eng
Выпуск #7/2022
М. Макушин
СВЯЗЬ: ДИНАМИКА И ПРОБЛЕМЫ РАЗВЕРТЫВАНИЯ 5G-СЕТЕЙ, РАБОТЫ В ОБЛАСТИ 6G. Часть 2
СВЯЗЬ: ДИНАМИКА И ПРОБЛЕМЫ РАЗВЕРТЫВАНИЯ 5G-СЕТЕЙ, РАБОТЫ В ОБЛАСТИ 6G. Часть 2
Просмотры: 380
DOI: 10.22184/1992-4178.2022.218.7.72.79
Во второй части статьи рассматриваются перспективные работы в области технологии 6G-связи, включая формирование маршрутных карт развития 6G-технологий и развитие ТГц-связи. Отмечается лидерство КНР по числу патентных заявок на технологии 6G-связи.
Во второй части статьи рассматриваются перспективные работы в области технологии 6G-связи, включая формирование маршрутных карт развития 6G-технологий и развитие ТГц-связи. Отмечается лидерство КНР по числу патентных заявок на технологии 6G-связи.
Теги: 5g technologies 5g-технологии 6g technologies 6g-технологии dynamics estimates forecasts problems динамика оценки проблемы прогнозы
Связь: динамика и проблемы развертывания 5G-сетей,
работы в области 6G .Часть 2
М. Макушин
В первой части статьи были проанализированы динамика и проблемы развертывания 5G-сетей, включая развертывание 5G-инфраструктуры и рост числа абонентов, опережение по объему продаж 5G-смартфонов по сравнению с 4G-смартфонами. Кроме того, был затронут аспект соотношения 5G-технологий и технологий гиперразмерных вычислений, как с точки зрения новых приложений и вариантов использования, так и с точки зрения возникновения новых проблем. Наконец, были отмечены особенности текущего момента развития 5G-связи.
Во второй части статьи рассматриваются перспективные работы в области технологии 6G-связи, включая формирование маршрутных карт развития 6G-технологий и развитие терагерцовой связи. Также отмечаются лидерство КНР по числу патентных заявок на технологии 6G-связи и возможности использования графена как перспективного материала для 6G полупроводниковых приборов, включая ИС.
Работы в области 6G
Многие специалисты считают, что 6G-технология будет характеризоваться скоростью передачи данных до 1 Тбит / с, поддержкой возможности взаимодействия облачных технологий и мозга человека (при условии наличия и использования соответствующих имплантатов в мозг ко времени внедрения данной технологии). Ожидается, что 6G-сети предоставят более разнообразные возможности, чем сети предшествующих поколений.
Скорее всего, они будут поддерживать приложения, возможности которых выходят за рамки современных мобильных приложений, таких как виртуальная и дополненная реальности, искусственный интеллект (ИИ) и Интернет вещей. Также предполагается, что операторы 6G мобильных сетей перейдут на гибкие децентрализованные модели, предусматривающие местное лицензирование спектра, совместное использование спектра и инфраструктуры. Все это будет осуществляться с помощью интеллектуального автоматизированного управления, основанного на мобильных краевых вычислениях, коммутации коротких пакетов данных и технологиях блокчейн. Для удобства рассмотрения вопроса выделим несколько моментов: отличия 6G-технологий от предшествующих поколений связи, формирование маршрутных карт развития и аспекты терагерцовой связи, возможные приложения 6G-технологий, ситуацию с подачей патентных заявок на 6G-разработки и поиск материалов, наиболее полно соответствующих задачам реализации полного потенциала 6G-технологий.
Некоторые особенности 6G-технологий
Новые стандарты беспроводной связи разрабатываются примерно каждые десять лет, и ожидается, что развертывание 6G-сетей начнется примерно в 2030 году. В настоящее время сложно оценивать перспективы 6G, даже само его наименование, возможно, впоследствии будет заменено на что-то другое. Имея это в виду, можно обсуждать только некоторые теоретические аспекты 6G и то, что может предложить эта технология, когда в конечном итоге будет развернута. Ряд исследований рассматривает 6G как полностью интегрированную интернет-систему, которая обеспечивает мгновенную связь между пользователями, устройствами, транспортными средствами и окружающей средой. То есть речь идет и о выходе за рамки Интернета вещей, переходу к «Всеохватывающему Интернету»*.
В настоящее время телекоммуникационные компании по-прежнему продвигают технологии 4G. Стандарт 4G / LTE, представленный в 2009 году, позволил увеличить скорость передачи данных и позволил пользователям транслировать HD-фильмы, играть в игры и передавать большие объемы данных со скоростью примерно 33 Мбит / с (табл. 3) [12].
Как уже говорилось, некоторые эксперты считают, что 6G обеспечит скорость передачи данных до 1 Тбит / с, что в тысячу раз превышает скорость передачи пакетов данных по современным оптоволоконным линиям. Федеральная комиссия по связи (США) открыла перспективу 6G-быстродействия в 2019 году, позволив разработчикам экспериментировать с терагерцовыми волнами (также известными как субмиллиметровые волны), которые попадают в спектр от 95 ГГц до 3 ТГц. Для сравнения, 5G использует средние или высокочастотные миллиметровые волны (mmWave) и СВЧ-технологии для достижения диапазона частот от 24 до 40 ГГц. Хотя терагерцовые волны могут повысить скорость 6G до диапазона 1 Тбит / с, он будет иметь те же ограничения, что и 5G, в том смысле, что 6G имеет ограниченный диапазон и требует «прямой видимости» между передатчиком и конечным пользователем.
