Sieci 6G - wyzwania i potencjał

Sieci 6G będą wykorzystywać częstotliwości powyżej 100 GHz, w tym także pasmo terahercowe obejmujące zakres od 300 GHz do 30 THz. Długości fal w tym paśmie zaczynają się od 1 mm (300 GHz) i przechodzą w coraz krótsze, rzędu mikrometrów, dlatego często nazywane jest ono pasmem submilimetrowym. Określa się je również mianem „przerwy terahercowej”, ponieważ znajduje się pomiędzy zakresami mikrofal i podczerwieni. Dla uproszczenia, w kontekście sieci 6G, do pasma terahercowego zalicza się już częstotliwości powyżej 100 GHz.

Choć teoretycznie wykorzystanie tak wysokich częstotliwości pozwala na osiągnięcie parametrów transmisji opisanych we wstępie, w praktyce stanowi to wyzwanie. Przede wszystkim zasięg jest ograniczony ze względu na tłumienie atmosferyczne.

Wpływ zjawisk atmosferycznych na jakość sygnału

Straty w wolnej przestrzeni to nieuniknione tłumienie sygnału związane z jego propagacją na duże odległości. Przykładowo, dla 10-metrowego łącza przy częstotliwości 300 GHz wynoszą 100 dB i zwiększają się proporcjonalnie do kwadratu częstotliwości oraz długości łącza. Oprócz tego, w obecności atmosfery, trzeba się liczyć z dodatkowymi stratami, które wpływają na amplitudę, fazę i polaryzację sygnału.

Cząsteczki gazu i wody w atmosferze są wzbudzane przez określone częstotliwości w paśmie THz. W rezultacie wibrują, co powoduje, że część energii rozchodzącej się fali zamienia się w energię kinetyczną i jest tracona. Rezonanse na poziomie molekularnym zyskują na znaczeniu, zwłaszcza gdy odległość transmisji przekracza 1 metr. W efekcie, ze względu na obecność cząsteczek gazu i wody w atmosferze, fala przemieszcza się wolniej, a część jej energii jest pochłaniana.

Sygnały o częstotliwościach w paśmie THz są także podatne na wpływ opadów atmosferycznych, zwłaszcza deszczu. Tłumienie jest w tym przypadku wypadkową dwóch mechanizmów. Pierwszym jest pochłanianie energii fali przy przejściu przez krople, które mają inne właściwości dielektryczne niż otaczające medium. Energia ta ogrzewa materiał absorbujący. Ponadto fala ulega rozproszeniu na kroplach.

Tłumienie w deszczu zależy od intensywności opadów – znaczenie mają takie cechy jak prędkość opadania kropel oraz rozkład ich wielkości. Typowo dla częstotliwości powyżej 100 GHz tłumienie wynosi około 10 dB/km przy ulewnych deszczach (kilkadziesiąt mm/h).

Wyzwania dla infrastruktury sieci 6G

Dla uzyskania prędkości transmisji rzędu Tb/s, które mają być osiągalne w sieciach 6G, konieczna jest odpowiednio duża przepustowość łącza. Chociaż pasmo terahercowe spełnia ten wymóg, w praktyce przepustowość, jaką będą mogli dysponować poszczególni operatorzy, będzie ograniczona i rozłożona na wiele pasm. Ponadto duża wydajność widmowa sieci 6G będzie uzyskiwana kosztem stosunku sygnału do szumu. Tymczasem im większy wymagany SNR, tym krótszy zasięg z powodu ograniczeń mocy transmisji przy wysokich częstotliwościach, a także dodatkowego szumu.

Kluczowe znaczenie dla zwiększenia zasięgu sieci 6G będzie miał wybór odpowiedniej technologii elementów półprzewodnikowych. Na przykład krzemowe komponenty CMOS sprawdzą się jeszcze w urządzeniach działających w pasmie poniżej 150 GHz, szczególnie przy krótkim zasięgu, a w technologii SOI – do 200 GHz.

Przy większym zasięgu będzie wymagane użycie innych materiałów, takich jak SiGe lub z grupy III–V, w przypadku wzmacniaczy mocy. W zakresie częstotliwości powyżej 200 GHz najlepszym rozwiązaniem będzie połączenie układów logicznych w technologii CMOS i tranzystorów na bazie związków półprzewodnikowych III–V we wzmacniaczach niskoszumowych oraz wzmacniaczach mocy. Technologia SiGe BiCMOS zapewnia aktualnie najlepszy kompromis, jeśli wziąć pod uwagę wydajność, niskie koszty i prostotę integracji dla częstotliwości od 200 do 500 GHz. Ostatecznie materiałem, który będzie dominował w sieciach 6G, może się jednak okazać InP. Komponenty na bazie fosforku indu były dotychczas technologią niszową. To się jednak zmienia, ze względu na wyróżniające ten materiał właściwości. Chodzi przede wszystkim o większą mobilność elektronów, w porównaniu z Si i GaAs oraz większe napięcie przebicia niż SiGe.

Poza specjalnymi technologiami półprzewodnikowymi sieci 6G będą również wymagać materiałów dielektrycznych o bardzo małej stratności w celu uniknięcia strat transmisji, opracowania nowych metod pakowania, które ułatwią integrację komponentów RF z antenami oraz rozwiązania problemów z zasilaniem i temperaturą, które się pojawiają, w miarę jak urządzenia stają się bardziej kompaktowe, a zarazem złożone.

Zastosowania technologii 6G - przykłady największych korzyści

Poza kwestiami technicznymi należy wziąć pod uwagę też aspekty biznesowe. Przede wszystkim, aby stymulować rozwój sieci 6G, konieczne jest zidentyfikowanie kluczowych przypadków ich użycia. Może to pozwolić na uniknięcie sytuacji analogicznej do tej, z jaką mamy do czynienia w przypadku technologii 5G na falach milimetrowych (5G mmWave). Pomimo wielu jej zalet, wciąż się nie upowszechniła, mimo że sieci 5G, z których większość nadal wykorzystuje częstotliwości poniżej 6 GHz, szybko się popularyzują. Przyczyną tego jest brak unikalnych zastosowań, które sieci 5G mmWave mogłoby zmonopolizować. Dlatego już na początku rozwoju sieci 6G warto zadać pytanie, w jakich konkretnych zastosowaniach mogłyby się sprawdzić.

Z perspektywy konsumentów prędkości transmisji na poziomie Tb/s i mikrosekundowe opóźnienia, których nie będą w stanie odczuć w urządzeniach przenośnych w aplikacjach, z których dotychczas korzystają, nie będą wystarczającym powodem, by płacić za nie więcej. Dlatego zastosowania sieci 6G będą raczej wykraczać poza komunikację mobilną, koncentrując się na detekcji, obrazowaniu i precyzyjnym pozycjonowaniu.

Przykład to pozycjonowanie robotów mobilnych z centymetrową dokładnością i bezprzewodowa transmisja wideo w czasie rzeczywistym o wysokiej rozdzielczości między robotami mobilnymi a ich kontrolerami. Interesującym przypadkiem użycia jest również wykorzystanie łączy w pasmie terahercowym jako zamienników światłowodów w centrach danych. To ułatwiłoby rekonfigurację sieci i pozwoliło na zmniejszenie rozmiaru szaf serwerowych. Ważnym zastosowaniem sieci 6G będzie ponadto komunikacja NTN (Non Terrestial Networks).

Monika Jaworowska