eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.246.5.124.134
Развертывание 6G-сетей связи ожидается в начале 2030 годов, в 2017 году утвержден стандарт IEEE 802.15.3d (диапазон 300 ГГц), работа по совершенствованию которого продолжается. В статье обсуждаются архитектуры и основные технологии, требующиеся для развертывания 6G-сетей, и проблемы их реализации.
Развертывание 6G-сетей связи ожидается в начале 2030 годов, в 2017 году утвержден стандарт IEEE 802.15.3d (диапазон 300 ГГц), работа по совершенствованию которого продолжается. В статье обсуждаются архитектуры и основные технологии, требующиеся для развертывания 6G-сетей, и проблемы их реализации.
Теги: 6g technologies cmos and sige bicmos technologies data transfer rate ieee 802.15.3d standard thz range аiiiвv technologies кмоп- и sige бикмоп-технологии скорость передачи данных стандарт ieee 802.15.3d тгц-диапазон технологии 6g технологии аiiiвv
Аспекты развития 6G-технологии
М. Макушин
В начале 2030 годов ожидается начало развертывания 6G-сетей связи.
В 2017 году был утвержден стандарт IEEE 802.15.3d (диапазон 300 ГГц), работа по совершенствованию которого продолжается. В статье затронуты вопросы архитектур и основных технологий, требующихся для развертывания 6G-сетей, и проблемы их реализации.
Платформа 6G проектируется под соответствие требованиям более широкого глобального охвата, большей спектральной эффективности, устойчивости и безопасности работы, а также ряду других параметров. Развитие самой платформы приводит к появлению новых архитектурных решений, технологий и ужесточению требований к материалам. В настоящее время 6G-сети рассматриваются как полностью интегрированная интернет-система, обеспечивающая мгновенную связь между пользователями, устройствами, транспортными средствами и окружающей средой. То есть речь идет и о выходе за рамки Интернета вещей (IoT), переходу к «Всеохватывающему Интернету» [1, 2]. В статье рассмотрены причины разработки и перспективные сферы использования 6G-технологии, стандарт IEEE 802.15.3d, технологии аппаратного обеспечения и последние демонстрации разработок в области 6G-технологий.
Причины разработки и перспективные
сферы использования 6G-технологии
Необходимость в технологии 6G, в первую очередь, обусловлена глобальным ростом объема генерируемых и потребляемых данных [3]. Объем данных, передаваемых через Интернет, с годами растет в геометрической прогрессии, и ожидается, что эта тенденция сохранится. Международный союз электросвязи (ITU) прогнозирует, что к 2030 году глобальный объем мобильного трафика будет в 670 раз выше, чем в 2010 году, а совокупный объем мобильного трафика данных, как показано на рис. 1, превысит 5 зеттабайтi в месяц [4]. При этом объем трафика на одно мобильное устройство в 2030 году увеличится в 50 раз по сравнению с 2010 годом. Этот всплеск в первую очередь связан с широким распространением устройств IoT, начиная от простых бытовых гаджетов и заканчивая передовыми промышленными датчиками, что приводит к огромному и постоянно растущему объему данных. Технологии автоматизации, такие как цифровые двойникиii, и внедрение облачного машинного обучения и искусственного интеллекта в различных секторах еще больше ускорили эту тенденцию.
По мере того, как зависимость человеческого общества от интеллектуальных устройств и подключенных систем возрастает, потребность в более надежной и функциональной сетевой инфраструктуре становится все более насущной [5]. Соответственно, разработчики 6G-технологий стремятся повысить скорость и надежность, снизить время ожидания, которые намного превосходят показатели его предшественников (5G и т.д.), создавая основу развития следующей эры цифровых подключений и инноваций. Возможности современных беспроводных сетей являются результатом десятилетий интенсивной оптимизации и технологических достижений. При создании сетей 6G, существенно превосходящих возможности современных сетей 5G, многие разработчики предлагают использовать обширные неиспользованные участки спектра на терагерцовых частотах (ТГц) [6].
ТГц-диапазон, находящийся в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц, занимает особое место в электромагнитном спектре. Расположенный между радиочастотами и оптическими частотами, этот диапазон охватывает характеристики их обоих и открывает перспективные возможности новых применений. ТГц-диапазон может поддерживать беспроводные линии связи с высокой пропускной способностью благодаря широкой доступности полосы пропускания. Кроме того, короткая длина волны позволяет использовать крупномасштабные антенные решетки в малом форм-факторе, обеспечивая улучшенное формирование луча, увеличенный охват и пространственное мультиплексирование, что способствует уплотнению сети. ТГц-диапазон также хорошо подходит для применения в системах (дистанционного) зондирования, поскольку ТГц-радары и тепловизоры обеспечивают высококачественное разрешение по дальности действия и поперечному сечению по сравнению с их низкочастотными аналогами [7].
Более того, технологии ТГц-визуализации могут обеспечить более безопасную и доступную медицинскую диагностику, чем традиционная рентгеновская визуализация. Эти возможности также позволят будущим 6G-технологиям объединить средства связи и сенсорного восприятия в единую систему, преобразуя здравоохранение и формируя новые рынки. В табл. 1 представлены предполагаемые области применения ТГц-средств связи в 6G-технологиях.