Р
яд исследовательских организаций и фирм уже приступил к созданию электронной компонентной базы для технологий 6G-связи. Так, инженеры Калифорнийского университета (Санта-Барбара) в 2021 году разработали устройство, которое может помочь ускорить процесс разработки 6G с использованием транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе нитрида галлия (GaN) с N-полярностью. Эти HEMT включают соединение между двумя материалами с разной шириной запрещенной зоны, которое функционирует как канал, а не легированная область, обычная для полевых МОП-транзисторов. В результате HEMT позволяет устройству работать на гораздо более высоких частотах (от 140 до 230 ТГц), как того требует 6G.
В конце 2020 года исследователи из Наньянского технологического университета Сингапура и Осакского университета Японии разработали ИС для терагерцовых волн, которую можно использовать для 6G. В начале 2021 года инженеры фирмы Millimeter Wave Products создали усилители для G-диапазона, работающие в терагерцовой области спектра.
Это только несколько примеров разработок, способных помочь создателям 6G-технологий реализовать свои идеи и выйти за рамки стадии исследований. Правда, учитывая медленное продвижение развертывания 5G, может пройти десятилетие или больше, прежде чем 6G станет реальностью [12].
Маршрутная карта развития 6G-технологий: проблемы и возможности, развитие терагерцовой связи
6G-сети / средства связи находятся в самом начале цикла зрелости технологий. Эта область привлекает значительные инвестиции. По данным исследовательской фирмы IDTechEx Research (Кембридж, Великобритания), на НИОКР в области 6G-технологий по всему миру уже выделено более миллиарда долларов. На данный момент несомненными лидерами являются КНР, Республика Корея и Финляндия, активно исследующие терагерцовую электронику. Например, КНР уже приступила к испытаниям некоторых 6G-компонентов в космосе. Исследования Финляндии и ее партнеров пользуются поддержкой ЕС – общая сумма выделенных грантов составила 350 млн долл.
Программы НИОКР в области 6G-технологий активно проводятся и в других странах, в том числе в Индии. Правда, окончательного решения по многим вопросам, связанным с технологией 6G еще нет – не определена даже частота. Тем не менее, в области 6G ставятся амбициозные задачи и цели.
Отраслевые специалисты отмечают, что идеи и инновации достигают уровня зрелости обычно за 10-15 лет. Поэтому работы в области 6G необходимо начинать уже сейчас, когда технология 5G еще полностью не развернута. Разработки в области 6G необходимо проводить с учетом опыта развертывания 5G-сетей / средств связи, уделяя большое внимание проблемам терагерцовой связи и перспективным материалам.
Для обеспечения достижения технологией 6G существенных преимуществ по сравнению с технологией 5G, безусловно, очень важно развитие терагерцовой связи. Решение проблем терагерцовой связи в настоящее время сосредоточено на таких работах, как создание беспроводных приемопередатчиков 100-ГГц класса и демонстрация передач на частоте 140 ГГц с пропускной способностью 100 Гбит / с с использованием простой цифро-аналоговой радиочастотной архитектуры. Эти работы являются составной частью продвижения к формированию единой маршрутной карты развития 6G-технологий.
Недавно CEA-Leti объявила, что возглавила панъевропейский консорциум по разработке и тестированию технологии, обеспечивающей динамически программируемое распространение радиоволн 6G-сигналов по требованию. Данное распространение должно осуществляться через поверхности повседневного использования, такие как стены, потолки, зеркала и бытовые приборы.
Все подобные проекты будут иметь важное значение для развития базы знаний, осуществления испытаний и создания опытных образцов, что поможет сформулировать Маршрутную карту развития 6G-технологий. В феврале 2021 года фирма IDTechEx Research опубликовала исследование «Рынок 6G-средств связи, [полупроводниковых] приборов и материалов на период 2021–2041 гг.», в котором попыталась спрогнозировать некоторые моменты возможной маршрутной карты развития 6G-технологий, а также рассмотреть некоторые проблемы, заблуждения и возможности, связанные с 6G-технологиями (рис. 3).
Одним из ключевых параметров 6G-технологий будет скачкообразный переход в полосу терагерцовых частот, то есть в нераспределенный частотный диапазон от 275 ГГц до 10 ТГц. Этот диапазон также известен как дальняя ИК-область спектра. Специалисты IDTechEx оценивают этот диапазон как территорию «физики ковбойского дикого запада», для которой пока существует слишком мало компонентов, а генерируемые ими сигналы очень слабы. У этой области есть и другое название – «Терагерцовый разрыв» (Terahertz Gap).
По этой причине первоначальные эксперименты часто проводятся в более «легкой» полосе частот – 100–300 ГГц. Недавно Федеральная комиссия США по связи (FCC) предложила официально закрепить «игровую площадку экспериментаторов» в некоторых полосах частот между 116 и 246 ГГц. Развертывание 6G-технологий может начаться на относительно легкой частоте, например 275 ГГц. Затем будет осуществлен переход на более высокую частоту (около 1 ТГц), где возможна полная реализация потенциала 6G-технологий. То есть ожидается повторение ситуации с развертыванием 5G-сетей / средств связи, когда все начиналось в суб‑6-ГГц диапазоне с опорой на инфраструктуру 4G LTE, а затем начался переход на миллиметровые (mmWave) волны (десятки гигагерц).
