6G網路、光無線通訊與應用-北科大彭朋群教授專訪

Q1: 根據教授的研究領域，還有下午演講的內容，與最近很紅的6G網路相關，因此想請問一下光通訊技術在6G網路會扮演怎麼樣的角色，且這項技術會怎麼影響我們現在的生活？

A: 現在所有的大型商用無線基地站與通訊機房連線都是靠光纖通訊，5G網路已經在使用，那6G也是這樣，因為只有用光通訊才可以有這麼高的傳輸速率，進而負荷這麼多的用戶。再來就是說，剛提到6G的方面，因為衛星通訊會是很重要的一塊，所以在未來衛星對衛星之間的通訊會大量的使用光通訊的技術。覆蓋率是6G的一個重點，從衛星、太空到海洋、水中，而光通訊就是一種很好的通訊方式，因為它可以有比較高的傳輸速率。

Q2: 想請問光無線整合的概念在6G中有什麼實際應用？像是6G不只是有使用光纖，還有一部分是無線通訊，例如我們的手機或是平板，因此想要請問如果之後我們進步到6G的時候，光無線整合會有什麼影響，或是在我們可能生活中有什麼應用？

A: 在6G裡面還有一塊就是提高物聯網連接點，物聯網就是需要用到許多感測器。那感測器一多之後，資料量就會變大，一個最直接的應用就是智慧城市。智慧城市裡面會大量的佈放無線與有線的感測器，當資料量一大，就得去利用無線通訊與光通訊整合的方式來連接，只有整合網路才有辦法負荷這麼大的通訊需求。另外6G裡面有個低延遲的目標，需要將時間延遲降到1 ms以下，低延遲對於遠距醫療或遠距手術的應用至關重要，再來就是AR/VR的應用。現在AR/VR越來越普及而且設備價格其實也慢慢降下來了，所以使用的人會越來越多，可是相關應用就需要很大的傳輸速率，因此高傳輸速率的優勢也有助於此科技。

Q3: 我們小時候可能是用3G、4G然後到我們現在用5G。想要請問一下5G和6G之間有什麼不同，還有為什麼我們需要進步到6G，或是5G現在有什麼不足的地方？

A:基本上無線通訊約每10年就是一個世代，那比如說延遲方面，5G就希望能夠較6G更低，例如無人工廠，就需要更即時的通訊。然後6G傳輸速率希望能夠相較於5G再提高10倍以上。那當然剛剛有提到的就是6G希望可以覆蓋到很多目前沒有辦法上網的地方。這幾個項目都是在6G裡面會利用光通訊技術來達成的，因為基本上光通訊技術是一個高傳輸容量，低功率損耗、抗干擾性強、安全性高的一種通訊方式，所以會有大量相關的應用。

Q4: 那接著是進入到人工智慧發展。近日AI因為GPT或是輝達等，因為AI崛起，許多相關的領域，例如軟體或硬體部分也在努力的提升當中。想請問一下光纖通訊或是光通訊在這個方面有什麼可以協助到AI的，或是它可以讓AI怎麼樣更能擴充它的效能？

A: 如果有去買過有GPU硬體的電腦，就會發現AI運算其實非常的耗能。這原因就是因為如果還是大量的用銅線來去做訊號連接的話，那基本上它的能量損耗就會比較大，而比較耗能這個缺點，在AI超級電腦的問題上更是明顯，AI超級電腦的建置遭遇的就是高耗能與散熱的問題。那假設今天大量使用光通訊的技術，就可以大幅的降低這個利用銅線來傳導的損耗，進一步降低熱能的產生。因此使用光作為通訊的媒介，首先可以減少耗能與散熱的問題。

再來就是說一般銅線傳輸的速率還是非常的有限，如果大量使用AI電腦，在大數據的狀況之下，AI電腦需要快速存取數據，但如果傳輸的速率不夠快，資料沒有辦法快速的傳給AI電腦就會造成延遲的問題，所以光通訊可以解決AI應用上的兩個重要問題，傳輸速率與耗能的問題。因為AI應用非常非常的耗能，你可以想像一台中階AI電腦的耗能，和一台家用冷氣機耗能是一樣的。所以利用光電的技術，例如晶片的資訊傳輸，都用光的方式取代，就可以大幅減少耗能與散熱的問題，這些都是AI與光電領域中重要的議題。

最近光電領域變得非常熱門，在研究所報考人數也可以發現這個趨勢，像近年研究所招生相較於過往，光電所的報考人數也大幅提高，因為大家都發現一定要用光電的技術，才能夠解決目前AI應用發展的問題。