Максимальная скорость передачи данных, достигаемая в 6G-средствах связи, описывается с помощью теоремы Шеннона о пропускной способности канала. Эта теорема построена в зависимости от полосы пропускания радиочастотного сигнала для различных мощностей приема при условии, что уровень шума приемника составляет 25 дБ. Например, на частоте 300 ГГц максимальная скорость передачи данных для канала с уровнем шума 25 дБ для различных уровней принимаемой мощности показана на рис. 2. При частичной пропускной способности в 10% и принимаемой мощности в 40 дБм (децибелы, отсчитываемые относительно уровня 1 мВт) канал связи может поддерживать скорость передачи данных
до 56 Гбит/с. Такая широкая полоса пропускания также открывает возможности для мультиплексирования недостигаемого ранее числа устройств по времени и частоте. При этом каждое устройство обеспечивает высокую скорость передачи данных. Пунктирная линия на рис. 2 представляет типичный сценарий с радиочастотной полосой пропускания 30 ГГц, который может быть реализован при частичной полосе пропускания 10% на несущей 300 ГГц [8].
Стандарт IEEE 802.15.3d
В 2008 году была создана целевая группа по изучению ТГц-связи – IEEE 802.15. Правда, ее задачей стало изучение беспроводной связи в диапазоне от 0,3 до 3 ТГц.
В 2017 году был утвержден стандарт IEEE 802.15.3d (диапазон 300 ГГц), ставший первым шагом на пути к «подлинной» ТГц-связи. Этот стандарт устанавливает скорость передачи данных на физическом уровне (PHY) в 100 Гбит/с с возможностью возврата к более низким скоростям. Он поддерживает беспроводную связь по каналам с частотой до 69 ГГц в диапазоне 253–322 ГГц. Основная цель этого стандарта – демонстрация практичности использования ТГц-частот для обеспечения связи. Предполагаемые области применения пока в основном ограничены двухточечными соединениями (тип связи между устройствами в сети передачи данных, при котором каждые две точки соединены одним путем или напрямую взаимодействуют друг с другом) между статическими или квазистатическими устройствами. Такое ограничение налагается возможностями современной полупроводниковой технологии. Однако по мере ее развития ситуация может измениться.
Как показано на рис. 3, стандарт IEEE 802.15.3d охватывает частоты от 252,72 ГГц до 321,84 ГГц с 69 перекрывающимися каналами. Эти каналы предлагают восемь поддерживаемых вариантов полосы пропускания в диапазоне от 2,16 ГГц до 69,12 ГГц, причем каждая полоса пропускания является целым числом, кратным 2,16 ГГц. По умолчанию используется канал с номером 41 и полосой пропускания 4,32 ГГц. Можно сказать, что PHY-уровень в стандарте IEEE 802.15.3d имеет два режима: режим работы с одной несущей (THz single-carrier mode, THz-SC PHY) и режим амплитудной модуляции (THz on-off keying mode, THz-OOK PHY) [9].
Перспективное направление – объединение стандартов и аппаратного обеспечения
Стандарт IEEE 802.15.3d является важной вехой в развитии ТГц-связи – он определят основу для создания высокоскоростных беспроводных линий связи в диапазоне 300 ГГц. Однако внедрение этого стандарта в практические, коммерчески жизнеспособные системы сопряжено с трудностями, которые охватывают различные области. Важнейшими из них являются:
Объединение полупроводниковых приборов, схемных архитектур и антенн в единую надежную систему, соответствующую требованиям стандарта IEEE 802.15.3d (и будущими стандартами), является сложной задачей, требующей междисциплинарных знаний. Создание сигналов энергоэффективным способом на частотах, указанных в стандарте, тоже непросто.
Кроме того, стандарт требует использования широкополосной связи, что затруднительно из-за несовершенства полупроводниковых приборов, архитектур схем, корпусирования и антенн. Наконец, реализация схем модуляции более высокого порядка, таких как 16-QAM и 64-QAM (типы квадратурной амплитудной модуляции, использующие для кодирования данных 16- и 64-разрядных уровней амплитуды соответственно), для THz-SC PHY-режима предъявляет жесткие требования к шумовым характеристикам и нелинейности аппаратного обеспечения.
Технологии аппаратного обеспечения
К основным полупроводниковым технологиям, пригодным для проектирования схем в предусмотренном стандартом IEEE 802.15.3d частотном диапазоне, относятся кремниевые КМОП- и SiGe БиКМОП-технологии, а также технологии типа АIIIВV, такие как InP и GaAs. Термины «технология» или «процесс» в данном контексте относится к конкретному процессу производства полупроводников и его функциональному назначению. В табл. 2 представлено сравнение этих технологий [7].
Система показателей для определения характеристик транзисторов
Основная проблема при разработке ТГц-схем связана с ограничениями в производительности транзисторов. На этих частотах производительность транзистора ухудшается до такой степени, что он больше не может обеспечивать усиление. Кроме того, межсоединения, подключаемые к транзистору, увеличивают его паразитные сопротивление, емкость и индуктивность. Это еще больше снижает общую производительность транзистора. Транзисторы на ТГц-частотах также демонстрируют неквазистатическое поведение, что усложняет их моделирование.
Не зависящим от технологии показателем, обычно используемым для определения характеристик работы транзистора на высоких частотах, является максимальная частота колебаний (fmax). Для любого 2-портового устройства (такого как транзистор) это частота, при которой максимальное доступное увеличение мощности (или одностороннее увеличение мощности) падает до нуля. То есть усилители и генераторы не могут быть сконструированы с использованием технологии, выходящей за пределы максимальной частоты.
