Terahertz-taajuuksien ymmärtäminen

Sähkömagneettinen spektri on laaja, ja vuosikymmeniä, langaton viestintä on toiminut suurelta osin alle 100 GHz. Kun työnnämme kohti 6G, huomio siirtyy terahertsikaistalle (THz), karkeasti 0,1 THz-10 THz. Tämä alue istuu mikroaalto-infrapunavalon välillä, tarjoten makean paikan ultralaajakaistan siirrolle. Terahertz-aaltoja kutsutaan usein alimillimetriaalloiksi, koska niiden aallonpituuksissa on 3 mm:stä 0,03 mm:iin. Tämä pieni aallonpituus on avain: se mahdollistaa massiivisen kaistanleveyden ja datan nopeuden satojen gigabittien välillä useita terabiitteja sekunnissa.

Tämän vuoksi 4G LTE käyttää alle 2,5 GHz:n taajuuksia, kun taas 5G mmWave toimii noin 24..40 GHz:n taajuuksilla, joilla on joitakin kokeellisia taajuuksia jopa 70 GHz. Terahertz alkaa noin kolme suuruusluokkaa korkeammalla. THz:n alueella käytettävissä oleva kaistanleveys on valtava . Yksittäisiä kanavia on kymmeniä GHz:n taajuuksia, jotka mahdollistavat aiemmin scifi-sovelluksien käytön. Kuitenkin aaltojen fysiikka näillä taajuuksilla on radikaalisti erilainen. Toisin kuin sub-6 GHz:n signaaleja, THz-aallot kokevat suuren vapaan tilan kulun menetyksen, ilmakehän kaasujen voimakkaan imeytymisen (erityisesti vesihöyryn) ja rajallisen pääsyn kiinteiden kohteiden läpi. Nämä tekijät tekevät 6G-verkkojen suunnittelusta THz:n avulla syvällisen teknisen haasteen.

Lupaus 6G-verkoista

6G on suunniteltu paradigman siirtymän jo valmiiksi kunnianhimoinen 5G. Vaikka 5G toi korkea kaistanleveys ja alhainen latenssi, 6G pyrkii tilauksen-of-mobility parannus: huippu datanopeudet ylittävät 1 Tbps, latenssi alle 0,1 ms, ja ultra-luotettava yhteydet biljoona laitteita. Terahertz taajuudet ovat kulmakivi tämän vision, jotta äärimmäinen läpimeno tarvitaan todella immersive kokemuksia ja kone-to-kone viestinnän mittakaavassa.

Uppoavalle sovellukselle tarkoitetut erittäin korkeat tietohinnat

Terahertz-linkkien avulla 4K-elokuvan lataaminen voisi kestää alle sekunnin. Mikä tärkeintä, reaaliaikainen holografinen viestintä, volume videostreaming ja yhdistämätön laajennettu todellisuus (XR) tulevat toteuttamiskelpoisiksi. Nämä sovellukset vaativat massiivista kaistanleveyttä . ... yksi holografinen virta voi vaatia kymmeniä Gbps. Tutkijat []Nokia Bell Labs[] ovat osoittaneet, että terahertz-järjestelmät voivat tukea 0,5 Tbps-linkkejä lyhyillä matkoilla, jolloin ovi avataan langattomaan kuituon siirtymiseen datakeskuksissa ja suurtiheyspaikoissa.

Matala latenssi ja reaaliaikainen ohjaus

Latenssi 6G:ssä on odotettavissa lähes näkymättömäksi. THz-taajuuksilla mahdollisesti olevat lyhyet symbolin kestot mahdollistavat erittäin nopean käsittelyn ja synkronoinnin. Tämä on ratkaisevan tärkeää sovelluksille, kuten kauko-robottikirurgialle, autonomille ajoneuvokoordinaateille ja teollisuusautomaatiolle, joissa millisekunnin viiveet voivat olla katastrofaalisia. Yhdistettynä reunalaskentaan ja edistyneisiin säteiden muodostamiseen THz-linkeille voidaan tarjota deterministinen, jitter-vapaa yhteys.