Верхняя, конечная терагерцовая частота 6G-технологий вряд ли будет выше уровня 1 ТГц. Это обусловлено тем, что сразу после этого уровня затухание радиоволн в атмосфере подскакивает до значительных уровней, а необходимые компоненты становятся слишком сложными. Фактически терагерцовые частоты будут использоваться на локальном уровне между спутниками, в остальном же связь будет поддерживаться посредством оптических систем в открытом пространстве (Free Space Optical, FSO), поскольку прокладка волоконно-оптических линий связи окажется слишком дорогой или непрактичной. Также могут использоваться некоторые междугородние линии связи в гигагерцовом С-диапазоне (4–8 ГГц).
Для решения различных задач потребуется использовать большое число возможностей в широком диапазоне областей, начиная от модемов и ИС входных каскадов и возможностей оконечных сетевых устройств до средств управления терагерцовым радиолучом [13].
Возвращаясь к CEA-Leti, можно отметить, что и эта организация в начале 2020 года опубликовала «Технологическую маршрутную карту развития подключаемости в D-диапазоне за пределами возможностей 5G» (Technology Roadmap for Beyond 5G Wireless Connectivity in D-band). В ней описываются базовые сценарии (системная модель, сценарий внешней транзитной передачи, смешанные внутренние сети, пример прямой связи между устройствами) и кремниевые технологии обеспечения подключаемости (обзор и маршрутные карты, позиции кремниевой и АIIIВV технологий, случай усилителей мощности) [14, 15].
Возможные приложения для 6G
На данном этапе непросто понять, на что способна 6G-технология, но, если это будет похоже на развертывание предыдущих стандартов, влияние может быть огромным. Автономные транспортные средства, БПЛА, интеллектуальные заводы и искусственный интеллект уже приобретают большую популярность по мере массового внедрения 5G-технологий. Некоторые эксперты считают, что 6G может продвинуть эти приложения еще дальше, впервые возложив на искусственный интеллект (ИИ) функцию обеспечения и координации бесперебойной работы всех этих приложений. Беспилотные автомобили могут использовать ИИ, чтобы общаться с другими для навигации, предотвращения наезда на пешеходов / объекты и обновления информации о дорожном движении. Искусственный интеллект и краевые вычисления также могут обеспечить использование таких устройств, как светофоры и уличные фонари, в качестве сетевых антенн в прилегающих районах, позволяя транспортным средствам и людям поддерживать Wi-Fi-соединение.
Виртуальная и дополненная реальности могут стать более всеохватывающими. Представьте себе клеточные поверхности и объекты, которые можно ощутить с помощью подключенных имплантатов или даже беспроводных интерфейсов человека и компьютера. В исследовании Вирджинского технологического института за 2019 год говорится, что смартфоны в конечном итоге будут заменены носимыми устройствами, гарнитурами / очками и имплантатами, что обеспечит формирование мультисенсорной расширенной реальности.
Другие предполагают полное слияние киберпространства и физической реальности. Достаточно будет думать о каком-либо предмете, чтобы затем, имея мгновенный доступ к данным, хранящимся в облаке, получить необходимую дополнительную информацию.
Конечно, эти потенциальные приложения являются спекулятивными, поскольку исследования в области 6G все еще находятся в зачаточном состоянии, а стадия полного развертывания 5G-сетей / средств связи наступит через несколько лет. Возможно, даже потребуется реинжиниринг Интернета, прежде чем он сможет поддерживать 6G-технологии. Все эти устройства в некоторых случаях потребуют постоянного и устойчивого питания (аккумуляторные батареи, стабильное подключение к электросетям), иначе вся экосистема производства и других приложений окажется под угрозой. Тем не менее, 6G, безусловно, принесет больше новшеств, чем его предшественники, по крайней мере, на теоретической основе, но это будет захватывающая перспектива, если, впрочем, какое-либо из этих приложений будет реализовано в полной мере на практике [12].
КНР лидирует по патентным заявкам на технологии 6G-связи
Следует отметить, что, как и в случае с ранним этапом развития 5G-технологий, при разработках в сфере 6G-технологий ведущие позиции захватили китайские фирмы и научно-исследовательские организации. В сентябре 2021 года японская экономическая газета Nikkei (Nihon Keizai Shimbun) и Институт кибертворчества (Cyber Creative Institute) изучили около 20 тыс. патентных заявок на девять основных технологий связи шестого поколения. К этим технологиям относятся средства / системы связи, квантовые технологии, базовые станции и искусственный интеллект. По результатам исследования выяснилось, что на КНР приходится 40,3% заявок на патенты 6G, далее следуют США (35,2%), Япония (9,9%), Европа (8,9%) и Южная Корея (4,2%).
Патентные заявки КНР в основном связаны с инфраструктурой мобильной связи. Крупнейшими китайскими патентными заявителями являются Huawei, State Grid Corporation of China и China Aerospace Science and Technology. В ноябре прошлого года Университет электронных наук и технологий Китая запустил первый в мире 6G-спутник.
Предполагается, что быстродействие технологии 6G в 10 раз превышает быстродействие технологии 5G [16].