Как правило, при выходе за пределы максимальной частоты проектирование схемы становится сложной задачей. Усилителям, работающим на этих частотах, требуется несколько каскадов для достижения даже скромного уровня усиления. Следовательно, усилители мощности на этих частотах имеют низкую выходную мощность насыщения и низкий коэффициент полезного действия, а малошумящие усилители имеют высокие показатели шума, что отрицательно сказывается на производительности приемопередатчика. Более высокая максимальная мощность почти всегда означает лучший канал связи при той же мощности постоянного тока, что обеспечивает более энергоэффективную связь. Отмечается, что хотя усиление выше максимальной частоты невозможно, возможно генерирование сигналов с использованием методов нелинейного проектирования схем. Однако эти методы обычно имеют низкую эффективность (≥ 0,5%).
Еще одним показателем, характеризующим высокочастотную технологию, является частота передачи сигнала (fT). Это частота, при которой коэффициент усиления по току транзистора с уменьшенными областями стока и истока падает до единицы. Несмотря на то, что относительная важность этих двух параметров по-прежнему обсуждается, максимальная частота нередко рассматривается как лучший показатель для определения высокочастотных характеристик транзистора. Это связано с тем, что частота передачи не учитывает важные неидеальности, такие как сопротивление затвора, ухудшающее производительность высокочастотного устройства [10].
Кремниевая КМОП-технология
Кремниевая КМОП-технология является наиболее популярным решением при разработке ИС. В основном это связано с ее низкой стоимостью и высокими возможностями цифровой интеграции, позволяющими создавать «системы-на-кристалле» (SOC) с расширенными сенсорными и вычислительными возможностями. КМОП-технология характеризуется (минимальным) топологическим размером элементов ИС, характеризующим прибор, который примерно соответствует наименьшей длине затвора транзистора. Например, 65-нм КМОП-технология предполагает наличие КМОП-транзисторов с минимальной длиной затвора в 65 нм. Правда на современных технологических уровнях с минимально достижимыми размерами топологических элементов этот постулат строго не соблюдается.
За последние несколько десятилетий КМОП-технология быстро масштабировалась до минимально достижимых проектных норм в соответствии с так называемым «Законом Мура». Это привело к экспоненциальному росту вычислительных возможностей. Однако, поскольку такое масштабирование было вызвано желанием повысить производительность цифровой КМОП ИС, оно не обязательно привело к повышению радиочастотной части SoC. Данная ситуация проиллюстрирована на рис. 4а, где представлены различные показатели производительности транзисторов для различных технологических поколений. При этом число транзисторов увеличилось в геометрической прогрессии и сопровождается снижением энергопотребления цифровых блоков. Однако максимальная частота в 370 ГГц достигла своего пика на технологическом уровне 22 нм [11]. Обычно максимальная частота увеличивается с уменьшением длины канала транзистора из-за сокращения времени прохождения сигнала и снижения собственной емкости, дальнейшее масштабирование ниже технологического уровня в 22 нм приводит к значительным потерям из-за увеличения сопротивления в межсоединениях, что, в свою очередь, приводит к снижению максимальной частоты. Эта тенденция беспокоит разработчиков ТГц-схем, поскольку они больше не могут полагаться на масштабирование технологии для достижения более высоких частот. Это требует новых методов проектирования схем или перехода на платформу, отличную от КМОП [7].
SiGe БиКМОП-технология
SiGe БиКМОП технологический процесс является еще одним популярным решением для проектирования ТГц-схем, поскольку он обеспечивает создание высокопроизводительных биполярных транзисторов на гетероструктурах (HBT). В этих процессах часто используется та же платформа, что и в КМОП-процессах, это позволяет унаследовать преимущества цифровой КМОП-технологии. Передовые технологии SiGe позволили достичь максимальной частоты до 720 ГГц.
Однако важно понимать, что КМОП-транзисторы, встроенные в эти SoC, как правило, относятся к более «зрелым» (ранним) поколениям, отличающимся бόльшими проектными нормами. Это затрудняет интеграцию различных элементов сложной цифровой обработки сигнала в один и тот же кристалл ИС. Например, самый современный в настоящее время БиКМОП-процесс предполагает использование КМОП-транзисторов с минимальными размерами топологических элементов в 45 нм, то есть технологии, которой уже более десяти лет [12].
Технологии типа АIIIВV
Полупроводниковые приборы на материалах типа AIIIBV, такие как GaAs и InP, обладают многочисленными преимуществами по сравнению с традиционными кремниевыми технологиями. Эти преимущества обусловлены более высокой подвижностью электронов, более высокими напряжениями пробоя и лучшими характеристиками при высоких температурах. В частности, InP HBT и HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов) являются одними из наиболее предпочтительных технологий на материалах AIIIBV для проектирования ТГц-схем, способных достигать максимальной частоты выше 1 ТГц [13]. Например корпорация Northrop Grumman (Уэст-Фоллс-Черч, шт. Вирджиния) продемонстрировала в 2019 году InP 1-ТГц усилитель (рис. 4б) [14]. Несмотря на все преимущества, AIIIBV технологии не получили такого же широкого распространения, как КМОП и SiGe БиКМОП. Причина – более высокая стоимость, недостаток возможностей цифровой интеграции и меньших доступных размеров обрабатываемых пластин (что приводит к более высоким удельным издержкам производства) [10]. Однако с развертыванием 6G-средств связи и стремлением разработчиков к использованию более высоких несущих частот, спрос на полупроводниковую AIIIBV технологию может значительно возрасти, что позволит решить некоторые из перечисленных выше проблем.
