f²
→ 頻率越高，損耗呈平方級上升。
例：
• 3.5 GHz → OK
• 28 GHz → 明顯上升
• 120 GHz → 極高衰減
• 1 THz → 幾乎無法做長距離連接
所以 THz 一定是：
🔬 超短距離 × 高密度 AP × RIS 必備
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② 吸收峰（Absorption Peaks：O₂、H₂O）
THz 頻段會被大氣中的：
• 氧氣 O₂
• 水氣 H₂O
強烈吸收。
吸收造成：
✔ SNR 急遽下降
✔ 通道容量快速崩解
✔ 需要 LOS（Line-of-Sight）
✔ 室內較好、室外較難
⭐ 天氣潮濕、雨天、霧都會讓 THz 幾乎失效。
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③ 任何遮蔽物都能造成完全阻斷
THz 的波長極短（0.1–1 mm）。
結果是：
❗ 人體可完全阻擋
❗ 手指頭可阻擋
❗ 紙板、玻璃、木門、牆壁 → 全阻擋
→ RIS、反射器、微型 AP 成為必要技術。
→ 城市會變成「 THz × RIS × AI 」的組合建築。
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🧠 三、數學：THz 容量 = 寬頻束 + 高損耗
容量仍遵守香農公式：
⭐ C = B log₂(1+SNR)
但 THz 的特性是：
✔ B 超大（10–1000 GHz）
✔ SNR 超敏感（吸收 + 阻擋）
→ 容量波動比 5G/mmWave 大得多。
THz 容量不受 B 限制，而受 SNR 主導。
因此 AI × RIS 就是 THz 的救命核心。
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🧠 四、THz 的四大優勢（為什麼 6G 必走 THz？）
✔ ① Tbps 傳輸（Massive Bandwidth）
1 THz 頻寬 = 1000 GHz。
光纖級速率透過無線實現。
✔ ② 超低延遲（Sub-ms）
短距離 + 寬頻 →
可達到 XR/全息通訊需要的極低延遲。
✔ ③ 超高解析度定位
由於波長極短：
定位可達毫米級
適用：
• 工廠自動化
• AR/VR 追蹤
• 車聯網/無人機室內定位
✔ ④ 安全性高（小區域 + 不易穿透）
THz 幾乎不會穿透牆面 →
適合敏感資料傳輸、軍用近距離通訊。
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🧠 五、THz 與光無線通訊（OWC）之間的差異
🔹 THz 通訊
• 頻率：0.1 – 10 THz
• 波長：0.1 – 1 mm
• 傳播特性：
o 大氣吸收高
o 距離受限
• 穿透力：
o 幾乎為零
• 主要用途：
o 6G 超高速無線
o Tbps 等級傳輸
o RAN / Backhaul / 短距離高速鏈路
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🔹 光無線通訊（OWC：IR / 可見光）
• 頻率：100 – 1000 THz
• 波長：0.4 – 1 μm
• 傳播特性：
o 高方向性
o 幾乎不擴散
• 穿透力：
o 需嚴格視距（LoS）
• 主要用途：
o 室內高速通訊
o LiFi
o 光學等級短距離連線
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一句話
THz 是「射頻的極限」，OWC 是「無線的光學化」。
⭐ THz 是 RF 與光之間的「中間地帶」。
⭐ 光無線（LiFi/激光鏈路）是更高階段。
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🧠 六、為什麼 THz 必須和 RIS × AI-native 一起用？
THz 的物理限制導致：
❗ 必須完全依賴「動態反射 × 動態路徑 × AI 控制」。
✔ RIS 功能
• THz 反射增益明顯比 mmWave 高
• AI 可動態調相
• 可避免遮蔽造成的 SNR 急崩
✔ AI-native
AI 可做：
• Beam steering
• Beam tracking
• Blockage prediction
• SNR 預測
• 通道選擇
→ THz = RIS × AI 配套技術
單用 THz 一定會失敗。
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🧠 七、THz 工程挑戰（RF × 天線 × 矽光子）
✔ ① 難以製作 THz 功率放大器
製程限制（CMOS/GaN/InP）使 PA 效率極低。
✔ ② 天線陣列精準度要求極高
毫米等級的物理誤差就會使波束失準。
✔ ③ 前端架構向「光學」靠攏
THz 的硬體越來越像：
• 雷射
• 光學鏡片
• 準光學（Quasi-optics）
✔ ④ 散熱 × 損耗 × 材料
需要新的材料（Graphene、III-V）
才能製作低損耗 THz 元件。
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🧠 八、ASCII：THz 損耗與吸收示意圖
Loss(dB)
^
| H2O 吸收峰
| _/\_ _/\_ _/\_
| / \__/ \____/ \__ O2
| _____/
| /
+-------------------------------------> Frequency (GHz → THz)
10 100 300 600 1000 3000
這張 THz 損耗與吸收示意圖 說明的是：
隨著頻率由 GHz 進入 THz，大氣分子（尤其是水氣 H₂O 與氧氣 O₂）會在特定頻點產生強烈吸收峰，導致傳播損耗呈現「鋸齒狀起伏」而非線性增加；只有位於吸收峰之間的 THz Window（低谷區） 才具備可實際通訊的距離與鏈路預算，因此 6G 與 THz 系統的頻段選擇，本質上是在 避開吸收峰、利用窗口頻段進行工程化落地。
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🧠 九、模擬題
1️⃣ 計算 140 GHz、300 GHz、1 THz 的 FSPL 差異。
2️⃣ 模擬 H₂O 吸收量對 SNR 的影響。
3️⃣ 模擬 THz 室內反射路徑與可行 coverage。
4️⃣ 比較 THz × mmWave 在多用戶環境下的容量差異。
5️⃣ 設計一個 RIS → UE 的 THz 反射路徑並驗證增益。
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🧠 十、小結與啟示
✔ THz 是 6G 的核心戰場，但不是萬能
✔ 容量巨大，但 SNR 超脆弱
✔ THz 必須和 RIS 與 AI-native 結合
✔ THz 工程越來越光學化、準光學化
✔ THz 更像「無線光纖」而不是一般 RF
✔ 做不到廣域，但能做到極高速 × 低延遲
一句話：
🌐 THz 是 6G 最高階的頻段，但同時也是最難馴服的頻段。
