Κατανόηση των Συχνών του Τέραχερτζ

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα είναι τεράστιο, και για δεκαετίες, οι ασύρματες επικοινωνίες λειτουργούν σε μεγάλο βαθμό κάτω από τα 100 GHz. Καθώς πιέζουμε προς τα 6G, η προσοχή μετατοπίζεται προς την ζώνη terahertz (THz), που εκτείνεται περίπου από 0,1 THz έως 10 THz. Αυτή η περιοχή κάθεται μεταξύ μικροκυμάτων και υπέρυθρου φωτός, προσφέροντας ένα γλυκό σημείο για την υπερευρυζωνική μετάδοση. Τα κύματα Terahertz συχνά ονομάζονται κύματα υποχιλιόμετρα επειδή τα μήκη κύματος τους κυμαίνονται από 3 mm έως 0.03 mm. Αυτό το μικρό μήκος κύματος είναι το κλειδί: επιτρέπει το τεράστιο εύρος ζώνης και τη δυνατότητα για τα ποσοστά δεδομένων στις εκατοντάδες των gigabits σε αρκετά terabits ανά δευτερόλεπτο.

Για να το θέσουμε αυτό σε προοπτική, 4G LTE χρησιμοποιεί συχνότητες κάτω των 2,5 GHz, ενώ 5G mmWave λειτουργεί περίπου 24 ⁇ 40 GHz, με κάποιες πειραματικές ζώνες μέχρι 70 GHz. Το Terahertz ξεκινά περίπου τρεις τάξεις μεγέθους υψηλότερα. Το διαθέσιμο εύρος ζώνης στην περιοχή THz είναι τεράστιο — μεμονωμένα κανάλια μπορεί να είναι δεκάδες GHz πλάτους — επιτρέποντας εφαρμογές που ήταν προηγουμένως επιστημονική φαντασία. Ωστόσο, η φυσική της διάδοσης των κυμάτων σε αυτές τις συχνότητες είναι ριζικά διαφορετική. Σε αντίθεση με τα σήματα υπο-6 GHz, τα κύματα THz βιώνουν υψηλή απώλεια διαδρομής ελεύθερου χώρου, ισχυρή απορρόφηση από ατμοσφαιρικά αέρια (ιδιαίτερα υδρατμούς), και περιορισμένη διείσδυση μέσω στερεών αντικειμένων.

Η υπόσχεση των δικτύων 6G

6G οραματίζεται ως μια αλλαγή παραδείγματος πέρα από τους ήδη φιλόδοξους στόχους του 5G. Ενώ 5G έφερε υψηλό εύρος ζώνης και χαμηλή λανθάνουσα τάση, 6G στοχεύει σε μια σειρά-of-μεγέθους βελτίωση: αιχμής ποσοστά δεδομένων που υπερβαίνει 1 Tbps, λανθάνουσα κάτω από 0.1 ms, και εξαιρετικά αξιόπιστη συνδεσιμότητα για ένα τρισεκατομμύριο συσκευές.

Εξαιρετικά-Υψηλά Τιμές Δεδομένων για Εφαρμογές Καταδυτών

Με συνδέσεις terahertz, κατεβάζοντας μια ταινία 4K θα μπορούσε να πάρει λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο. Το πιο σημαντικό, σε πραγματικό χρόνο ολογραφικές επικοινωνίες, ογκομετρική ροή βίντεο, και μη προσδεδεμένη εκτεταμένη πραγματικότητα (XR) γίνεται εφικτή. Αυτές οι εφαρμογές απαιτούν τεράστιο εύρος ζώνης - ένα ενιαίο ολογραφικό ρεύμα μπορεί να απαιτήσει δεκάδες Gbps. Ερευνητές στο Nokia Bell Labs έχουν αποδείξει ότι τα συστήματα terahertz μπορούν να υποστηρίξουν συνδέσεις 0.5 Tbps σε μικρές αποστάσεις, ανοίγοντας την πόρτα για την ασύρματη αντικατάσταση ινών σε κέντρα δεδομένων και χώρους υψηλής πυκνότητας.