Графен и 6G-связь
При освоении 6G-технологий, как и многих других высокотехнологичных материй, важную роль играет выбор материалов для изготовления электронной компонентной базы, обеспечивающих реализацию всего потенциала новой технологии. В случае 6G-технологий одним из таких материалов является графен. В мае 2021 года фирма IDTechEx опубликовала доклад «Оценка рынка графена и 2D-материалов на 2021–2031 годы» (Graphene Market & 2D Materials Assessment 2021–2031). В нем отмечено, что освоение и развитие 6G-технологий связи требует использования графена. Первоначально 6G будет запущен на частоте нескольких сотен гигагерц. В лабораторных условиях уже разработано несколько типов графеновых диодов и транзисторов, а также технологий их формирования, предназначенных для использования в 6G-инфраструктуре и приборах связи. Но ситуация усложнится при появлении второго поколения 6G-связи, рассчитанного на частоту около 1 ТГц (для обеспечения максимального времени отклика и скорости передачи данных, информационной емкости и т. д.). Обещаемые пользователям преимущества 6G могут быть получены только при использовании возможностей графена. Предполагается, что повсеместное использование 6G отражающих интеллектуальных поверхностей (RISS) позволит не только разумнее и точнее перенаправлять лучи, но и фактически усиливать их, осуществляя беспроводную зарядку телефонов и работающих устройств. Графен поддерживает подобные подходы [17].
* * *
Переход на 5G-технологии позволяет осуществить цифровую модернизацию экономики в целом, ее отдельных отраслей, а также всех сфер жизни человека. В еще большей мере это будет относиться к 6G-технологиям. На основе конвергенции 5G и гиперразмерных вычислений в облачной среде возникает новая реальность существования и развития человечества. Все решения в области 5G-связи (а тем более и 6G-связи) являются сплавом аппаратного и программного обеспечения. Преимуществами в развертывании и развитии 5G / 6G-технологий, модернизации экономики на их основе будут иметь страны, обладающие собственными перспективными аппаратными (полупроводниковые приборы, включая ИС) и программными платформами.
Работы в области развития и совершенствования 5G / 6G-технологий связи показывают, что в единое поле вовлекаются такие отрасли промышленности и области знания, как полупроводниковые, информационные, квантовые технологии, материаловедение, математика, физика, химия, вычислительная техника, искусственный интеллект и многое другое. Безусловно, становление инфраструктуры 5G / 6G-связи окажет существенное влияние на ускорение научно-технического прогресса.
Нужно отметить еще одно: развертывание 5G миллиметровой (mmWave), а затем и 6G-связи означает наступление эры «всепроникающей» информационной инфраструктуры. Особенностью этого периода, в частности, станет возможность практически мгновенной передачи огромных объемов информации в реальном масштабе времени. Здесь возникают, помимо воздействия на экономику и повседневную жизнь человека, по крайней мере, два момента. Во-первых, дальнейшее развитие получат концепции сетецентричного ведения боевых действий. Эти концепции во все большей мере будут охватывать не только непосредственную зону ведения военных операций, но и всю территорию противоборствующих сторон и их союзников. Все дальше будет размываться граница между спутниками военного и гражданского назначения (что уже наблюдается в условиях проведения специальной военной операции ВС РФ на территории Украины), все больше будут расширяться возможности корректировки хода боевых действий, а также ведения разведки на различных уровнях и в различных сферах развитии 5G / 6G-технологий. Во-вторых, во все большей степени будет осложняться противодействие иностранным радио- и радиотехническим средствам разведки.
Соответственно, для России вопрос развития микроэлектроники, изделия которой и становятся аппаратным обеспечением, не просто один из вопросов обеспечения национальной безопасности, но и вопрос сохранения суверенитета и территориальной целостности. При этом микроэлектронику необходимо рассматривать как базовую отрасль развития не только всего радиоэлектронного комплекса в целом, но и тех отраслей, что получают реальные выгоды в процессе цифровизации.
От автора: «Интересно отметить, что 6G-технологии будут развертываться в два этапа – по сценарию 5G-связи. Сначала появятся сети / средства связи, использующие диапазон менее 1 ТГц (в случае 5G это рубеж до 6 ГГц), а затем – технологии диапазона около 1 ТГц (для 5G это окно от 6 ГГц до 200 ГГц). Возникает вопрос, а что будет после 2041 года, когда закончится срок реализации маршрутной карты развития 6G-связи? Возникнет 7G? И как она будет выглядеть? Если в рамках 6G возможна замена телефонных трубок на имплантируемые в тело человека средства, то останется ли в рамках возможной 7G-технологии сам человек в его нынешнем виде?».
Литература
Макушин М. Битва за будущее микроэлектроники //
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, |Технология, Бизнес. 2021. № 2 (00203). С. 114–126.
Manners D. 2G and 3G to be phased out by 2033 and O-RAN to take 35% of UK network by 2030 // Electronics Weekly. 8th December. 2021.
Bush S. 5G small cell trial for City of London. Electronics Weekly. 20th May. 2022.
Manners D. China and Europe dominate base station market // Electronics Weekly. 29th July. 2021.
Manners D. 624m 5G phones to be sold in 2021 // Electronics Weekly. 21st June. 2021.
5G Forecast: 1.3 Billion by Year-End 2022 // Microwave Journal. March 24. 2022.
Global 5G SA Infrastructure Market to Exceed $112B by 2027 // Microwave Journal. February 16. 2022.
Manners D. US DoD O-RAN Design Challenge // Electronics Weekly. 11th April. 2022.
Chauhan K. Global 5G Smartphone Sales Penetration Surpassed 4G for First Time in January 2022 // Counterpoint. March 16. 2022.
Sameh Yamany. Hyperscalers and 5G: Collision or Collusion? // EE Times. 02.28.2022.
Макушин М. Аспекты развития 5G-сетей // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 6 (00187). С. 100–112.