Последние демонстрации разработок в области 6G-технологий
Внимание к ТГц-частотам в значительной степени обусловлено их неиспользованным потенциалом. Об этом свидетельствуют практические приложения, например использование частот около 120 ГГц для передачи данных во время Олимпийских игр в Пекине (4–20 февраля 2022 года) [15] и эксперименты Научно-исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL, Военно-воздушная база Райт-Паттерсон, шт. Огайо) по определению потерь при распространении сигналов между самолетами, использующими частоты в диапазоне 300 ГГц [16].
В табл. 3 представлены краткие описания некоторых последних демонстраций 6G-технологий, в ходе которых была успешно показана полная беспроводная связь в воздухе (OTA), охватывающая компоненты как передатчика, так и приемника. При этом достигалась скорость передачи данных в несколько Гбит/с.
Ограничения современных демонстраций ТГц-технологии
Все описанные (и другие) демонстрации ТГц-технологий в первую очередь подтверждают осуществимость 6G, а не демонстрируют создание стабильного, коммерчески жизнеспособного продукта. Многие демонстрации проводятся в контролируемых лабораторных условиях с индивидуальными настройками. При этом не учитываются такие важные аспекты, как долгосрочная эксплуатационная надежность в различных условиях и выход годных в серийном производстве, то есть факторы, имеющие решающее значение для коммерциализации. Кроме того, многие системы основаны на больших антеннах с высокой направленностью, требующих точной настройки; даже незначительные отклонения могут значительно снизить их производительность, затрудняя развертывание в реальных условиях. Это подчеркивает необходимость в решениях по формированию луча и отслеживанию с помощью адаптивных фазированных антенных решеток, которые еще предстоит полностью реализовать на этих частотах.
Кроме того, эти демонстрации часто не учитывают энергоэффективность системы в целом. Например, гетеродин часто питается от автономного источника, при этом данные о его энергопотреблении не сообщаются. Аналогичным образом, обычно не учитываются требования к питанию блоков аналого-цифрового преобразования основной полосы частот.
Более того, высокие скорости передачи данных, о которых сообщается в этих исследованиях, часто зависят от масштабного выравнивания, выполняемого вне кристалла ИС, при этом не учитываются связанные с этим вычислительные затраты и затраты на электроэнергию. Устранение этих ограничений имеет важное значение для практической реализации и широкомасштабного внедрения ТГц-систем связи.
***
Потенциал преобразования беспроводной связи за счет работы на несущих ТГц-частотах породил по всему миру большое число исследований и разработок в области создания сетей. В них изучаются перспективные для использования в 6G-технологии, ориентированные на создание приборов, схем, антенн, а также их корпусировании. При этом выделяются критические области, требующие дальнейших исследований и разработок.
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в этой области в последние годы, сохраняются заметные недостатки, связанные с издержками производства и технологичностью, энергоэффективностью и надежностью, которые необходимо устранить для практического внедрения.
ЛИТЕРАТУРА
Макушин М. Аспекты развития 6G-сетей, часть 1 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2024. №5 (00236). С. 122–131.
Макушин М. Аспекты развития 6G-сетей, Часть 2 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2024. №6 (00237). С. 116–128.
6G network architecture –A proposal for early alignment // Ericsson, Oct. 2023.
Chowdhury M. Z., Shahjalal M., Ahmed S. and Jang Y. M. 6G wireless communication systems: Applications requirements technologies challenges and research directions // IEEE Open J. Commun. Soc. 2020. Vol. 1. PP. 957–975.
Jornet J. M., Knightly E. W., Mittleman D. M. Wireless communications sensing and security above 100 GHz // Nat. Commun. 2023. Vol. 14. No. 1. PP. 841.
Thomas S., Razavian S., Virdi J. S., Sun W., Motlagh B. F.,Babakhani A. A. 400-GHz efficient radiator and OOK transceiver for multi-Gb/s wireless communication in silicon // IEEE J. Solid-State Circuits. May 2024. Vol. 59. No. 5. PP. 1381–1397.
Sidharth Thomas, Jaskirat Singh Virdi, Aydin Babakhani, Ian P. Roberts. A Survey on Advancements in THz Technology for 6G: Systems, Circuits, Antennas, and Experiments // Date of Publication: 10 March 2025.
Gramegna G. F3: The path to 6G: Architectures circuits technologies for sub-THz communications sensing and imaging // Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC). 2022. Vol. 65. PP. 534–536.
Petrov V., Kurner T., Hosako I. "IEEE 802.15.3d: First standardization efforts for sub-terahertz band communications toward 6G" // IEEE Commun. Mag. Nov. 2020. Vol. 58. No. 11. PP. 28–33.
Doan C., Emami S., Niknejad A., Brodersen R. Millimeter-wave CMOS design // IEEE J. Solid-State Circuits. Jan. 2005. Vol. 40. No. 1. PP. 144–155.
Nauta B. 1.2 racing down the slopes of moore's law // Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC). 2024. Vol. 67. PP. 16–23.
Pekarik J. et al. SiGe HBTs} with f T /f max ~ 375/510GHz integrated in 45nm PDSOI CMOS // Proc. IEEE BiCMOS Compd. Semicond. Integr. Circuits Technol. Symp. (BCICTS). 2021. PP. 1–4.
Urteaga M., Griffith Z., Seo M., Hacker J. M., Rodwell J. W. InP HBT technologies for THz integrated circuits // Proc. IEEE. Jun. 2017. Vol. 105. No. 6. PP. 1051–1067.
Mei X. et al. First demonstration of amplification at 1 THz using 25-nm InP high electron mobility transistor process // IEEE Electron Device Lett. Apr. 2015. Vol. 36. No. 4. PP. 327–329.
