Komunikacja Terahercowa

Dlaczego 6G rozważa wyższe pasma

Historia komunikacji bezprzewodowej pokazuje stały wzrost wymagań dotyczących szybkości i pojemności. Każda generacja technologii mobilnej zwiększała możliwości sieci i otwierała nowe zastosowania. Od rozmów głosowych w 1G, przez mobilny internet w 3G, po wideo w wysokiej rozdzielczości w 4G i 5G, zapotrzebowanie na dane rosło szybciej niż możliwości wielu istniejących wdrożeń. Dokumenty dotyczące 6G często wskazują okolice 2030 roku jako horyzont pierwszych wdrożeń, lecz nie jest to gwarantowany termin ani gotowa specyfikacja.

Proponowane zastosowania 6G, w tym komunikacja holograficzna w czasie rzeczywistym, cyfrowe bliźniaki miast o wysokiej wierności oraz sieci wykrywające świat fizyczny, wymagają większej wydajności niż obecne systemy 5G. Dodatkowe widmo radiowe jest jednym z zasobów rozważanych do spełnienia tych wymagań. Każda komunikacja bezprzewodowa jest istotnie ograniczona przez ilość dostępnej . Widmo radiowe jest ograniczonym zasobem naturalnym, a pasma częstotliwości używane przez obecne technologie, od radia AM po Wi-Fi i 5G, stają się coraz bardziej zatłoczone.

Raporty o przyszłych technologiach 6G omawiają przepływności do $1 \text{ Terabitu na sekundę}$ . Jest to cel badań i demonstratorów, nie parametr przyjętej sieci. Zalecenie ITU-R M.2160 podaje dla IMT-2030 przykładowe cele szczytowej szybkości $50$ , $100$ i $200$ Gb/s zależne od scenariusza. Osiągnięcie większych przepływności wymagałoby wykorzystania nowych, w dużej mierze niezagospodarowanych zakresów widma elektromagnetycznego. Jednym z analizowanych kierunków jest pasmo terahercowe, które oferuje szerokie pasma, lecz stawia też poważne wyzwania techniczne.

Czym jest Pasmo Terahercowe?

Pasmo terahercowe stanowi specyficzną część widma elektromagnetycznego. Znajduje się ono w wyjątkowym miejscu, tworząc most między dwoma bardziej znanymi regionami.

W literaturze technicznej zwykle obejmuje częstotliwości od około $0.1 \text{ teraherca}$ ( $100 \text{ GHz}$ ) do $10 \text{ teraherców}$ . Jest to konwencja opisu szersza niż zakresy analizowane w konkretnych badaniach. Raport ITU-R M.2541 bada wykonalność IMT powyżej $100$ GHz i przywołuje przykłady pasm THz od $100$ GHz do około $3$ THz. Zakres ten leży powyżej fal milimetrowych używanych w części sieci 5G i poniżej podczerwieni. Nie oznacza to istnienia jednego, powszechnie przyjętego przydziału widma dla komunikacji 6G. Raport obejmuje propagację, blokowanie, anteny i możliwe architektury, lecz nie ustanawia wymogu użycia THz.

"Luka Terahercowa"

Przez wiele dziesięcioleci ten region widma był znany jako luka terahercowa. Nazwa wynikała z trudności technicznych po obu stronach zakresu. Częstotliwości były zbyt wysokie dla wielu konwencjonalnych komponentów elektronicznych, a jednocześnie zbyt niskie dla części klasycznych komponentów fotonicznych stosowanych w komunikacji optycznej. Pasmo THz było więc trudne do wykorzystania i znajdowało zastosowanie głównie w badaniach. Postępy w półprzewodnikach, materiałach takich jak grafen oraz technikach fotonicznych poszerzyły możliwości demonstratorów i układów badawczych. Nie oznacza to zakończenia problemu z urządzeniami komercyjnymi.

Pojemność widmowa pasma terahercowego w 6G

Jedną z głównych zalet pasma terahercowego rozważanego dla 6G jest szeroki zakres potencjalnie dostępnego widma. Jest on znacznie większy niż typowe kanały wykorzystywane obecnie w łączności bezprzewodowej, choć rzeczywista dostępność zależy od regulacji, propagacji i sprzętu. Szerokość zakresu nie oznacza automatycznie jednego ciągłego kanału: znaczenie mają okna strat atmosferycznych, ograniczenia nadajnika i odbiornika oraz wymagania dotyczące współdzielenia widma.

