Несмотря на то, что 5G еще далеко не полностью развернут, исследователи во всем мире уже концентрируются на следующем поколении сети. Очевидно, что существуют серьезные предположения о том, какой именно будет 6G, и, хотя еще слишком рано делать точные прогнозы, но можно посмотреть, как ученые подходят к решению проблем.
Когда были обнародованы подробности и ожидания от 5G, было много скептиков — и многие остаются таковыми, — поскольку новый стандарт увеличивает рабочие частоты на несколько порядков выше, чем 4G. Самые высокие из этих частот зарезервированы только для вариантов Wi-Fi с очень малым радиусом действия и некоторых других приложений. При этом инфраструктура уже быстро разворачивается на частотах 24 и 28 ГГц, а в ближайшие годы появятся более высокие частоты.
К тому времени, когда появится 6G, возникнет больше проблем, которые необходимо будет преодолеть, и в некоторых случаях они будут даже сложнее, чем у его предшественника. Тем не менее, будет больше возможностей, многие из которых выходят за рамки возможностей 5G.
Более революционный, чем эволюционный
Если использовать историю «ячеистых» поколений в качестве базы, то, что было определено в каждом стандарте, было частично достигнуто его последующим поколением. То есть кое-что из того, что было запланировано для 2G, в конечном итоге было реализовано в 3G, а 4G предоставил более полную меру того, для чего был предназначен 3G, но не смог полностью реализовать концепцию. Целью каждого поколения было, прежде всего, достижение более высоких скоростей передачи данных и более широкого покрытия.
Ситуация изменилась с появлением 5G, который можно рассматривать как полное переосмысление сотовых технологий, впервые выходящий за рамки смартфонов, планшетов и ноутбуков в гораздо более широкий ландшафт под крышей IoT (интернет вещей). Это открыло эру программно-определяемых архитектур для пользовательского оборудования, инфраструктуры и всей сети, а также расширило частоты, используемые беспроводными системами, до диапазона миллиметровых волн.
Любое из этих достижений, возможно, станет крупным достижением, но 5G переплюнет их всех. При запуске примерно в 2030 году 6G попытается достичь того, чего не удалось 5G, будь то чрезвычайно низкая задержка или мультигигабитная скорость в широком диапазоне территории страны.
6G, вероятно, будет иметь примерно те же параметры, что и 5G, поскольку он достигает частот, близких к спектру световых волн, увеличивает скорость нисходящего канала до 1 Тбит / с и использует технологии, которые либо еще не существуют сегодня, либо разрабатывались годами без свободного рынка, способного «подтолкнуть» их развитие. Это также полностью обеспечит работу приложений, для которых требуется значительно меньшая задержка, чем в конечном итоге достигается с помощью 5G, и обеспечит мгновенную связь между потребителями, устройствами, транспортными средствами и окружающей средой (таблица 1).
Однако 6G предложит даже больше, используя преимущества искусственного интеллекта и машинного обучения, а также такие приложения, как автономные транспортные средства, роботизированное управление, голографические игры высокой четкости и многое другое. Все эти приложения подпадают под категории беспроводного познания, зондирования, обработки изображений, беспроводной связи, а также определения местоположения и навигации.
6G обещает скорость передачи данных до 1 Тбит / с (1 миллион Мбит / с), что в 1000 раз быстрее, чем 5G. Это потребует огромной полосы пропускания канала от 1 ГГц. Единственный доступный спектр, который обеспечивает требуемую полосу пропускания, составляет от 100 ГГц до 3 ТГц. Неудивительно, что этот диапазон использовался только для научных исследований, включая радиоастрономию, спутниковую службу исследования Земли (ССИЗ), службу космических исследований (СКИ) и, в ограниченной степени, любительское радио.
FCC (ФКС) признает технологические грандиозные масштабы и время, необходимое для реализации 6G, и в 2019 году инициировала программу под названием New Horizons. Она обеспечивает практически свободный от правил путь для экспериментов на нелицензированных частотах от 95 ГГц до 3 ТГц. Экспериментальное лицензирование использовалось комиссией много раз в рамках правил Части 5 Экспериментальной радиослужбы (ERS). На этот раз он создает новый тип лицензии, который называется лицензией Spectrum Horizons Experimental Radio (или Spectrum Horizons License).
Цель программы — снизить барьер для входа, упростив получение экспериментальных лицензий с некоторыми типичными препятствиями, которые требуются при обычном лицензировании. Она обеспечивает широкую гибкость в таких спецификациях, как частотный диапазон, мощность и излучение, с единственной оговоркой, что экспериментатор должен воздерживаться от создания помех существующим службам.