Atwell C. What is 6G and future wireless? // Fierce Electronics. Oct 7. 2021.
Dahad N. Apple Gets in on 6G Definition Race // EE Times. 02.21.2021.
Макушин М. Маршрутная карта развития 6G-технологий // Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Электронная версия. Выпуск 15 (6714) от 6 августа 2020 г. С. 4–11.
Макушин М. Маршрутная карта развития 6G-технологий // Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Электронная версия. Выпуск 16 (6715) от 20 августа 2020 г. С. 4–11.
Manners D. China leads in 6G patents // Electronics Weekly. 2021.17th September.
Graphene for 6G Communications, Explores IDTechEx. // Microwave Journal. May 11. 2021.
работы в области 6G .Часть 2
М. Макушин
В первой части статьи были проанализированы динамика и проблемы развертывания 5G-сетей, включая развертывание 5G-инфраструктуры и рост числа абонентов, опережение по объему продаж 5G-смартфонов по сравнению с 4G-смартфонами. Кроме того, был затронут аспект соотношения 5G-технологий и технологий гиперразмерных вычислений, как с точки зрения новых приложений и вариантов использования, так и с точки зрения возникновения новых проблем. Наконец, были отмечены особенности текущего момента развития 5G-связи.
Во второй части статьи рассматриваются перспективные работы в области технологии 6G-связи, включая формирование маршрутных карт развития 6G-технологий и развитие терагерцовой связи. Также отмечаются лидерство КНР по числу патентных заявок на технологии 6G-связи и возможности использования графена как перспективного материала для 6G полупроводниковых приборов, включая ИС.
Работы в области 6G
Многие специалисты считают, что 6G-технология будет характеризоваться скоростью передачи данных до 1 Тбит / с, поддержкой возможности взаимодействия облачных технологий и мозга человека (при условии наличия и использования соответствующих имплантатов в мозг ко времени внедрения данной технологии). Ожидается, что 6G-сети предоставят более разнообразные возможности, чем сети предшествующих поколений.
Скорее всего, они будут поддерживать приложения, возможности которых выходят за рамки современных мобильных приложений, таких как виртуальная и дополненная реальности, искусственный интеллект (ИИ) и Интернет вещей. Также предполагается, что операторы 6G мобильных сетей перейдут на гибкие децентрализованные модели, предусматривающие местное лицензирование спектра, совместное использование спектра и инфраструктуры. Все это будет осуществляться с помощью интеллектуального автоматизированного управления, основанного на мобильных краевых вычислениях, коммутации коротких пакетов данных и технологиях блокчейн. Для удобства рассмотрения вопроса выделим несколько моментов: отличия 6G-технологий от предшествующих поколений связи, формирование маршрутных карт развития и аспекты терагерцовой связи, возможные приложения 6G-технологий, ситуацию с подачей патентных заявок на 6G-разработки и поиск материалов, наиболее полно соответствующих задачам реализации полного потенциала 6G-технологий.
Некоторые особенности 6G-технологий
Новые стандарты беспроводной связи разрабатываются примерно каждые десять лет, и ожидается, что развертывание 6G-сетей начнется примерно в 2030 году. В настоящее время сложно оценивать перспективы 6G, даже само его наименование, возможно, впоследствии будет заменено на что-то другое. Имея это в виду, можно обсуждать только некоторые теоретические аспекты 6G и то, что может предложить эта технология, когда в конечном итоге будет развернута. Ряд исследований рассматривает 6G как полностью интегрированную интернет-систему, которая обеспечивает мгновенную связь между пользователями, устройствами, транспортными средствами и окружающей средой. То есть речь идет и о выходе за рамки Интернета вещей, переходу к «Всеохватывающему Интернету»*.
В настоящее время телекоммуникационные компании по-прежнему продвигают технологии 4G. Стандарт 4G / LTE, представленный в 2009 году, позволил увеличить скорость передачи данных и позволил пользователям транслировать HD-фильмы, играть в игры и передавать большие объемы данных со скоростью примерно 33 Мбит / с (табл. 3) [12].
Как уже говорилось, некоторые эксперты считают, что 6G обеспечит скорость передачи данных до 1 Тбит / с, что в тысячу раз превышает скорость передачи пакетов данных по современным оптоволоконным линиям. Федеральная комиссия по связи (США) открыла перспективу 6G-быстродействия в 2019 году, позволив разработчикам экспериментировать с терагерцовыми волнами (также известными как субмиллиметровые волны), которые попадают в спектр от 95 ГГц до 3 ТГц. Для сравнения, 5G использует средние или высокочастотные миллиметровые волны (mmWave) и СВЧ-технологии для достижения диапазона частот от 24 до 40 ГГц. Хотя терагерцовые волны могут повысить скорость 6G до диапазона 1 Тбит / с, он будет иметь те же ограничения, что и 5G, в том смысле, что 6G имеет ограниченный диапазон и требует «прямой видимости» между передатчиком и конечным пользователем.
Р
яд исследовательских организаций и фирм уже приступил к созданию электронной компонентной базы для технологий 6G-связи. Так, инженеры Калифорнийского университета (Санта-Барбара) в 2021 году разработали устройство, которое может помочь ускорить процесс разработки 6G с использованием транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе нитрида галлия (GaN) с N-полярностью. Эти HEMT включают соединение между двумя материалами с разной шириной запрещенной зоны, которое функционирует как канал, а не легированная область, обычная для полевых МОП-транзисторов. В результате HEMT позволяет устройству работать на гораздо более высоких частотах (от 140 до 230 ТГц), как того требует 6G.