Obecne sieci 5G, także w zakresie fal milimetrowych, korzystają z kanałów o szerokości od dziesiątek do kilkuset megaherców, zależnie od pasma. W badaniach THz analizuje się kanały o szerokości dziesiątek, a nawet setek gigaherców. Zgodnie z twierdzeniem Shannona-Hartleya przepływność rośnie wraz z szerokością pasma przy określonym stosunku sygnału do szumu, lecz ograniczają ją także moc, modulacja, szum i absorpcja. W uproszczonym kanale AWGN zależność zapisuje się jako $C=B\log_2(1+S/N)$ . Taki potencjał uzasadnia badania nad bardzo szybkimi transmisjami, w tym nad skompresowanymi strumieniami obrazu przestrzennego. Nieskompresowane holograficzne wideo pozostaje przykładem wymagania badawczego.

Bardzo krótkie długości fal sygnałów THz mogą również wspierać wykrywanie sensoryczne o wysokiej rozdzielczości. Rozdzielczość zależy od długości fali, geometrii pomiaru, szerokości pasma i algorytmów. Badania obejmują obrazowanie i pozycjonowanie z dokładnością milimetrową lub submilimetrową, jednak wyniki zależą od układu pomiarowego i nie stanowią gwarantowanej cechy sieci. Wspólne wykorzystanie sygnałów do komunikacji i wykrywania jest jednym z kierunków wizji 6G. W praktycznym systemie trzeba dodatkowo rozdzielić odbicie od obiektów, zakłócenia i sygnały innych użytkowników, dlatego dokładność pomiaru nie wynika z samej częstotliwości.

Ograniczenia propagacji i sprzętu w paśmie THz

Komunikacja w paśmie THz ma duży potencjał, lecz właściwości fal o bardzo wysokiej częstotliwości tworzą wyzwania propagacyjne, sprzętowe i wdrożeniowe większe niż w niższych pasmach komórkowych.

Wyzwanie 1: Silne Tłumienie Atmosferyczne

Jednym z głównych ograniczeń jest silne fal THz podczas ich podróży przez powietrze. Na bilans łącza wpływają straty w wolnej przestrzeni oraz absorpcja molekularna.

Cząsteczki pary wodnej i tlenu mają linie absorpcyjne, które zwiększają tłumienie w wybranych częściach zakresu THz. Wielkość straty zależy od częstotliwości, odległości, ciśnienia i wilgotności. Opady i mgła mogą dodatkowo zmieniać bilans łącza, lecz nie każde łącze THz staje się przez nie bezużyteczne. Zalecenie ITU-R P.676 opisuje tłumienie gazowe jako funkcję częstotliwości, ciśnienia i zawartości pary wodnej, a metoda sumowania linii absorpcyjnych obejmuje zakres do $1000$ GHz. Występują okna transmisyjne o mniejszym tłumieniu i to ich dobór, wraz z krótkim zasięgiem, jest przedmiotem badań.

Wyzwanie 2: Ekstremalne Blokowanie i Straty Penetracji

Wiele łączy THz ma silną składową bezpośrednią i niewielką penetrację materiałów. Ściany, meble, drzewa, a nawet ludzkie ciało mogą silnie osłabić lub zablokować sygnał. Odbicia i rozpraszanie mogą tworzyć dodatkowe ścieżki, lecz ich stabilność jest zależna od środowiska. Wymaga to często niezakłóconej ścieżki między nadajnikiem a odbiornikiem w celu zapewnienia niezawodnego połączenia. Jest to poważne ograniczenie, które wymaga innego sposobu projektowania sieci THz i może prowadzić do gęstszej infrastruktury niż w niższych pasmach.

Wyzwanie 3: Ograniczenia sprzętowe nadajników i odbiorników THz

Efektywne i niedrogie generowanie, wzmacnianie i wykrywanie sygnałów THz pozostaje wyzwaniem inżynieryjnym związanym z "luką terahercową". Ograniczenia obejmują moc wyjściową, sprawność, szum fazowy oraz szybkość przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo-analogowych.