Q5: 想請問一下，6G是目前努力達成的目標，在實現這項願景的過程會遇到什麼樣的挑戰，或者需要哪些技術的突破才能到達6G，抑或如何優化現有的技術？

A: 其實還蠻多要去克服的，比如說要擴大通訊的範圍，例如在衛星通訊方面，傳輸距離是非常非常遠的，雖然光通訊基本上功率衰減是相對小的，但當距離拉遠，還是有許多的技術問題要克服。當然距離遠之後，也有許多光學系統設計方面的問題，例如自由空間光通訊這一塊，從地面發射訊號，經過大氣就會有大氣擾動和氣候等問題，而這些都需要利用光學系統設計的技術去克服。在光電訊號方面，因為大氣擾動和氣候的緣故，整個傳輸訊號的功率就要提高，所以需要使用到高功率的光源，也需要高靈敏度的光偵測器。從光通訊的角度綜觀6G，會發現從光源，然後到光接收器、光學元件到完整的光學系統，在研究6G通訊技術上都還有許多技術需要開發。

Q6: 關於剛提到的自由空間光通訊 (Free Space Optical Communication)，想請教授簡單介紹一下這個技術是什麼，另外它應用在6G的潛力如何？

A: 自由空間光通訊是一種利用光在自由空間中進行無線通訊的技術，例如我們可以在室內用於照明的光上進行訊號調變，然後你可以用手機去無線接收訊號。另外一個大家都很有興趣的研究方向，就是剛提到的衛星通訊，因為我們需要提高整體的網路覆蓋率，所以這就是開發衛星通訊的重要原因，衛星通訊使用光無線通訊去做連結，有許多好處，第一個就是相較於光纖通訊具有更低延遲，因為光無線通訊在自由空間中通訊，所以光無線通訊一定會比使用光纖通訊的延遲更低。第二個就是相較於一般無線電波通訊，光無線通訊的安全性較高，尤其在國防上特別需要安全性，因為如果還是用無線電波做通訊的話，飛機飛過馬上就知道無線電波的發射源，就可以知道你的位置。可是如果是用這光無線通訊的話，基本上是不太容易截取訊號或是得知位置，安全性是非常高。第三個就是相較於一般的無線通訊，它比較節能且設置靈活。比如說，我今天假設到一個郊區，在光無線通訊可以到的範圍，可以輕易架設通訊連接點。靈活性跟光纖通訊比較的話，它會更靈活，因為光纖還是要拉線，所以易於部署的特性是另一個優點，因為它的速度跟頻寬是跟光纖通訊一樣，但它部署起來會比光纖更容易，那就解決了很多光纖原本有的問題，不僅有光纖的好處，又增加了靈活性、機動性，在應用上有很大的潛力。

Q7: 剛剛教授有提到，因為訊號會經過大氣，但是大氣可能會會干擾到它的訊號的傳遞，那麼目前有提出什麼樣的解決方式嗎？

A: 其實現在目前就是各種解決方案都有在討論，那因為我自己比較偏做人工智慧與機器學習的技術開發，以機器學習中強化學習演算法為例子，強化學習就是一種根據環境然後做反饋的學習演算法，比如說如果因為大氣變化造成訊號變差，強化學習演算法可以動態調整發射跟接收系統，讓訊號回復到正常的狀態。剛剛也聊到，比如說元件的發射跟接收問題，再來就是一些訊號處理，這些都是可解決的方式之一。

Q8: 最後想請教關於學術和產業之間的聯繫的部分。像是交大是一個蠻注重產學合作的學校，那麼想要請問一下光電的產學合作，目前大概是怎麼樣的狀態？

A: 我想因為其實台灣不大，所以產業跟學校一直都有很好的聯繫，業界有一些比較即時需要解決工程上的問題，而學術界通常會去探究一些目前未知、比較有挑戰性的學術題目。舉幾個常見產學合作的方式，例如業界出題然後學界解題的共同研究方式，那另外常見的一種方式是，送學生去業界實習，是一個最快與產業連結的方式，還有就是學術界跟產業界共同來合作建立標準和政策的方式，例如台灣資通產業標準協會，需要學術界跟業界共同制定資通產業標準，大至是這三種產學合作方式。

Q9: 最後想請問一下，覺得現在台灣光電的產業有什麼優勢或劣勢，或覺得它未來會怎麼樣發展，因為可能大家對台灣產業的印象，常常都是聽到半導體相關的資訊，光電聽到的會比較少一點？