Hirata A. Transmission trial of television broadcast materials using 120-GHz-band wireless link // NTT Tech. Rev. 2009. Vol. 7. No. 3. PP. 17–22.
AFRL conducts first flight experiments
for communications in terahertz band //
Air Force Research Laboratory, 2023.
М. Макушин
В начале 2030 годов ожидается начало развертывания 6G-сетей связи.
В 2017 году был утвержден стандарт IEEE 802.15.3d (диапазон 300 ГГц), работа по совершенствованию которого продолжается. В статье затронуты вопросы архитектур и основных технологий, требующихся для развертывания 6G-сетей, и проблемы их реализации.
Платформа 6G проектируется под соответствие требованиям более широкого глобального охвата, большей спектральной эффективности, устойчивости и безопасности работы, а также ряду других параметров. Развитие самой платформы приводит к появлению новых архитектурных решений, технологий и ужесточению требований к материалам. В настоящее время 6G-сети рассматриваются как полностью интегрированная интернет-система, обеспечивающая мгновенную связь между пользователями, устройствами, транспортными средствами и окружающей средой. То есть речь идет и о выходе за рамки Интернета вещей (IoT), переходу к «Всеохватывающему Интернету» [1, 2]. В статье рассмотрены причины разработки и перспективные сферы использования 6G-технологии, стандарт IEEE 802.15.3d, технологии аппаратного обеспечения и последние демонстрации разработок в области 6G-технологий.
Причины разработки и перспективные
сферы использования 6G-технологии
Необходимость в технологии 6G, в первую очередь, обусловлена глобальным ростом объема генерируемых и потребляемых данных [3]. Объем данных, передаваемых через Интернет, с годами растет в геометрической прогрессии, и ожидается, что эта тенденция сохранится. Международный союз электросвязи (ITU) прогнозирует, что к 2030 году глобальный объем мобильного трафика будет в 670 раз выше, чем в 2010 году, а совокупный объем мобильного трафика данных, как показано на рис. 1, превысит 5 зеттабайтi в месяц [4]. При этом объем трафика на одно мобильное устройство в 2030 году увеличится в 50 раз по сравнению с 2010 годом. Этот всплеск в первую очередь связан с широким распространением устройств IoT, начиная от простых бытовых гаджетов и заканчивая передовыми промышленными датчиками, что приводит к огромному и постоянно растущему объему данных. Технологии автоматизации, такие как цифровые двойникиii, и внедрение облачного машинного обучения и искусственного интеллекта в различных секторах еще больше ускорили эту тенденцию.
По мере того, как зависимость человеческого общества от интеллектуальных устройств и подключенных систем возрастает, потребность в более надежной и функциональной сетевой инфраструктуре становится все более насущной [5]. Соответственно, разработчики 6G-технологий стремятся повысить скорость и надежность, снизить время ожидания, которые намного превосходят показатели его предшественников (5G и т.д.), создавая основу развития следующей эры цифровых подключений и инноваций. Возможности современных беспроводных сетей являются результатом десятилетий интенсивной оптимизации и технологических достижений. При создании сетей 6G, существенно превосходящих возможности современных сетей 5G, многие разработчики предлагают использовать обширные неиспользованные участки спектра на терагерцовых частотах (ТГц) [6].
ТГц-диапазон, находящийся в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц, занимает особое место в электромагнитном спектре. Расположенный между радиочастотами и оптическими частотами, этот диапазон охватывает характеристики их обоих и открывает перспективные возможности новых применений. ТГц-диапазон может поддерживать беспроводные линии связи с высокой пропускной способностью благодаря широкой доступности полосы пропускания. Кроме того, короткая длина волны позволяет использовать крупномасштабные антенные решетки в малом форм-факторе, обеспечивая улучшенное формирование луча, увеличенный охват и пространственное мультиплексирование, что способствует уплотнению сети. ТГц-диапазон также хорошо подходит для применения в системах (дистанционного) зондирования, поскольку ТГц-радары и тепловизоры обеспечивают высококачественное разрешение по дальности действия и поперечному сечению по сравнению с их низкочастотными аналогами [7].
Более того, технологии ТГц-визуализации могут обеспечить более безопасную и доступную медицинскую диагностику, чем традиционная рентгеновская визуализация. Эти возможности также позволят будущим 6G-технологиям объединить средства связи и сенсорного восприятия в единую систему, преобразуя здравоохранение и формируя новые рынки. В табл. 1 представлены предполагаемые области применения ТГц-средств связи в 6G-технологиях.
Максимальная скорость передачи данных, достигаемая в 6G-средствах связи, описывается с помощью теоремы Шеннона о пропускной способности канала. Эта теорема построена в зависимости от полосы пропускания радиочастотного сигнала для различных мощностей приема при условии, что уровень шума приемника составляет 25 дБ. Например, на частоте 300 ГГц максимальная скорость передачи данных для канала с уровнем шума 25 дБ для различных уровней принимаемой мощности показана на рис. 2. При частичной пропускной способности в 10% и принимаемой мощности в 40 дБм (децибелы, отсчитываемые относительно уровня 1 мВт) канал связи может поддерживать скорость передачи данных
до 56 Гбит/с. Такая широкая полоса пропускания также открывает возможности для мультиплексирования недостигаемого ранее числа устройств по времени и частоте. При этом каждое устройство обеспечивает высокую скорость передачи данных. Пунктирная линия на рис. 2 представляет типичный сценарий с радиочастотной полосой пропускания 30 ГГц, который может быть реализован при частичной полосе пропускания 10% на несущей 300 ГГц [8].