Χαμηλή Λαθένσι και έλεγχος πραγματικού χρόνου

Η Λατένσι σε 6G αναμένεται να είναι σχεδόν ανεπαίσθητη. Οι σύντομες δυνατές διάρκειες συμβόλων στις συχνότητες THz επιτρέπουν εξαιρετικά γρήγορη επεξεργασία και συγχρονισμό. Αυτό είναι κρίσιμο για εφαρμογές όπως η απομακρυσμένη ⁇ μποτική χειρουργική, ο αυτόνομος συντονισμός οχημάτων, και ο βιομηχανικός αυτοματισμός όπου οι καθυστερήσεις του χιλιοστού δευτερολέπτου μπορεί να είναι καταστροφικές. Σε συνδυασμό με την υπολογιστική άκρη και την προηγμένη διαμόρφωση δέσμης, οι συνδέσεις THz μπορούν να παρέχουν ντετερμινιστική, χωρίς ζίκτερ συνδεσιμότητα.

Μαζική συνδεσιμότητα και αίσθηση συσκευής

Τα 6G δίκτυα δεν θα συνδέσουν μόνο τους ανθρώπους αλλά και μια τεράστια σειρά αισθητήρων και ενεργοποιητών. Τα κύματα Terahertz είναι φυσικά κατάλληλα για την υψηλή ανάλυση της αντίληψης και της απεικόνισης λόγω των μικρών τους μηκών κύματος. Αυτό επιτρέπει την ολοκληρωμένη επικοινωνία και την αίσθηση — μια έννοια που ονομάζεται Κοινή Επικοινωνία και Αισθητική (JCAS). Ένας ενιαίος σταθμός βάσης THz θα μπορούσε ταυτόχρονα να παραδώσει υψηλής ταχύτητας δεδομένα και να συλλάβει λεπτά ριζωμένα περιβαλλοντικά δεδομένα, επιτρέποντας εφαρμογές στην αυτόνομη πλοήγηση, αναγνώριση χειρονομιών και μη καταστροφικές δοκιμές. Η 6G World πρωτοβουλία τονίζει πώς η αίσθηση THz μπορεί να συμπληρώσει την επικοινωνία σε έξυπνα εργοστάσια και έξυπνες πόλεις.

Τεχνικές προκλήσεις στο μονοπάτι για το Terahertz 6G

Παρά την υπόσχεσή του, η ανάπτυξη συχνοτήτων terahertz αντιμετωπίζει τρομερά εμπόδια.

Διασπορά και Ατμοσφαιρική Απορρόφηση

Τα κύματα Terahertz απορροφώνται έντονα από ατμοσφαιρικούς υδρατμούς, οξυγόνο και άλλα μόρια. Σε 0.1 THz, εξασθένηση είναι περίπου 0,1 dB/km. σε 1 THz ανεβαίνει σε 10-20 dB/km, και σε υψηλότερες συχνότητες γίνεται απαγορευτικό. Βροχή, ομίχλη, ακόμη και υγρασία προκαλούν πρόσθετες απώλειες. Αυτό σημαίνει ότι οι εξωτερικές συνδέσεις THz είναι πιθανόν να περιορίζονται σε εύρος δεκάδων έως μερικές εκατοντάδες μέτρα. Η εσωτερική χρήση είναι πιο ελπιδοφόρα αλλά εξακολουθεί να απαιτεί προσεκτική ανάπτυξη. Για να ξεπεραστεί αυτό, 6G θα βασίζονται πιθανώς σε εξαιρετικά πυκνά δίκτυα μικρών κυττάρων, πιθανώς χρησιμοποιώντας ευφυείς ανακλώμενες επιφάνειες (IRS) και αναδιαμορφώσιμες ευφυείς επιφάνειες (RIS) για να κατευθύνουν τα σήματα γύρω από τα εμπόδια. Μια μελέτη από IEEE Communications Survies & Tutorials παρέχει μια ολοκληρωμένη ανάλυση του μοντέλου και της διάδοσης THz.