В конце 2020 года исследователи из Наньянского технологического университета Сингапура и Осакского университета Японии разработали ИС для терагерцовых волн, которую можно использовать для 6G. В начале 2021 года инженеры фирмы Millimeter Wave Products создали усилители для G-диапазона, работающие в терагерцовой области спектра.
Это только несколько примеров разработок, способных помочь создателям 6G-технологий реализовать свои идеи и выйти за рамки стадии исследований. Правда, учитывая медленное продвижение развертывания 5G, может пройти десятилетие или больше, прежде чем 6G станет реальностью [12].
Маршрутная карта развития 6G-технологий: проблемы и возможности, развитие терагерцовой связи
6G-сети / средства связи находятся в самом начале цикла зрелости технологий. Эта область привлекает значительные инвестиции. По данным исследовательской фирмы IDTechEx Research (Кембридж, Великобритания), на НИОКР в области 6G-технологий по всему миру уже выделено более миллиарда долларов. На данный момент несомненными лидерами являются КНР, Республика Корея и Финляндия, активно исследующие терагерцовую электронику. Например, КНР уже приступила к испытаниям некоторых 6G-компонентов в космосе. Исследования Финляндии и ее партнеров пользуются поддержкой ЕС – общая сумма выделенных грантов составила 350 млн долл.
Программы НИОКР в области 6G-технологий активно проводятся и в других странах, в том числе в Индии. Правда, окончательного решения по многим вопросам, связанным с технологией 6G еще нет – не определена даже частота. Тем не менее, в области 6G ставятся амбициозные задачи и цели.
Отраслевые специалисты отмечают, что идеи и инновации достигают уровня зрелости обычно за 10-15 лет. Поэтому работы в области 6G необходимо начинать уже сейчас, когда технология 5G еще полностью не развернута. Разработки в области 6G необходимо проводить с учетом опыта развертывания 5G-сетей / средств связи, уделяя большое внимание проблемам терагерцовой связи и перспективным материалам.
Для обеспечения достижения технологией 6G существенных преимуществ по сравнению с технологией 5G, безусловно, очень важно развитие терагерцовой связи. Решение проблем терагерцовой связи в настоящее время сосредоточено на таких работах, как создание беспроводных приемопередатчиков 100-ГГц класса и демонстрация передач на частоте 140 ГГц с пропускной способностью 100 Гбит / с с использованием простой цифро-аналоговой радиочастотной архитектуры. Эти работы являются составной частью продвижения к формированию единой маршрутной карты развития 6G-технологий.
Недавно CEA-Leti объявила, что возглавила панъевропейский консорциум по разработке и тестированию технологии, обеспечивающей динамически программируемое распространение радиоволн 6G-сигналов по требованию. Данное распространение должно осуществляться через поверхности повседневного использования, такие как стены, потолки, зеркала и бытовые приборы.
Все подобные проекты будут иметь важное значение для развития базы знаний, осуществления испытаний и создания опытных образцов, что поможет сформулировать Маршрутную карту развития 6G-технологий. В феврале 2021 года фирма IDTechEx Research опубликовала исследование «Рынок 6G-средств связи, [полупроводниковых] приборов и материалов на период 2021–2041 гг.», в котором попыталась спрогнозировать некоторые моменты возможной маршрутной карты развития 6G-технологий, а также рассмотреть некоторые проблемы, заблуждения и возможности, связанные с 6G-технологиями (рис. 3).
Одним из ключевых параметров 6G-технологий будет скачкообразный переход в полосу терагерцовых частот, то есть в нераспределенный частотный диапазон от 275 ГГц до 10 ТГц. Этот диапазон также известен как дальняя ИК-область спектра. Специалисты IDTechEx оценивают этот диапазон как территорию «физики ковбойского дикого запада», для которой пока существует слишком мало компонентов, а генерируемые ими сигналы очень слабы. У этой области есть и другое название – «Терагерцовый разрыв» (Terahertz Gap).
По этой причине первоначальные эксперименты часто проводятся в более «легкой» полосе частот – 100–300 ГГц. Недавно Федеральная комиссия США по связи (FCC) предложила официально закрепить «игровую площадку экспериментаторов» в некоторых полосах частот между 116 и 246 ГГц. Развертывание 6G-технологий может начаться на относительно легкой частоте, например 275 ГГц. Затем будет осуществлен переход на более высокую частоту (около 1 ТГц), где возможна полная реализация потенциала 6G-технологий. То есть ожидается повторение ситуации с развертыванием 5G-сетей / средств связи, когда все начиналось в суб‑6-ГГц диапазоне с опорой на инфраструктуру 4G LTE, а затем начался переход на миллиметровые (mmWave) волны (десятки гигагерц).
Верхняя, конечная терагерцовая частота 6G-технологий вряд ли будет выше уровня 1 ТГц. Это обусловлено тем, что сразу после этого уровня затухание радиоволн в атмосфере подскакивает до значительных уровней, а необходимые компоненты становятся слишком сложными. Фактически терагерцовые частоты будут использоваться на локальном уровне между спутниками, в остальном же связь будет поддерживаться посредством оптических систем в открытом пространстве (Free Space Optical, FSO), поскольку прокладка волоконно-оптических линий связи окажется слишком дорогой или непрактичной. Также могут использоваться некоторые междугородние линии связи в гигагерцовом С-диапазоне (4–8 ГГц).