Будет доступен спектр более 21 ГГц, от 116 до 123 ГГц, от 174,8 до 182 ГГц, от 185 до 190 ГГц и от 244 до 246 ГГц (таблица 2). Даже на более низких частотах миллиметрового диапазона доступный спектр огромен. Например, только нелицензируемая полоса 60 ГГц предлагает доступную полосу пропускания, эквивалентную той, которая используется сегодня практически всеми лицензированными и лицензируемыми услугами, от вышеуказанного постоянного тока до частот в 7 ГГц.
FCC отмечает, что в дополнение к традиционной связи эти частоты могут использоваться для каналов передачи данных, которые позволяют передавать широкополосные несжатые видеосигналы высокой четкости и другие высокоскоростные данные для других типов приложений. В качестве примера комиссия указала, что японская компания NTT использовала беспроводные каналы связи на частоте 120 ГГц для прямого телетрансляции Олимпийских игр 2008 года в Пекине.
«Терагерцовые трепетания»
Многие ученые и инженеры считают, что чем выше частота, тем выше потери в пространстве. Поэтому операция в терагерцовом диапазоне — это фантастика. Такое положение, наряду с отсутствием подходящих полупроводниковых технологий, возможно, является одной из основных причин, по которым миллиметровые длины волн не используются. Однако это далеко не полная картина по нескольким причинам.
Во-первых, на частотах УВЧ и СВЧ, используемых в настоящее время для беспроводной связи, потери при передаче сигнала возникают в основном из-за молекулярного поглощения, которое очень мало по сравнению с более высокими частотами. Но в более высоких диапазонах спектра играют роль и другие факторы, такие как рассеяние волн под влиянием осадков и «падающей листвы» (практически все физические объекты на пути сигнала способны оказывать существенное влияние на него), что значительно снижает дальность передачи и надежность. Таким образом, можно было ожидать, что на частоте 1 ГГц, где длина волны составляет 0,3 мм, связь будет казаться если не невозможной, то, по крайней мере, непрактичной для использования традиционными беспроводными услугами.
Во-вторых, длины волн субтерагерцового диапазона по своей природе охватывают более короткие расстояния, но потери от более низких частот к более высоким нелинейны (рисунок ниже). Это связано с тем, что резонансные частоты кислорода, водорода и других газов в атмосфере поглощают больше электромагнитной энергии, чем другие. Вот почему несколько приложений, работающих на этих длинах волн, работают только на определенных частотах. По этой же причине FCC выбрала нелицензированные диапазоны для Spectrum Horizons.
Однако д-р Тед Раппапорт, профессор электротехники в инженерной школе Тандон, Нью-Йоркского университета, директор-основатель NYU Wireless и один из первопроходцев в области беспроводной связи, подчеркивает важный момент: для эффективности антенны изотропно излучаемая мощность (EIRP), потери на линии передачи в пространстве уменьшаются квадратично с увеличением частоты, если апертура антенны имеет одинаковый размер (то есть количество элементов) на каждом конце пути передачи. Было продемонстрировано, что при той же выходной мощности РЧ, когда это условие выполняется, мощность сигнала на частоте 140 ГГц в свободном пространстве фактически на 5,7 дБ больше, чем на частоте 73 ГГц, и на 14 дБ больше, чем на частоте 28 ГГц.
Фактически, согласно заключениям Раппапорта, многие миллиметровые и терагерцовые диапазоны имеют заметно небольшие потери по сравнению с диапазонами ниже 6 ГГц, добавляя лишь 10 дБ / км потерь на частотах до 300 ГГц. Эти полосы частот можно легко использовать для высокоскоростных мобильных беспроводных сетей 6G с диапазоном покрытия до километра и, возможно, даже до 10 км или более в фиксированных приложениях. Фактически, хотя большая часть спектра между 600 и 800 ГГц страдает от ослабления от 100 до 200 дБ / км, оно составляет всего 10-20 дБ на расстоянии 100 м, что является типичным радиусом небольшой соты.
Было показано, что такие частицы, как капли дождя, снег и град, вызывают значительное ослабление на частотах выше 10 ГГц. На частоте 73 ГГц сигналы ослабляются на 10 дБ / км при интенсивности дождя 50 мм / ч. Затухание волн «в дожде» выравнивается от 100 ГГц до 500 ГГц, а это означает, что дождь не вызовет дополнительного затухания на рабочих частотах выше 100 ГГц.