Massive Device Connectivity ja Sensing

6G-verkot eivät yhdistä ainoastaan ihmisiä vaan myös laajan joukon sensoreita ja toimilaitteita. Terahertz-aallot soveltuvat luonnostaan lyhyen aallonpituuden vuoksi korkean resoluution havainnointiin ja kuvantamiseen. Tämä mahdollistaa integroidun viestinnän ja havainnoinnin . ... konseptin nimeltään yhteinen viestintä ja sensing (JCAS). Yksi THz-tukiasema voisi samanaikaisesti tuottaa nopeaa dataa ja kaapata hienojakoista ympäristötietoa, mikä mahdollistaa sovellusten käytön itsenäisen navigointiin, eleiden tunnistamiseen ja tuhoamattomaan testaukseen.

Tekniset haasteet tiellä Terahertz 6G

Lupauksestaan huolimatta terahertz-taajuuksien käyttöönotolla on valtavia esteitä. Tutkijat käsittelevät aktiivisesti jokaista, mutta tie kaupalliseen käyttöön on jyrkkä.

Eteneminen ja ilmakehän absorptio

Terahertz-aallot imeytyvät voimakkaasti ilmakehän vesihöyryyn, happeen ja muihin molekyyleihin. 0,1 tHz:n kohdalla vaimennus on noin 0,1 dB/km; 1 tHz:n kohdalla se nousee 10...20 dB/km, ja sitä suuremmilla taajuuksilla se muuttuu kohtuuttomaksi. Sade, sumu ja jopa kosteus aiheuttavat ylimääräisiä häviöitä. Tämä tarkoittaa, että ulkoilma THz-linkit ovat todennäköisesti rajoitettuja kymmeniin tai muutamaan sataan metriin. Sisätiloissa käyttö on lupaavampaa, mutta vaatii silti huolellista käyttöönottoa. Tämän voittamiseksi 6G luottaa erittäin tiheisiin piensoluverkkoihin, jotka mahdollisesti käyttävät älykkäitä heijastuvia pintoja (IRS) ja uudelleen konfiguroituvia älykkäitä pintoja (RIS) opastaakseen esteitä.

Lähetin ja antennisuunnittelu

Tehokkaiden transceiverien rakentaminen terahertsitaajuuksille on suuri haaste. Perinteiset CMOS-pohjaiset elektroniikkalaitteet kamppailevat riittävän tehon saamiseksi näillä taajuuksilla. Lupaavia vaihtoehtoja ovat muun muassa III-V-puolijohde (kuten InP ja GaAs), piigermanium (SiGe) BiCMOS, ja uudet teknologiat kuten grafiitti ja plasmoniset laitteet. Antennien on myös oltava pieniä ja erittäin suuntautuneita. Vaiheittaiset rakenteet, joissa on tuhansia elementtejä, tarvitaan muodostamaan kapeat valokeilat, jotka estävät suuria polkuhäviöitä. Teosten toleranssien on oltava nanometrimittareita. Yritykset kuten Carnegie Mellon University ovat uraauurtavia siruantennirakenteita, jotka integroituvat THz-vahvistimiin ja sekoittimiin.

THz-taajuuksilla vastaanottimen meluluku on luonnostaan korkeampi lämpömelun ja matalan melutason vahvistamisen vaikeuden vuoksi. Tämä rajoittaa herkkyyttä ja dynaamista toiminta-aluetta. Edistyneet modulointijärjestelmät, kuten ortogonaaliset taajuusjako multipleksing (OPDM) korkealla tiheydellä QAM, tarvitaan maksimoimaan spektrinen tehokkuus, mutta ne vaativat erittäin tarkkaa vaihemelun suorituskykyä paikallisilta oskillaattoreilta. Lisäksi kapea säteenleveys vaatii nopeaa säteen jäljittämistä, jotta voidaan ylläpitää yhteyksiä mobiilikäyttäjiin. Koneen oppimisalgoritmit kehitetään reaaliaikaista sädehallintaa varten. ITU-R-työryhmä 5D tutkii aktiivisesti tulevia maanpäällisiä IMT-2030-järjestelmiä, mukaan lukien THz-ehdokaskaistoja.