Elektronika Półprzewodnikowa: Tranzystory z materiałów takich jak krzem-german (SiGe) czy fosforek indu (InP) są rozwijane dla dolnego zakresu THz. Wysokie częstotliwości ograniczają jednak moc wyjściową i sprawność energetyczną, zależnie od technologii układu.
Podejścia Fotoniczne: Generowanie fal THz za pomocą metod optycznych, takich jak mieszanie dwóch laserów o nieco różnych częstotliwościach w fotodiodzie, jest obiecującym kierunkiem. Systemy te są jednak często skomplikowane, duże i drogie, co utrudnia ich integrację w małym urządzeniu, takim jak smartfon. Badania porównują to podejście z układami półprzewodnikowymi, zależnie od wymaganej mocy i odległości.
Projektowanie Anten:Krótkie fale THz pozwalają projektować małe anteny i gęste macierze, w badaniach obejmujące setki lub tysiące elementów. Skupione "wiązki ołówkowe" pomagają kompensować straty propagacyjne, lecz wymagają szybkiego i dokładnego sterowania przy ruchu użytkownika.

Architektura sieci dla krótkich łączy THz

Pokonanie wyzwań komunikacji w paśmie THz wymaga rozwoju komponentów oraz przeprojektowania architektury sieci.

Gęste Pikokomórki i Femtokomórki: Krótki zasięg może wymagać gęstej sieci małych punktów dostępowych o niskiej mocy. W koncepcjach badawczych rozważa się ich integrację z sufitami, latarniami i elementami wyposażenia, aby tworzyć lokalne obszary o wysokiej przepustowości.
Inteligentne Powierzchnie Rekonfigurowalne (RIS): RIS jest jednym z kandydatów do ograniczania problemu linii widoczności. Programowalne powierzchnie mogą kierować odbiciem fali na ścianie lub budynku. W scenariuszu badawczym RIS mogłaby przekierować sygnał THz za róg i utworzyć alternatywną ścieżkę, lecz skuteczność zależy od materiału, geometrii i strat.
Wielopasmowe Sieci Hybrydowe: W badanych architekturach pasmo THz uzupełniałoby niższe pasma. Urządzenie wielopasmowe mogłoby używać łącza THz dla krótkiego dystansu i dużej przepustowości, a następnie przełączać się na niższe pasmo 5G lub Wi-Fi, gdy wymaga tego zasięg albo brak linii widoczności. Sposób takiego przełączania pozostaje elementem projektów i badań.

Raport ITU-R M.2541 wskazuje kilka klas scenariuszy dla zakresów powyżej $100$ GHz: krótkie hotspoty, pomieszczenia przemysłowe, pojazdy autonomiczne, łącza wewnątrz pomieszczeń oraz dostęp i backhaul. Wspólną cechą tych scenariuszy jest konieczność kontrolowania budżetu łącza, kierunku wiązki i przeszkód. Gęstsza infrastruktura oraz wielopasmowość są hipotezami projektowymi wynikającymi z propagacji. Raport nie stanowi gotowego planu wdrożenia 6G.

Praktyczny system musiałby koordynować wyszukiwanie wiązki, przełączanie, synchronizację i limity cieplne wielu punktów dostępowych. Te ograniczenia sterowania i sprzętu mogą obniżyć użyteczną przepływność względem szerokości widma podawanej dla demonstratora. Wyniki laboratoryjne i obliczenia widmowe opisują więc dowody z badań, nie parametry urządzenia konsumenckiego.

Stan badań nad łącznością THz

Komunikacja terahercowa pozostaje kierunkiem o wysokim potencjale i wysokim ryzyku technicznym w wizji 6G. Dzisiejsze demonstracje laboratoryjne nie przesądzają o globalnym wdrożeniu komercyjnym około 2030 roku. Zespół badawczy na całym świecie rozwija materiały, komponenty i architektury, które mogą ograniczyć straty propagacyjne oraz koszty urządzeń. Wynik tych prac zdecyduje, czy pasmo terahercowe znajdzie praktyczne zastosowania obok niższych zakresów częstotliwości.