Автор: Алексей Бондарев. 6G — поколение беспроводной связи, которое должно появиться в обозримом будущем. Для его реализации предстоит ещё многое сделать, но уже сейчас понятно, какие ключевые элементы будут лежать в основе стандартов 6G.

В этой статье я расскажу о физических основах технологии 6G, которые будут во многом отличаться от того, что лежит в основе предыдущих поколений беспроводной связи. Сеть 6G принесёт технологии искусственного интеллекта (ИИ) в каждый дом. Речь пойдёт о таких вещах как терагерцовый диапазон частот, антенны, применяемые в этом диапазоне, новые схемы модуляции, новые методы множественного доступа и технологии ультрамассивного MIMO.

Введение

Опираясь на фундамент 5G, беспроводная сеть 6G поставила амбициозную цель совершить повсеместную интеллектуальную революцию. Разработчики 6G видят её в качестве связующего звена между двумя мирами, физическим и цифровым. Искусственный интеллект (ИИ), основанный на машинном обучении, станет основой 6G, и в этой сфере общество полностью перейдет от подключённых людей и подключённых вещей к подключённому интеллекту. Иначе говоря, беспроводная сеть 6G нацелена на предоставление услуги ИИ каждому человеку, дому и бизнесу, что, в свою очередь, приведет к появлению всеобщего интеллекта.

Траектория развития 6G будет формироваться экспертами по всему миру, поскольку сети 6G будут строиться на основе открытых инноваций и единого унифицированного стандарта.

Принципиальные особенности технологии 6G, отличающие её от предыдущих поколений связи:

• 6G расширит возможности человеческого общения, обеспечивая максимальное погружение с достоверными ощущениями в произвольном месте;
• 6G станет новой формой межмашинного взаимодействия, предоставляя интеллектуальную связь для эффективного машинно ориентированного доступа. 6G будет полностью включать в себя как машинное обучение, так и ИИ;
• 6G откроет новое уникальное поколение беспроводных сетей с поддержкой всеобщего интеллекта. Отличительными свойствами 6G будут наличие искусственного интеллекта, надёжность и высокая энергоэффективность.

Ключевые технологические тенденции

• Новый спектр в терагерцовом диапазоне и оптическая беспроводная связь для чрезвычайно высоких скоростей передачи данных. Субтерагерцовый и миллиметровый диапазоны будут базовыми спектрами в сотовых сетях 6G, в то время как полоса нижнего ТГц диапазона (0,3–1,0 ТГц) будет основным кандидатом для передачи данных на короткие расстояния, например для использования внутри помещений или в каналах устройство устройство (D2D). ТГц диапазон обеспечивает сверхширокую полосу пропускания, превышающую десятки ГГц.
• Интегрированное сканирование окружающей среды и связь для новых услуг и улучшенной беспроводной связи.
• Искусственный интеллект как услуга и функция в системе связи 6G для интеллектуального подключения «умных» устройств.
• Надёжность 6G, основанная на многосторонней модели доверия и новых криптографических технологиях.
• Интеграция наземных и неназемных сетей для повсеместного доступа на всей земной поверхности.
• Экологичные и устойчивые сети с низкой совокупной стоимостью владения для устойчивого развития во всем мире.

Терагерцовый диапазон

Терагерцовый диапазон – это расширение возможностей использования спектра для беспроводной связи 6G. По сравнению с низкочастотными диапазонами, ТГц-диапазон имеет очевидные преимущества для связи с очень высокой скоростью передачи данных. Терагерцовый диапазон – это область спектра электромагнитного излучения между миллиметровыми волнами (от 300 ГГц) и дальним инфракрасным излучением (приблизительно до 3 ТГц). Он обеспечивает более широкую полосу пропускания по сравнению с миллиметровыми волнами и имеет более благоприятные параметры распространения, чем инфракрасное излучение. Основной целью терагерцовой связи является повышение спектральной эффективности с использованием технологий MIMO, достижение скорости передачи данных до нескольких Тб/с, которая выходит далеко за рамки возможностей 5G.