Jatkuva tutkimus ja läpimurto

Yhdysvalloissa DARPA T-MUSIC -ohjelma pyrkii kehittämään skaalautuvia ja tehokkaita THz-transseivereitä. Euroopassa 6G-lippulaivahanke HEXA-X-II tutkii THz:tä keskeisenä mahdollistajana. Aasiassa, Kiinassa ja Japanissa on laajat testialustat sub-THz-taajuuksille (esim. 100 GHz. 300 GHz). Yksi merkittävä läpimurto tuli Brown University[]:n ja Tokion yliopiston välisestä yhteistyöstä, joka osoittaa 100 Gbps-yhteyden 0,3 THz:n fotoni-avusteisessa sukupolvessa. Toinen kiinnostava kehitys on grammeenin käyttö THz-modulaattoreille ja ilmaisimille, jotka tarjoavat ultranopeita kytkentänopeuksia ja matalaa virrankulutusta.

Metamateriaalit ja metapinnat ovat myös lupaavia. Nämä keinotekoiset rakenteet voivat manipuloida terahertsiaaltoja tavoilla, jotka eivät ole mahdollisia luonnonmateriaalien kanssa. Esimerkiksi uudelleen konfiguroitavat metapinnat voivat toimia passiivisina releinä, ohjaten säteitä ohitusesteisiin. Tutkijat []MIT[]] ovat osoittaneet ohjelmoitavan metapintansa, joka toimii 1 TSz:ssä, pystyy ohjaamaan ja keskittymään. Samalla edistyminen fotonien integraatiossa . Yhdistämällä lasereita, ilmaisimia ja aaltokiistoja yhdellä sirulla .

Standardointiprosessi 6G:lle on käynnissä. 3GPP on aloittanut julkaisuun 19 liittyvät tutkimuskohteet, joiden täydelliset tekniset eritelmät odotetaan noin vuonna 2030. ITU:n IMT-2030-puitteissa hahmotellaan käyttöskenaarioita, kuten upottavaa viestintää, massiivista viestintää ja hyper-luotettavaa matalan latenssin viestintää . Kaikki nämä voivat saada THz-taajuuksia. Kuitenkin monet tekniset parametrit ovat määrittelemättömiä. Keskeiset päätökset sisältävät tarkan taajuusalueen (todennäköisesti jopa 140 GHz:n aluksi, sitten 300 GHz:n), aaltomuodon suunnittelun ja monikäyttöjärjestelmät.

Päätelmät ja tulevaisuudennäkymät

Terahertz-taajuudet ovat seuraava suuri raja langattoman viestinnän raja. Vaikka haasteet leviämisessä, laitteistossa ja signaalinkäsittelyssä ovat merkittäviä, mahdolliset palkinnot ovat mullistavia. 6G-verkot, joita terahertz ruokkii, mahdollistavat sovellukset, jotka hämärtävät fyysisen ja digitaalisen todellisuuden välisen rajan, holografisesta teleläsnäolosta reaaliaikaisiin digitaalisiin kaksosiin. Tutkimuksen edetessä voimme odottaa näkevämme varhaisia mielenosoituksia ja kaupallisia prototyyppejä seuraavien viiden vuoden aikana. Matka labrasta kentälle on vaikea, mutta lupaus terabit-per-sekuntinopeuksista ja ennennäkemättömistä yhteyksistä tekee siitä matkan kannattavan.

Verkkosuunnittelijoille ja insinööreille on nyt aika alkaa pohtia, miten terahertsiteknologia vaikuttaa infrastruktuuriin. Tiivistys, kehittyneet antennijärjestelmät ja integrointi optisiin kuituihin ovat välttämättömiä. Sääntelyelinten on jaettava taajuuksia harmonisesti, tasapainottamalla passiivisten ja aktiivisten palvelujen tarpeita. 6G:n tulevaisuus on kirjoitettu terahertsikaistalle, ja se on tulevaisuuden poikkeuksellinen kyky.