Μεταφραστής και Σχεδιασμός Κεραιών

Οι παραδοσιακές ηλεκτρονικές μηχανές CMOS αγωνίζονται να δημιουργήσουν επαρκή ισχύ σε αυτές τις συχνότητες. Οι υποσχόμενες εναλλακτικές λύσεις περιλαμβάνουν ημιαγωγούς ΙΙΙ-V (όπως οι InP και GaAs), πυρίτιο-γερμανίου (SiGe) BICMOS, και αναδυόμενες τεχνολογίες όπως γραφένιο και πλασμονικές συσκευές. Οι αντιστάσεις πρέπει επίσης να είναι μικροσκοπικές και υψηλής κατεύθυνσης. Οι συστοιχίες φάσεων με χιλιάδες στοιχεία απαιτούνται για να σχηματίσουν στενές δέσμες που αντισταθμίζουν την απώλεια υψηλής διαδρομής. Οι ανοχές κατασκευής πρέπει να είναι νανομετρικής κλίμακας. εταιρείες όπως Το Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon είναι πρωτοποριακές συστοιχίες κεραιών on-chip που ενσωματώνονται με ενισχυτές THz και μείκτες.

Επεξεργασία και θόρυβος σήματος

Σε συχνότητες THz, ο αριθμός θορύβου του δέκτη είναι εγγενώς υψηλότερος λόγω του θερμικού θορύβου και της δυσκολίας επίτευξης ενίσχυσης χαμηλού θορύβου. Αυτό περιορίζει την ευαισθησία και το δυναμικό εύρος. Προηγμένα σχήματα διαφοροποίησης, όπως η ορθογωνική πολλαπλή διόπτευση συχνοτήτων (OFDM) με υψηλή τάξη QAM, απαιτούνται για τη μεγιστοποίηση της φασματικής απόδοσης, αλλά απαιτούν εξαιρετικά ακριβή απόδοση θορύβου φάσης από τοπικούς ταλαντωτές. Επιπλέον, τα στενά δοκόγουιντθ απαιτούν ταχεία παρακολούθηση δέσμης για τη διατήρηση των δεσμών με τους χρήστες κινητών. Οι αλγόριθμοι μάθησης μηχανών αναπτύσσονται για τη διαχείριση δέσμης σε πραγματικό χρόνο. Η ITU-R ομάδα εργασίας 5D μελετά ενεργά τις τεχνικές απαιτήσεις για μελλοντικά επίγεια συστήματα IMT-2030, συμπεριλαμβανομένων των υποψηφίων ζωνών THz.

Συνεχής Έρευνα και Διαλείμματα

Στις Ηνωμένες Πολιτείες, το πρόγραμμα DARPA T-MUSIC στοχεύει στην ανάπτυξη κλιμακούμενων, αποδοτικών μεταφραστών THz. Στην Ευρώπη, το εμβληματικό πρόγραμμα HEXA-X-II 6G διερευνά το THz ως βασικό ενεργοποιητή. Στην Ασία, η Κίνα και η Ιαπωνία έχουν εκτεταμένες δοκιμαστικές καμπίνες για υπο-THz ζώνες (π.χ. 100 GHz ⁇ 300 GHz). Μια αξιοσημείωτη ανακάλυψη προήλθε από μια συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου Μπράουν και του Πανεπιστημίου του Τόκιο, επιδεικνύοντας μια σύνδεση 100 Gbps στα 0.3 THz χρησιμοποιώντας φωτονική-assisted γενιά. Μια άλλη συναρπαστική εξέλιξη είναι η χρήση γραφενίου για διαμορφωτές THz και ανιχνευτές, προσφέροντας εξαιρετικά γρήγορες ταχύτητες μεταγωγής και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.