ТГц-связь обладает гораздо более богатыми спектральными ресурсами, чем полосы более низких частот, что делает её выгодной по нескольким причинам:

• ТГц-связь удовлетворит потребность 6G в пропускной способности, достигающей нескольких терабит в секунду.
• Интеграция большего количества антенных элементов в единую базовую станцию, поскольку длина волны обратно пропорциональна частоте и размеру антенны. Ожидается, что на базовых станциях будет установлено более 10 000 небольших антенн. Они способны справляться с потерями в тракте, генерируя сверхузкие лучи, которые достигают большей пропускной способности, одновременно поддерживая связь с большим количеством пользователей.
• Высоконаправленные антенные элементы помогают уменьшить межканальные помехи и предотвратить подслушивание во время связи, тем самым обеспечивая лучшую безопасность.

Недавние разработки в области полупроводниковой технологии позволили преодолеть “запрещённую зону” в ТГц-диапазоне, вызванную отсутствием аппаратных средств для работы в этом диапазоне, и стимулировали развитие различных применений терагерцовых частот.

Хотя сигналы в ТГц-диапазоне затухают сильнее, чем миллиметровые волны, всё же есть возможности найти подходящие диапазоны для передачи. Количество потенциальных окон частотных диапазонов с лучшими характеристиками распространения относительно велико (например, 140, 220 и 300 ГГц). Эти окна частотных диапазонов можно использовать для передачи на средние (например, 200 м) или короткие (менее 10 м) расстояния, избегая частотных областей с высоким атмосферным поглощением. Кроме того, длины волн в ТГц-диапазоне намного меньше, чем в диапазоне миллиметровых волн, и в одной и той же области на кристалле может быть размещено больше антенн, чтобы преодолеть затухание при распространении, тем самым улучшая покрытие.

В последнее время были исследованы различные архитектуры для систем терагерцовой связи и продемонстрированы испытательные стенды, основанные на двух различных подходах: электронный, где радиочастоты умножаются до ТГц; и фотонный, где оптические частоты делятся до ТГц. Следует отметить тот факт, что большинство этих систем разрабатываются в основном для связи на малых расстояниях внутри помещений, отчасти из-за высокого атмосферного затухания в ТГц-диапазоне. Однако этого можно до некоторой степени избежать, выбрав окно частот, в котором потери в атмосфере низкие, например 140, 220 и 300 ГГц.

Беспроводная связь в терагерцовом диапазоне продемонстрировала большой потенциал во многих приложениях связи малого радиуса действия в определенных частотных окнах (например, 140, 220 и 300 ГГц). Целевая группа IEEE 802.15.3d исследовала спектр 252–325 ГГц и определила варианты использования, такие как киоски для загрузки данных, внутричиповая/внутриплатная радиосвязь, беспроводная связь в центрах обработки данных, а также мобильные оконечные и транзитные каналы.

Проблемы использования терагерцового диапазона

• Системы беспроводной связи в ТГц-диапазонах испытывают большие потери в тракте передачи. Для компенсации высоких потерь обычно используются высоконаправленные антенные решётки.
• Проблема, связанная с широкополосными спектральными характеристиками материала и ограниченным диапазоном перестройки полупроводниковых источников, в результате чего рабочий диапазон источника ТГц-сигнала может оказаться недостаточным для покрытия всего спектрального диапазона. Последние работы показали заметный прогресс; например, сообщается об источнике ТГц-диапазона с широким диапазоном перестройки (0,04–0,99 ТГц).
• Достижения технологии полупроводников типа III-V/кремний позволили выполнять гетерогенную интеграцию различных высокопроизводительных компонентов, таких как электронные, фотонные, магнитные и графеновые компоненты. Поэтому для обеспечения оптимальных характеристик необходима комплексная платформа, которая была бы одновременно компактной и весьма разнородной, а также вбирала бы в себя все эти компоненты.

Подробнее о физических основах построения генераторов и приёмников ТГц-излучения вы можете прочитать в недавно вышедшей статье нашего блога.

Новые антенны