Для решения различных задач потребуется использовать большое число возможностей в широком диапазоне областей, начиная от модемов и ИС входных каскадов и возможностей оконечных сетевых устройств до средств управления терагерцовым радиолучом [13].
Возвращаясь к CEA-Leti, можно отметить, что и эта организация в начале 2020 года опубликовала «Технологическую маршрутную карту развития подключаемости в D-диапазоне за пределами возможностей 5G» (Technology Roadmap for Beyond 5G Wireless Connectivity in D-band). В ней описываются базовые сценарии (системная модель, сценарий внешней транзитной передачи, смешанные внутренние сети, пример прямой связи между устройствами) и кремниевые технологии обеспечения подключаемости (обзор и маршрутные карты, позиции кремниевой и АIIIВV технологий, случай усилителей мощности) [14, 15].
Возможные приложения для 6G
На данном этапе непросто понять, на что способна 6G-технология, но, если это будет похоже на развертывание предыдущих стандартов, влияние может быть огромным. Автономные транспортные средства, БПЛА, интеллектуальные заводы и искусственный интеллект уже приобретают большую популярность по мере массового внедрения 5G-технологий. Некоторые эксперты считают, что 6G может продвинуть эти приложения еще дальше, впервые возложив на искусственный интеллект (ИИ) функцию обеспечения и координации бесперебойной работы всех этих приложений. Беспилотные автомобили могут использовать ИИ, чтобы общаться с другими для навигации, предотвращения наезда на пешеходов / объекты и обновления информации о дорожном движении. Искусственный интеллект и краевые вычисления также могут обеспечить использование таких устройств, как светофоры и уличные фонари, в качестве сетевых антенн в прилегающих районах, позволяя транспортным средствам и людям поддерживать Wi-Fi-соединение.
Виртуальная и дополненная реальности могут стать более всеохватывающими. Представьте себе клеточные поверхности и объекты, которые можно ощутить с помощью подключенных имплантатов или даже беспроводных интерфейсов человека и компьютера. В исследовании Вирджинского технологического института за 2019 год говорится, что смартфоны в конечном итоге будут заменены носимыми устройствами, гарнитурами / очками и имплантатами, что обеспечит формирование мультисенсорной расширенной реальности.
Другие предполагают полное слияние киберпространства и физической реальности. Достаточно будет думать о каком-либо предмете, чтобы затем, имея мгновенный доступ к данным, хранящимся в облаке, получить необходимую дополнительную информацию.
Конечно, эти потенциальные приложения являются спекулятивными, поскольку исследования в области 6G все еще находятся в зачаточном состоянии, а стадия полного развертывания 5G-сетей / средств связи наступит через несколько лет. Возможно, даже потребуется реинжиниринг Интернета, прежде чем он сможет поддерживать 6G-технологии. Все эти устройства в некоторых случаях потребуют постоянного и устойчивого питания (аккумуляторные батареи, стабильное подключение к электросетям), иначе вся экосистема производства и других приложений окажется под угрозой. Тем не менее, 6G, безусловно, принесет больше новшеств, чем его предшественники, по крайней мере, на теоретической основе, но это будет захватывающая перспектива, если, впрочем, какое-либо из этих приложений будет реализовано в полной мере на практике [12].
КНР лидирует по патентным заявкам на технологии 6G-связи
Следует отметить, что, как и в случае с ранним этапом развития 5G-технологий, при разработках в сфере 6G-технологий ведущие позиции захватили китайские фирмы и научно-исследовательские организации. В сентябре 2021 года японская экономическая газета Nikkei (Nihon Keizai Shimbun) и Институт кибертворчества (Cyber Creative Institute) изучили около 20 тыс. патентных заявок на девять основных технологий связи шестого поколения. К этим технологиям относятся средства / системы связи, квантовые технологии, базовые станции и искусственный интеллект. По результатам исследования выяснилось, что на КНР приходится 40,3% заявок на патенты 6G, далее следуют США (35,2%), Япония (9,9%), Европа (8,9%) и Южная Корея (4,2%).
Патентные заявки КНР в основном связаны с инфраструктурой мобильной связи. Крупнейшими китайскими патентными заявителями являются Huawei, State Grid Corporation of China и China Aerospace Science and Technology. В ноябре прошлого года Университет электронных наук и технологий Китая запустил первый в мире 6G-спутник.
Предполагается, что быстродействие технологии 6G в 10 раз превышает быстродействие технологии 5G [16].
Графен и 6G-связь
При освоении 6G-технологий, как и многих других высокотехнологичных материй, важную роль играет выбор материалов для изготовления электронной компонентной базы, обеспечивающих реализацию всего потенциала новой технологии. В случае 6G-технологий одним из таких материалов является графен. В мае 2021 года фирма IDTechEx опубликовала доклад «Оценка рынка графена и 2D-материалов на 2021–2031 годы» (Graphene Market & 2D Materials Assessment 2021–2031). В нем отмечено, что освоение и развитие 6G-технологий связи требует использования графена. Первоначально 6G будет запущен на частоте нескольких сотен гигагерц. В лабораторных условиях уже разработано несколько типов графеновых диодов и транзисторов, а также технологий их формирования, предназначенных для использования в 6G-инфраструктуре и приборах связи. Но ситуация усложнится при появлении второго поколения 6G-связи, рассчитанного на частоту около 1 ТГц (для обеспечения максимального времени отклика и скорости передачи данных, информационной емкости и т. д.). Обещаемые пользователям преимущества 6G могут быть получены только при использовании возможностей графена. Предполагается, что повсеместное использование 6G отражающих интеллектуальных поверхностей (RISS) позволит не только разумнее и точнее перенаправлять лучи, но и фактически усиливать их, осуществляя беспроводную зарядку телефонов и работающих устройств. Графен поддерживает подобные подходы [17].
