Понимание частот Терагерца

Электромагнитный спектр огромен, и в течение десятилетий беспроводная связь работала в основном ниже 100 ГГц. По мере продвижения к 6G внимание смещается в терагерцовую (THz) полосу, примерно охватывающую от 0,1 ТГц до 10 ТГц. Эта область находится между микроволновым и инфракрасным светом, предлагая сладкое место для ультра-широкополосной передачи. Терагерцовые волны часто называют субмиллиметровыми волнами, потому что их длины волн варьируются от 3 мм до 0,03 мм. Эта небольшая длина волны является ключевой: она позволяет иметь большую полосу пропускания и потенциал для скорости передачи данных в сотнях гигабит до нескольких терабитов в секунду.

Чтобы представить это в перспективе, 4G LTE использует частоты ниже 2,5 ГГц, в то время как 5G mmWave работает около 24-40 ГГц, с некоторыми экспериментальными диапазонами до 70 ГГц. Терагерц начинает примерно на три порядка выше. Доступная полоса пропускания в области ТГц огромна - отдельные каналы могут быть десятками ГГц в ширину - позволяя приложения, которые были ранее научной фантастикой. Однако физика распространения волн на этих частотах радикально отличается. В отличие от сигналов суб-6 ГГц, волны ТГц испытывают высокую потерю пути свободного пространства, сильное поглощение атмосферными газами (особенно водяным паром) и ограниченное проникновение через твердые объекты. Эти факторы делают проектирование сетей 6G с использованием ТГц глубокой инженерной задачей.

Обещание сетей 6G

6G рассматривается как сдвиг парадигмы за пределы уже амбициозных целей 5G. В то время как 5G принесла высокую пропускную способность и низкую задержку, 6G нацелена на улучшение порядка величины: пиковые скорости передачи данных, превышающие 1 Тбит/с, задержка ниже 0,1 мс и сверхнадежная связь для триллиона устройств. Частоты Терагерца являются краеугольным камнем этого видения, обеспечивая чрезвычайную пропускную способность, необходимую для действительно захватывающих впечатлений и связи между машинами в масштабе.

Ультравысокие показатели данных для погруженных приложений

С помощью терагерцовых ссылок загрузка фильма 4K может занять менее секунды. Что еще более важно, голографические коммуникации в реальном времени, объемная потоковая передача видео и несвязанная расширенная реальность (XR) становятся осуществимыми. Эти приложения требуют огромной пропускной способности - один голографический поток может потребовать десятки Гбит/с. Исследователи из Nokia Bell Labs продемонстрировали, что терагерцовые системы могут поддерживать 0,5 Тбит/с ссылки на короткие расстояния, открывая дверь для замены беспроводного волокна в центрах обработки данных и местах с высокой плотностью.

Низкая задержка и контроль в реальном времени

Задержка в 6G, как ожидается, будет практически незаметной. Короткие символьные длительности, возможные на частотах ТГц, позволяют чрезвычайно быстро обрабатывать и синхронизировать. Это имеет решающее значение для таких приложений, как удаленная роботизированная хирургия, автономная координация транспортных средств и промышленная автоматизация, где миллисекундные задержки могут быть катастрофическими. В сочетании с периферийными вычислениями и передовым формированием луча, THz-связи могут обеспечить детерминированную, бесшумную связь.

Массивная связь с устройством и сенсорная

Сети 6G не только соединят людей, но и широкий спектр датчиков и исполнительных механизмов. Терагерцовые волны естественным образом подходят для зондирования и визуализации с высоким разрешением из-за их коротких длин волн. Это позволяет осуществлять интегрированную связь и зондирование — концепция, называемая совместной связью и зондированием (JCAS). Одна базовая станция THz может одновременно доставлять высокоскоростные данные и захватывать мелкозернистые данные об окружающей среде, позволяя приложениям в автономной навигации, распознавании жестов и неразрушающем тестировании. Инициатива 6G World подчеркивает, как зондирование THz может дополнять связь на интеллектуальных заводах и в умных городах.

Технические проблемы на пути к Terahertz 6G

Несмотря на обещание, развертывание терагерцовых частот сталкивается с грозными препятствиями.Исследователи активно занимаются каждым, но путь к коммерческому развертыванию крут.

Распространение и атмосферная абсорбция

Терагерцовые волны сильно поглощаются атмосферным водяным паром, кислородом и другими молекулами. При 0,1 ТГц затухание составляет около 0,1 дБ/км; при 1 ТГц оно поднимается до 10-20 дБ/км, а на более высоких частотах становится непомерно высоким. Дождь, туман и даже влажность вызывают дополнительные потери. Это означает, что наружные THz-ссылки, вероятно, ограничены диапазонами от десятков до нескольких сотен метров. Использование в помещении более перспективно, но все же требует тщательного развертывания. Для преодоления этого 6G, вероятно, будет полагаться на чрезвычайно плотные сети малых клеток, возможно, используя интеллектуальные отражающие поверхности (IRS) и реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS) для управления сигналами вокруг препятствий. Исследование из IEEE Communications Surveys & Tutorials обеспечивает комплексный анализ моделирования и распространения канала ТГц.