Стандарт IEEE 802.15.3d
В 2008 году была создана целевая группа по изучению ТГц-связи – IEEE 802.15. Правда, ее задачей стало изучение беспроводной связи в диапазоне от 0,3 до 3 ТГц.
В 2017 году был утвержден стандарт IEEE 802.15.3d (диапазон 300 ГГц), ставший первым шагом на пути к «подлинной» ТГц-связи. Этот стандарт устанавливает скорость передачи данных на физическом уровне (PHY) в 100 Гбит/с с возможностью возврата к более низким скоростям. Он поддерживает беспроводную связь по каналам с частотой до 69 ГГц в диапазоне 253–322 ГГц. Основная цель этого стандарта – демонстрация практичности использования ТГц-частот для обеспечения связи. Предполагаемые области применения пока в основном ограничены двухточечными соединениями (тип связи между устройствами в сети передачи данных, при котором каждые две точки соединены одним путем или напрямую взаимодействуют друг с другом) между статическими или квазистатическими устройствами. Такое ограничение налагается возможностями современной полупроводниковой технологии. Однако по мере ее развития ситуация может измениться.
Как показано на рис. 3, стандарт IEEE 802.15.3d охватывает частоты от 252,72 ГГц до 321,84 ГГц с 69 перекрывающимися каналами. Эти каналы предлагают восемь поддерживаемых вариантов полосы пропускания в диапазоне от 2,16 ГГц до 69,12 ГГц, причем каждая полоса пропускания является целым числом, кратным 2,16 ГГц. По умолчанию используется канал с номером 41 и полосой пропускания 4,32 ГГц. Можно сказать, что PHY-уровень в стандарте IEEE 802.15.3d имеет два режима: режим работы с одной несущей (THz single-carrier mode, THz-SC PHY) и режим амплитудной модуляции (THz on-off keying mode, THz-OOK PHY) [9].
Перспективное направление – объединение стандартов и аппаратного обеспечения
Стандарт IEEE 802.15.3d является важной вехой в развитии ТГц-связи – он определят основу для создания высокоскоростных беспроводных линий связи в диапазоне 300 ГГц. Однако внедрение этого стандарта в практические, коммерчески жизнеспособные системы сопряжено с трудностями, которые охватывают различные области. Важнейшими из них являются:
- технология полупроводниковых приборов: решающее значение имеет создание транзисторов, способных эффективно, но при этом экономично, работать на ТГц-частотах;
- архитектура схем: для преодоления ограничений полупроводниковых приборов и оптимизации их производительности в рамках имеющихся технологий необходимо создание инновационных схемных архитектур;
- корпусирование и антенны: использование коротких длин волн на ТГц-частотах требует формирования новых подходов к корпусированию и проектированию антенн (они должны не только соответствовать требованиям к производительности, но и оставаться экономически выгодными для массового производства).
Объединение полупроводниковых приборов, схемных архитектур и антенн в единую надежную систему, соответствующую требованиям стандарта IEEE 802.15.3d (и будущими стандартами), является сложной задачей, требующей междисциплинарных знаний. Создание сигналов энергоэффективным способом на частотах, указанных в стандарте, тоже непросто.
Кроме того, стандарт требует использования широкополосной связи, что затруднительно из-за несовершенства полупроводниковых приборов, архитектур схем, корпусирования и антенн. Наконец, реализация схем модуляции более высокого порядка, таких как 16-QAM и 64-QAM (типы квадратурной амплитудной модуляции, использующие для кодирования данных 16- и 64-разрядных уровней амплитуды соответственно), для THz-SC PHY-режима предъявляет жесткие требования к шумовым характеристикам и нелинейности аппаратного обеспечения.
Технологии аппаратного обеспечения
К основным полупроводниковым технологиям, пригодным для проектирования схем в предусмотренном стандартом IEEE 802.15.3d частотном диапазоне, относятся кремниевые КМОП- и SiGe БиКМОП-технологии, а также технологии типа АIIIВV, такие как InP и GaAs. Термины «технология» или «процесс» в данном контексте относится к конкретному процессу производства полупроводников и его функциональному назначению. В табл. 2 представлено сравнение этих технологий [7].
Система показателей для определения характеристик транзисторов
Основная проблема при разработке ТГц-схем связана с ограничениями в производительности транзисторов. На этих частотах производительность транзистора ухудшается до такой степени, что он больше не может обеспечивать усиление. Кроме того, межсоединения, подключаемые к транзистору, увеличивают его паразитные сопротивление, емкость и индуктивность. Это еще больше снижает общую производительность транзистора. Транзисторы на ТГц-частотах также демонстрируют неквазистатическое поведение, что усложняет их моделирование.
Не зависящим от технологии показателем, обычно используемым для определения характеристик работы транзистора на высоких частотах, является максимальная частота колебаний (fmax). Для любого 2-портового устройства (такого как транзистор) это частота, при которой максимальное доступное увеличение мощности (или одностороннее увеличение мощности) падает до нуля. То есть усилители и генераторы не могут быть сконструированы с использованием технологии, выходящей за пределы максимальной частоты.
Как правило, при выходе за пределы максимальной частоты проектирование схемы становится сложной задачей. Усилителям, работающим на этих частотах, требуется несколько каскадов для достижения даже скромного уровня усиления. Следовательно, усилители мощности на этих частотах имеют низкую выходную мощность насыщения и низкий коэффициент полезного действия, а малошумящие усилители имеют высокие показатели шума, что отрицательно сказывается на производительности приемопередатчика. Более высокая максимальная мощность почти всегда означает лучший канал связи при той же мощности постоянного тока, что обеспечивает более энергоэффективную связь. Отмечается, что хотя усиление выше максимальной частоты невозможно, возможно генерирование сигналов с использованием методов нелинейного проектирования схем. Однако эти методы обычно имеют низкую эффективность (≥ 0,5%).