A:其實最近光電在AI相關產業的應用大家都已經看到，所以從光電所的報考人數這邊來看，近年是有在快速的拉升。另外歷年諾貝爾物理獎的得主中，很多都是因為光電相關的研究而拿到諾貝爾物理獎，所以新的殺手級應用非常有可能會在光電領域發生。台灣的產業目前很多與半導體相關，這部分跟光電也是非常相關的。我們有去統計，光電系的學生其實去台積電是佔多數的，主要原因是光電系就是去學習光、電、然後光轉電、電轉光等技術，其中光轉電與電轉光的過程當中，大量使用半導體技術，所以光電系課程裡有許多半導體相關課程。舉個例子，台積電目前與多所大學合作開設台積電半導體產業學程，可以發現這學程中大部分課程和光電系課程相同，所以光電系的學生去看這半導體產業學程的課程，會發現大部分都已經修過。此外光電系除了半導體還是有很多方向可以發展，因為光電系的學生懂光也懂電，所以這也是我們光電系的優勢。光電本身在未來就有很好的發展性，光電系的學生也可以在瞭解光跟電之後，如果對光、電或半導體等領域特別有興趣的話，也很適合往這些個別領域發展。

給學弟妹的建議

Q10: 教授以前是交大光電所的，那麼第一個問題想請問教授之前在交大唸博班的時候，有什麼好玩的回憶或是令人印象深刻的回憶嗎？

A: 在研究所的過程，其實我是覺得還蠻享受在這邊唸博士班的感覺，博士班是學術訓練過程的一環，每個人學習曲線是不太一樣，有些快有些慢。但是在交大，老師都很nice會陪你一起走完那個過程，這是人生中很美好的回憶，很享受跟老師一起討論一起前進的學習過程。你們現在念大學部，有很多必修的課，也有很多的任務，因為畢竟要達到足夠的學分才可以畢業，會覺得時間有些壓縮。這都是必要的，因為所有的基礎課程，都是為了日後難度提高的專業課程做準備。上研究所之後的學習，就不會像大學這樣，以剛剛提到的光通訊問題，就不會像大學時可能就是專心的針對某一特定專業，花一個學期的時間把特定課程上完。研究所可能大部分都是針對你要解決的問題，去做短時間的學習，這會是兩者不同的地方。

Q11: 想請問對於想要走學術方面的學生，有什麼勉勵或是建議嗎？

A: 如果想走學術領域的同學，我覺得第一就是對各項事物都要有好奇心，假設你對很多事情都有好奇心，然後你會積極的想去了解它，那就應該還蠻適合走學術方面。第二就是學術要做什麼方向研究，或者要如何探索有興趣的領域，你可以在學校或網站找演講資訊，多聽學術演講，再確定方向。第三就是早一點開始做專題，不要等到說有專題的學分才開始，因為畢竟博士班是一個比較長時間的規劃，建議早點去參與實驗室工作，做專題去體驗當研究生，在這段期間如果覺得是很愉快的工作，很適合繼續走學術這條路。

Q12: 想請問覺得大學和研究所的，光電的學弟妹會需要培養什麼技能嗎？

A: 因為我自己也負責學校的行政工作，每學期學校都會在課程會議上一再討論怎麼樣的課程，可以讓學生在專業領域上有最好的學習。所以學生最重要的就是把學校安排的所有課程，還有所有的畢業要求，盡可能的都把它修好修滿，很難說哪一個技能特別重要，因為所有的課程都經過老師們長期討論所規劃出來的。所以現在學弟妹能夠做的就是把學校交代的必修、選修和所有的課程，按照學校的規劃，認真的完成，我相信畢業後都會在各個領域發光發熱。

Q13: 那最後一個問題，像如果大四下有時間可以考慮出國交換，那麼會因為現在疫情趨緩，前幾年的疫情出不去，那教授會推薦學弟妹去交換嗎，或是可能碩班在台灣念，還是可能是在台灣先念碩士然後再出去念二碩，或是直接去念碩士之類的，就是有什麼樣的想法或建議呢？

A: 如果對未來的方向還不是這麼明確的話，建議盡可能在大學的四年當中先短期體驗，例如不知道畢業要不要念研究所還是直接去工作，建議大學期間進入實驗室體驗研究生的生活，暑期到公司實習。如果不確定要不要出國進修，大學可以這樣規劃，前三年盡可能的把基礎在學校這裡打好，大四去當國際交換生，都體驗過後再確定未來的方向。