Οι μεταϋλικές και μεταεπιφανειακές επιφάνειες έχουν επίσης μεγάλη υπόσχεση. Αυτές οι τεχνητές δομές μπορούν να χειραγωγήσουν τα κύματα τεραχερτζ με τρόπους που δεν είναι δυνατοί με φυσικά υλικά. Για παράδειγμα, οι αναδιαμορφώσιμες μεταεπιφανειακές επιφάνειες μπορούν να λειτουργήσουν ως παθητικοί ηλεκτρονόμους, ανακατευθύνοντας δέσμες για να παρακάμψουν εμπόδια.Οι ερευνητές στο MIT[[LFT:1]] έχουν επιδείξει μια προγραμματιζόμενη μεταεπιφάνεια που λειτουργεί στο 1 THz, ικανή για καθοδήγηση και εστίαση δέσμη. Εν τω μεταξύ, η πρόοδος στη φωτονική ολοκλήρωση — που συνδυάζει λέιζερ, ανιχνευτές και κυματοδηγούς σε ένα μόνο τσιπ ⁇ επιτρέπει συμπαγείς, χαμηλού κόστους πηγές THz.

Η διαδικασία τυποποίησης για 6G είναι σε εξέλιξη. Το 3GPP έχει ξεκινήσει τα στοιχεία μελέτης για την κυκλοφορία 19, με πλήρεις προδιαγραφές αναμένεται περίπου 2030. Το πλαίσιο IMT-2030 της ITU περιγράφει σενάρια χρήσης όπως η εμβάπτιση επικοινωνίας, μαζική επικοινωνία, και υπερ-αξιόπιστη επικοινωνία χαμηλής συχνότητας - όλα από τα οποία θα μπορούσαν να εκμεταλλευτούν ζώνες THz. Ωστόσο, πολλές τεχνικές παράμετροι παραμένουν απροσδιόριστες.

Συμπέρασμα και μελλοντική προοπτική

Οι συχνότητες του Terahertz αντιπροσωπεύουν τα επόμενα μεγάλα σύνορα για ασύρματες επικοινωνίες. Ενώ οι προκλήσεις στην διάδοση, το υλικό και την επεξεργασία σήματος είναι σημαντικές, οι πιθανές ανταμοιβές είναι μεταμορφωτικές. 6G δίκτυα τροφοδοτούνται από terahertz θα επιτρέψουν εφαρμογές που θολώνουν τη γραμμή μεταξύ φυσικής και ψηφιακής πραγματικότητας, από ολογραφική τηλεπαρουσία σε ψηφιακά δίδυμα σε πραγματικό χρόνο. Καθώς η πρόοδος της έρευνας συνεχίζεται, μπορούμε να περιμένουμε να δούμε πρώιμες διαδηλώσεις και εμπορικά πρωτότυπα μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια. Το ταξίδι από εργαστήριο σε πεδίο θα είναι δύσκολο, αλλά η υπόσχεση για terabit-per-second ταχύτητες και πρωτοφανή συνδεσιμότητα καθιστά ένα ταξίδι που αξίζει να γίνει.

Για τους σχεδιαστές δικτύων και τους μηχανικούς, τώρα είναι η ώρα να αρχίσουμε να εξετάζουμε πώς η τεχνολογία terahertz θα επηρεάσει την υποδομή. Οι εγκαταστάσεις με ένταση, τα προηγμένα συστήματα κεραίας και η ενσωμάτωση με οπτική ράχη ινών θα είναι απαραίτητες. Ρυθμιστικά σώματα θα πρέπει να κατανέμουν το φάσμα αρμονικά, εξισορρόπηση των αναγκών των παθητικών και ενεργών υπηρεσιών. Το μέλλον του 6G γράφεται στη ζώνη terahertz, και είναι ένα μέλλον εξαιρετικής ικανότητας.