Еще одним показателем, характеризующим высокочастотную технологию, является частота передачи сигнала (fT). Это частота, при которой коэффициент усиления по току транзистора с уменьшенными областями стока и истока падает до единицы. Несмотря на то, что относительная важность этих двух параметров по-прежнему обсуждается, максимальная частота нередко рассматривается как лучший показатель для определения высокочастотных характеристик транзистора. Это связано с тем, что частота передачи не учитывает важные неидеальности, такие как сопротивление затвора, ухудшающее производительность высокочастотного устройства [10].
Кремниевая КМОП-технология
Кремниевая КМОП-технология является наиболее популярным решением при разработке ИС. В основном это связано с ее низкой стоимостью и высокими возможностями цифровой интеграции, позволяющими создавать «системы-на-кристалле» (SOC) с расширенными сенсорными и вычислительными возможностями. КМОП-технология характеризуется (минимальным) топологическим размером элементов ИС, характеризующим прибор, который примерно соответствует наименьшей длине затвора транзистора. Например, 65-нм КМОП-технология предполагает наличие КМОП-транзисторов с минимальной длиной затвора в 65 нм. Правда на современных технологических уровнях с минимально достижимыми размерами топологических элементов этот постулат строго не соблюдается.
За последние несколько десятилетий КМОП-технология быстро масштабировалась до минимально достижимых проектных норм в соответствии с так называемым «Законом Мура». Это привело к экспоненциальному росту вычислительных возможностей. Однако, поскольку такое масштабирование было вызвано желанием повысить производительность цифровой КМОП ИС, оно не обязательно привело к повышению радиочастотной части SoC. Данная ситуация проиллюстрирована на рис. 4а, где представлены различные показатели производительности транзисторов для различных технологических поколений. При этом число транзисторов увеличилось в геометрической прогрессии и сопровождается снижением энергопотребления цифровых блоков. Однако максимальная частота в 370 ГГц достигла своего пика на технологическом уровне 22 нм [11]. Обычно максимальная частота увеличивается с уменьшением длины канала транзистора из-за сокращения времени прохождения сигнала и снижения собственной емкости, дальнейшее масштабирование ниже технологического уровня в 22 нм приводит к значительным потерям из-за увеличения сопротивления в межсоединениях, что, в свою очередь, приводит к снижению максимальной частоты. Эта тенденция беспокоит разработчиков ТГц-схем, поскольку они больше не могут полагаться на масштабирование технологии для достижения более высоких частот. Это требует новых методов проектирования схем или перехода на платформу, отличную от КМОП [7].
SiGe БиКМОП-технология
SiGe БиКМОП технологический процесс является еще одним популярным решением для проектирования ТГц-схем, поскольку он обеспечивает создание высокопроизводительных биполярных транзисторов на гетероструктурах (HBT). В этих процессах часто используется та же платформа, что и в КМОП-процессах, это позволяет унаследовать преимущества цифровой КМОП-технологии. Передовые технологии SiGe позволили достичь максимальной частоты до 720 ГГц.
Однако важно понимать, что КМОП-транзисторы, встроенные в эти SoC, как правило, относятся к более «зрелым» (ранним) поколениям, отличающимся бόльшими проектными нормами. Это затрудняет интеграцию различных элементов сложной цифровой обработки сигнала в один и тот же кристалл ИС. Например, самый современный в настоящее время БиКМОП-процесс предполагает использование КМОП-транзисторов с минимальными размерами топологических элементов в 45 нм, то есть технологии, которой уже более десяти лет [12].
Технологии типа АIIIВV
Полупроводниковые приборы на материалах типа AIIIBV, такие как GaAs и InP, обладают многочисленными преимуществами по сравнению с традиционными кремниевыми технологиями. Эти преимущества обусловлены более высокой подвижностью электронов, более высокими напряжениями пробоя и лучшими характеристиками при высоких температурах. В частности, InP HBT и HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов) являются одними из наиболее предпочтительных технологий на материалах AIIIBV для проектирования ТГц-схем, способных достигать максимальной частоты выше 1 ТГц [13]. Например корпорация Northrop Grumman (Уэст-Фоллс-Черч, шт. Вирджиния) продемонстрировала в 2019 году InP 1-ТГц усилитель (рис. 4б) [14]. Несмотря на все преимущества, AIIIBV технологии не получили такого же широкого распространения, как КМОП и SiGe БиКМОП. Причина – более высокая стоимость, недостаток возможностей цифровой интеграции и меньших доступных размеров обрабатываемых пластин (что приводит к более высоким удельным издержкам производства) [10]. Однако с развертыванием 6G-средств связи и стремлением разработчиков к использованию более высоких несущих частот, спрос на полупроводниковую AIIIBV технологию может значительно возрасти, что позволит решить некоторые из перечисленных выше проблем.
Последние демонстрации разработок в области 6G-технологий
Внимание к ТГц-частотам в значительной степени обусловлено их неиспользованным потенциалом. Об этом свидетельствуют практические приложения, например использование частот около 120 ГГц для передачи данных во время Олимпийских игр в Пекине (4–20 февраля 2022 года) [15] и эксперименты Научно-исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL, Военно-воздушная база Райт-Паттерсон, шт. Огайо) по определению потерь при распространении сигналов между самолетами, использующими частоты в диапазоне 300 ГГц [16].