Хотя все это может показаться противоречащим общепринятым представлениям, он считает, что на таких высоких частотах действительно огромное количество прямого усиления может быть достигнуто с использованием крошечных антенн с электронным управлением с множеством элементов. Это могло бы противодействовать эффекту атмосферного затухания, сохраняя при этом то же отношение сигнал / шум, что и на более низких частотах. Короче говоря, эти антенны позволят мобильным системам работать в терагерцовом диапазоне.
Проблемы и решения
Прежде чем 6G станет реальностью, необходимо преодолеть огромные проблемы. Они простираются от разработки полупроводниковых технологий, способных производить необходимую мощность на частотах суб-терагерцового диапазона, до электронно-управляемых фазированных антенных решеток, необходимых для обеспечения достаточного усиления для преодоления различных факторов, которые чрезвычайно затрудняют связь в этой спектральной области.
Для достижения скорости передачи данных около 100 Гбит / с схемам модуляции потребуется спектральная эффективность более 14 бит / с / Гц, что значительно превышает то, что доступно сегодня. ВЧ усилители мощности для этого будущего поколения потребуют использования кремний-германия (SiGe), кремний-на-изоляторе (SOI) и полупроводниковых технологий BiCMOS, а также, возможно, фосфида индия. Площадь, необходимая для базовых станций, может быть значительно уменьшена по мере увеличения частоты и размера антенного элемента, а расстояние на лицевой стороне решетки между элементами решетки составляет всего несколько сотен микрометров даже в нижнем диапазоне терагерцового режима.
Неудивительно, что DARPA участвует в разработке полупроводниковых технологий для приложений терагерцового диапазона. В рамках программы агентства «Технологии смешанных сверхмасштабируемых интегральных схем» (T-MUSIC) исследуется интеграция схем SiGe HBT, CMOS, SOI и BiCMOS в надежде получить усилители мощности, работающие на частоте до 1 ТГц. Целью T-MUSIC является разработка терагерцовых устройств со смешанным режимом, которые объединяют цифровую обработку и интеллект на одном чипе (рисунок ниже).
Программа фокусируется на передовых материалах, устройствах обработки сигналов и схемах смешанного режима на основе передовой платформы для изготовления CMOS, которая, как она надеется, значительно повысит скорость и точность интегрированной электроники смешанного режима. Участники программы T-MUSIC (BAE Systems, Raytheon, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Калифорнийский университет в Сан-Диего и Университет Юты) будут разрабатывать передовые технологии смешанного «литья» с транзисторами, работающими на частотах не менее 1 ТГц, а также широкополосные прецизионные интегральные схемы смешанного режима.
Антенная решетка, состоящая из 1000 элементов, может поместиться на площади менее 4 см2 при частоте 250 ГГц. Для пользовательского оборудования это означает, что мобильные устройства могут содержать несколько десятков тысяч антенн, а базовые станции превратятся в крошечные соты с радиусом действия 10 м. Лучи «шириной с карандаш», создаваемые этими антеннами, также могут уменьшить помехи, помехи и обнаружение.
Технология расширения зоны покрытия будет необходима для предоставления услуг беспилотным летательным аппаратам, кораблям и космическим аппаратам, поскольку их зоны обслуживания не полностью покрыты обычными сотовыми сетями. Чтобы исправить это, можно использовать геостационарные спутники на низкой околоземной орбите (LEO) и высотные псевдоспутники (HAPS) для покрытия горных и удаленных районов, моря и космоса, а также для предоставления услуг связи в новых районах. HAPS привлекают все больше внимания, потому что они могут быть размещены в фиксированном месте на высоте около 20 км, обеспечивая широкое покрытие с радиусом соты более 50 км на суше. Кроме того, HAPS предлагает решение для предоставления услуг высокоскоростного подключения портативным базовым станциям, а также для промышленных сценариев интернет вещей.
Выводы
До первых ощутимых доказательств того, что 6G может быть реализовано, еще далеко, но поскольку промышленность, научные круги и другие организации уже полностью вовлечены в разработку, будет интересно понаблюдать, как объединяются различные элементы данной системы. При развертывании 6G можно многого добиться, помимо загрузки художественного фильма за две секунды, от чрезвычайно точного определения местоположения и других приложений обнаружения до средств связи для предотвращения помех, когда действительно желательно малое расстояние.
К 2035 году, вероятно, произойдет огромный прогресс в программно-определяемом оборудовании, искусственном интеллекте, вычислительной мощности и других технологиях. Сети будут развиваться от чисто наземной беспроводной связи до спутников, которые заполнят пробелы, недоступные для наземных платформ, а также будет свершен (хотелось бы верить) длинный список других полезных достижений. Время покажет, как будет развиваться 6G, но, как и 5G, то, что когда-то казалось фантастикой, теперь постепенно внедряется в нашу жизнь.