Дизайн трансивер и антенна

Создание эффективных приемопередатчиков для терагерцовых частот является серьезной аппаратной проблемой. Традиционная электроника на основе CMOS борется за генерацию достаточной мощности на этих частотах. Перспективные альтернативы включают полупроводники III-V (например, InP и GaAs), кремниево-германийные (SiGe) BiCMOS и новые технологии, такие как графеновые и плазмонные устройства. Антенны также должны быть крошечными и высоконаправленными. Фазированные массивы с тысячами элементов необходимы для формирования узких пучков, которые противодействуют высоким потерям пути. Допуски к производству должны быть нанометрового масштаба. Такие компании, как Университет Карнеги Меллона, являются пионерами в области антенных решеток на чипе, которые интегрируются с усилителями и микшерами THz.

Обработка сигналов и шум

На частотах ТГц показатель шума приемника по своей природе выше из-за теплового шума и сложности достижения усиления с низким уровнем шума. Это ограничивает чувствительность и динамический диапазон. Для максимизации спектральной эффективности необходимы расширенные схемы модуляции, такие как ортогональное мультиплексирование с частотным разделением (OFDM) с QAM высокого порядка, но они требуют чрезвычайно точной характеристики фазового шума от местных осцилляторов. Кроме того, узкие ширины луча требуют быстрого отслеживания луча для поддержания связей с мобильными пользователями. Алгоритмы машинного обучения разрабатываются для управления лучом в реальном времени. Рабочая группа 5D ITU-R активно изучает технические требования для будущих наземных систем IMT-2030, включая полосы кандидатов ТГц.

Текущие исследования и прорывы

Исследования терагерцовой связи ускорились во всем мире. В Соединенных Штатах программа DARPA T-MUSIC направлена на разработку масштабируемых, эффективных приемопередатчиков THz. В Европе флагманский проект 6G HEXA-X-II исследует THz в качестве ключевого активатора. В Азии, Китае и Японии есть обширные испытательные стенды для полос суб-THz (например, 100 ГГц-300 ГГц). Один заметный прорыв произошел из сотрудничества между Brown University и Токийским университетом, демонстрируя связь 100 Гбит/с на 0,3 ТГц с использованием фотонного поколения. Еще одна захватывающая разработка - использование графена для модуляторов и детекторов THz, предлагая сверхбыстрые скорости переключения и низкое энергопотребление.

Метаматериалы и метаповерхности также имеют большие перспективы. Эти искусственные структуры могут манипулировать терагерцовыми волнами способами, которые невозможны с природными материалами. Например, реконфигурируемые метаповерхности могут действовать как пассивные реле, перенаправляя лучи в обход препятствий. Исследователи из MIT продемонстрировали программируемую метаповерхность, которая работает при 1 ТГц, способную управлять лучом и фокусироваться. Между тем, прогресс в фотонной интеграции — объединение лазеров, детекторов и волноводов на одном чипе — позволяет использовать компактные, недорогие источники ТГц.

Процесс стандартизации для 6G идет полным ходом. 3GPP начал изучение пунктов для выпуска 19, с полными спецификациями, ожидаемыми около 2030 г. Рамочная программа IMT-2030 ITU описывает сценарии использования, такие как иммерсивная связь, массивная связь и гипернадежная связь с низкой задержкой - все это может использовать полосы THz. Однако многие технические параметры остаются неопределенными. Ключевые решения включают точный диапазон частот (вероятно, до 140 ГГц первоначально, затем до 300 ГГц), дизайн формы волны и схемы множественного доступа.

Заключение и перспективы на будущее

Частоты Терагерца представляют собой следующий большой рубеж для беспроводной связи. Хотя проблемы в распространении, аппаратном обеспечении и обработке сигналов значительны, потенциальные выгоды преобразующими. Сети 6G, питаемые терагерцем, позволят приложениям, которые размывают грань между физической и цифровой реальностью, от голографического телеприсутствия до цифровых двойников в реальном времени. По мере продолжения исследований мы можем ожидать увидеть ранние демонстрации и коммерческие прототипы в течение следующих пяти лет. Путешествие из лаборатории в полевые будет трудным, но обещание терабит-в-секунду скорости и беспрецедентная связь делает его путешествие стоящим.

Для сетевых планировщиков и инженеров сейчас самое время начать рассматривать, как технология терагерцового покрытия повлияет на инфраструктуру. Плотное развертывание, передовые антенные системы и интеграция с оптоволоконным обратным каналом будут иметь важное значение. Органам регулирования необходимо будет гармонично распределять спектр, уравновешивая потребности пассивных и активных служб. Будущее 6G записывается в терагерцовой полосе, и это будущее экстраординарных возможностей.