В табл. 3 представлены краткие описания некоторых последних демонстраций 6G-технологий, в ходе которых была успешно показана полная беспроводная связь в воздухе (OTA), охватывающая компоненты как передатчика, так и приемника. При этом достигалась скорость передачи данных в несколько Гбит/с.
Ограничения современных демонстраций ТГц-технологии
Все описанные (и другие) демонстрации ТГц-технологий в первую очередь подтверждают осуществимость 6G, а не демонстрируют создание стабильного, коммерчески жизнеспособного продукта. Многие демонстрации проводятся в контролируемых лабораторных условиях с индивидуальными настройками. При этом не учитываются такие важные аспекты, как долгосрочная эксплуатационная надежность в различных условиях и выход годных в серийном производстве, то есть факторы, имеющие решающее значение для коммерциализации. Кроме того, многие системы основаны на больших антеннах с высокой направленностью, требующих точной настройки; даже незначительные отклонения могут значительно снизить их производительность, затрудняя развертывание в реальных условиях. Это подчеркивает необходимость в решениях по формированию луча и отслеживанию с помощью адаптивных фазированных антенных решеток, которые еще предстоит полностью реализовать на этих частотах.
Кроме того, эти демонстрации часто не учитывают энергоэффективность системы в целом. Например, гетеродин часто питается от автономного источника, при этом данные о его энергопотреблении не сообщаются. Аналогичным образом, обычно не учитываются требования к питанию блоков аналого-цифрового преобразования основной полосы частот.
Более того, высокие скорости передачи данных, о которых сообщается в этих исследованиях, часто зависят от масштабного выравнивания, выполняемого вне кристалла ИС, при этом не учитываются связанные с этим вычислительные затраты и затраты на электроэнергию. Устранение этих ограничений имеет важное значение для практической реализации и широкомасштабного внедрения ТГц-систем связи.
***
Потенциал преобразования беспроводной связи за счет работы на несущих ТГц-частотах породил по всему миру большое число исследований и разработок в области создания сетей. В них изучаются перспективные для использования в 6G-технологии, ориентированные на создание приборов, схем, антенн, а также их корпусировании. При этом выделяются критические области, требующие дальнейших исследований и разработок.
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в этой области в последние годы, сохраняются заметные недостатки, связанные с издержками производства и технологичностью, энергоэффективностью и надежностью, которые необходимо устранить для практического внедрения.
ЛИТЕРАТУРА
Макушин М. Аспекты развития 6G-сетей, часть 1 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2024. №5 (00236). С. 122–131.
Макушин М. Аспекты развития 6G-сетей, Часть 2 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2024. №6 (00237). С. 116–128.
6G network architecture –A proposal for early alignment // Ericsson, Oct. 2023.
Chowdhury M. Z., Shahjalal M., Ahmed S. and Jang Y. M. 6G wireless communication systems: Applications requirements technologies challenges and research directions // IEEE Open J. Commun. Soc. 2020. Vol. 1. PP. 957–975.
Jornet J. M., Knightly E. W., Mittleman D. M. Wireless communications sensing and security above 100 GHz // Nat. Commun. 2023. Vol. 14. No. 1. PP. 841.
Thomas S., Razavian S., Virdi J. S., Sun W., Motlagh B. F.,Babakhani A. A. 400-GHz efficient radiator and OOK transceiver for multi-Gb/s wireless communication in silicon // IEEE J. Solid-State Circuits. May 2024. Vol. 59. No. 5. PP. 1381–1397.
Sidharth Thomas, Jaskirat Singh Virdi, Aydin Babakhani, Ian P. Roberts. A Survey on Advancements in THz Technology for 6G: Systems, Circuits, Antennas, and Experiments // Date of Publication: 10 March 2025.
Gramegna G. F3: The path to 6G: Architectures circuits technologies for sub-THz communications sensing and imaging // Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC). 2022. Vol. 65. PP. 534–536.
Petrov V., Kurner T., Hosako I. "IEEE 802.15.3d: First standardization efforts for sub-terahertz band communications toward 6G" // IEEE Commun. Mag. Nov. 2020. Vol. 58. No. 11. PP. 28–33.
Doan C., Emami S., Niknejad A., Brodersen R. Millimeter-wave CMOS design // IEEE J. Solid-State Circuits. Jan. 2005. Vol. 40. No. 1. PP. 144–155.
Nauta B. 1.2 racing down the slopes of moore's law // Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC). 2024. Vol. 67. PP. 16–23.
Pekarik J. et al. SiGe HBTs} with f T /f max ~ 375/510GHz integrated in 45nm PDSOI CMOS // Proc. IEEE BiCMOS Compd. Semicond. Integr. Circuits Technol. Symp. (BCICTS). 2021. PP. 1–4.
Urteaga M., Griffith Z., Seo M., Hacker J. M., Rodwell J. W. InP HBT technologies for THz integrated circuits // Proc. IEEE. Jun. 2017. Vol. 105. No. 6. PP. 1051–1067.
Mei X. et al. First demonstration of amplification at 1 THz using 25-nm InP high electron mobility transistor process // IEEE Electron Device Lett. Apr. 2015. Vol. 36. No. 4. PP. 327–329.
Hirata A. Transmission trial of television broadcast materials using 120-GHz-band wireless link // NTT Tech. Rev. 2009. Vol. 7. No. 3. PP. 17–22.
AFRL conducts first flight experiments
for communications in terahertz band //
Air Force Research Laboratory, 2023.
Отзывы читателей