* * *
Переход на 5G-технологии позволяет осуществить цифровую модернизацию экономики в целом, ее отдельных отраслей, а также всех сфер жизни человека. В еще большей мере это будет относиться к 6G-технологиям. На основе конвергенции 5G и гиперразмерных вычислений в облачной среде возникает новая реальность существования и развития человечества. Все решения в области 5G-связи (а тем более и 6G-связи) являются сплавом аппаратного и программного обеспечения. Преимуществами в развертывании и развитии 5G / 6G-технологий, модернизации экономики на их основе будут иметь страны, обладающие собственными перспективными аппаратными (полупроводниковые приборы, включая ИС) и программными платформами.
Работы в области развития и совершенствования 5G / 6G-технологий связи показывают, что в единое поле вовлекаются такие отрасли промышленности и области знания, как полупроводниковые, информационные, квантовые технологии, материаловедение, математика, физика, химия, вычислительная техника, искусственный интеллект и многое другое. Безусловно, становление инфраструктуры 5G / 6G-связи окажет существенное влияние на ускорение научно-технического прогресса.
Нужно отметить еще одно: развертывание 5G миллиметровой (mmWave), а затем и 6G-связи означает наступление эры «всепроникающей» информационной инфраструктуры. Особенностью этого периода, в частности, станет возможность практически мгновенной передачи огромных объемов информации в реальном масштабе времени. Здесь возникают, помимо воздействия на экономику и повседневную жизнь человека, по крайней мере, два момента. Во-первых, дальнейшее развитие получат концепции сетецентричного ведения боевых действий. Эти концепции во все большей мере будут охватывать не только непосредственную зону ведения военных операций, но и всю территорию противоборствующих сторон и их союзников. Все дальше будет размываться граница между спутниками военного и гражданского назначения (что уже наблюдается в условиях проведения специальной военной операции ВС РФ на территории Украины), все больше будут расширяться возможности корректировки хода боевых действий, а также ведения разведки на различных уровнях и в различных сферах развитии 5G / 6G-технологий. Во-вторых, во все большей степени будет осложняться противодействие иностранным радио- и радиотехническим средствам разведки.
Соответственно, для России вопрос развития микроэлектроники, изделия которой и становятся аппаратным обеспечением, не просто один из вопросов обеспечения национальной безопасности, но и вопрос сохранения суверенитета и территориальной целостности. При этом микроэлектронику необходимо рассматривать как базовую отрасль развития не только всего радиоэлектронного комплекса в целом, но и тех отраслей, что получают реальные выгоды в процессе цифровизации.
От автора: «Интересно отметить, что 6G-технологии будут развертываться в два этапа – по сценарию 5G-связи. Сначала появятся сети / средства связи, использующие диапазон менее 1 ТГц (в случае 5G это рубеж до 6 ГГц), а затем – технологии диапазона около 1 ТГц (для 5G это окно от 6 ГГц до 200 ГГц). Возникает вопрос, а что будет после 2041 года, когда закончится срок реализации маршрутной карты развития 6G-связи? Возникнет 7G? И как она будет выглядеть? Если в рамках 6G возможна замена телефонных трубок на имплантируемые в тело человека средства, то останется ли в рамках возможной 7G-технологии сам человек в его нынешнем виде?».
Литература
Макушин М. Битва за будущее микроэлектроники //
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, |Технология, Бизнес. 2021. № 2 (00203). С. 114–126.
Manners D. 2G and 3G to be phased out by 2033 and O-RAN to take 35% of UK network by 2030 // Electronics Weekly. 8th December. 2021.
Bush S. 5G small cell trial for City of London. Electronics Weekly. 20th May. 2022.
Manners D. China and Europe dominate base station market // Electronics Weekly. 29th July. 2021.
Manners D. 624m 5G phones to be sold in 2021 // Electronics Weekly. 21st June. 2021.
5G Forecast: 1.3 Billion by Year-End 2022 // Microwave Journal. March 24. 2022.
Global 5G SA Infrastructure Market to Exceed $112B by 2027 // Microwave Journal. February 16. 2022.
Manners D. US DoD O-RAN Design Challenge // Electronics Weekly. 11th April. 2022.
Chauhan K. Global 5G Smartphone Sales Penetration Surpassed 4G for First Time in January 2022 // Counterpoint. March 16. 2022.
Sameh Yamany. Hyperscalers and 5G: Collision or Collusion? // EE Times. 02.28.2022.
Макушин М. Аспекты развития 5G-сетей // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 6 (00187). С. 100–112.
Atwell C. What is 6G and future wireless? // Fierce Electronics. Oct 7. 2021.
Dahad N. Apple Gets in on 6G Definition Race // EE Times. 02.21.2021.
Макушин М. Маршрутная карта развития 6G-технологий // Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Электронная версия. Выпуск 15 (6714) от 6 августа 2020 г. С. 4–11.
Макушин М. Маршрутная карта развития 6G-технологий // Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Электронная версия. Выпуск 16 (6715) от 20 августа 2020 г. С. 4–11.
Manners D. China leads in 6G patents // Electronics Weekly. 2021.17th September.
Graphene for 6G Communications, Explores IDTechEx. // Microwave Journal. May 11. 2021.
Отзывы читателей
