Каждое поколение мобильной связи использует новые диапазоны радиочастотного спектра. Исходя из тенденций в индустрии и академических работ, будущие 6G сети так или иначе будут работать в субтеррагерцовом (Sub-THz) диапазоне. Это диктует кардинальное повышение многих показателей производительности, ставя перед инженерами амбициозные задачи по модернизации компонентов, интерфейсов и модулей связи.
Все, что мы знаем сегодня о применении C-диапазона (3.5 ГГц) или миллимитровых волн (mmWave, ~25-28 ГГц) в реальных 5G сетях, включая схожную модуляцию высокого порядка, модели распространения волн, отношение сигнал-шум и энергоэффективность оборудования, начинает выглядеть иначе при работе в Sub-THz диапазоне.
В этом кратком обзоре я не буду описывать области применения, вопросы регуляции частот и другие аспекты 6G. В данной статье рассмотрим 11 сугубо технических проблем на пути к связи в Sub-THz для мобильных сетей шестого поколения.
Определение "Sub-THz"
Перед тем как мы перейдём непосредственно к обзору технических проблем, я хочу обьяснить в каком значении будет использоваться термин субтерагерцовая связь.
Если исходить непосредственно из названия, то это связь в диапазоне частот ниже 1 ТГц. Однако, если мы взглянем на материалы Rohde&Schwarz, Nokia, Ericsson и других лидеров индустрии, мы заметим, что под данным термином зачастую имеется ввиду участок спектра ориентировочно от 100 до 300 ГГц (или диапазоны W/F.G/D/H/J в классификации IEEE).
В данной статье под термином "субтерагерцовая связь" я так же буду иметь ввиду примерный диапазон от 100 до 300 ГГц.
Сразу хочу отметить, что будущий стандарт 6G конечно же будет переиспользовать существующие диапазоны, которые сейчас заняты GSM/UMTS/LTE/5G. И очевидно, что подавляющее число кейсов будет развернуто именно в диапазонах 450 MHz - 28 ГГц, которые наиболее универсальны для классических сервисов связи с точки зрения покрытия и ёмкости сети.
1. Невероятно высокие потери при распространении сигнала📵
По сравнению с более низкими частотами, такими как те, которые используются в современных сотовых сетях (450-3500 MHz и ~25-28 ГГц), субтерагерцовые волны претерпевают ещё более высокие потери при распространении. Это означает, что сигнал значительно ослабевает по мере его распространения, ограничивая дальность действия субтерагерцовых систем даже по сравнению с миллиметровыми волнами.
К этой проблеме добавляется тот факт, что субтерагерцовые волны легко поглощаются атмосферными условиями, осадками (дождем и снегом) и листвой (деревьями, кустарниками). Это ещё больше снижает мощность сигнала и затрудняет надежную передачу данных на приемлемых расстояниях, не только в прямой видимости на открытом воздухе, но и в случае переотражения сигнала от различных обьектов. Передача даже на 100 метров с определенными требованиями к отношению сигнал/шум (SNR) может оказаться очень сложной технической задачей.
Южнокорейский оператор SKT Telecom в своем отчёте (white paper) провела хорошее сравнение частот 3,5 ГГц / 28 ГГц и 140 ГГц. Общее затухание сигнала на частоте 140 ГГц на 33,6 дБ больше, чем на частоте 3,5 ГГц. Это более чем в 2000 раз! Разница между 28 ГГц и 140 ГГц составляет около 14,6 дБ. Очевидно, потребуется полный пересмотр текущей архитектуры сотовой сети для случая поддержки диапазона 140 ГГц.
2. Практически нулевое проникновение сигнала☠️
Субтерагерцовые волны с гораздо большей вероятностью будут полностью блокироваться людьми, стенами, транспортными средствами по сравнению с волнами на частотах 3,5 или 28 ГГц. Такая особенность может значительно ограничить зону покрытия базовых станций субтерагерцового диапазона и затруднить обеспечение стабильного сигнала даже в сценариях прямой видимости внутри помещений. Что уж говорить о сценариях вне помещений и непрямой видимости.
Такие факторы требуют более плотной сети субтерагерцовых станций по сравнению с сетями более низких частот для достижения аналогичного покрытия. Это значительно увеличит стоимость развертывания и сложность всей системы.
В научной среде уже давно набирает обороты тематика использования специальных антенн в виде интеллектуальных отражающих поверхностей (Intelligent Reflecting Surfaces - RIS). Особенно для улучшения связи в сценариях без прямой видимости. Но это уже совсем другая история для отдельной статьи. ️
3. Отсутствие оборудования и их компонентов🔧
Еще одна серьезная проблема на данный момент это практически полное отсутствие какого-либо коммерческого оборудования.
Компоненты оборудования, специально разработанные, например, для G-band (140-220 ГГц) или диапазона частот D-Band (110-170 ГГц), очень ограничены.
Ситуация становится еще более сложной на более высоких субтерагерцовых частотах (например, диапазон 275-330 ГГц). Здесь коммерчески доступное оборудование практически отсутствует. Только некоторое оборудование, относящееся к устройствам мониторинга погоды, пассивным сканерам, датчикам и другим крайне редким прототимам.
4. Потребность в передовом измерительном оборудовании📊
Для работы в диапазонах 6G ниже терагерца нужны не только передовые научные разработки, но и измерительное оборудование, готовое к работе на этих частотах. На сегоднящний день телеком индустрия пытается к этому подготовиться. Например измерительный комплекс от компании Keysight, способный работать с частотами до 220 ГГц, является хорошим примером этой тенденции.
5. Отсутствие надежных моделей и методов моделирования каналов🎛️
Данная проблема тесно связана с предыдущими. Из-за ограниченных возможностей существующих измерительных устройств, отсутствует полное понимание того, как каналы связи в субтерагерцовом диапазоне изменяются в различных средах: сложной городской застройки, внутриьпомещений с различным типом материалов, прямой видимости и при работе системы с переотраженными сигналами в непрямой видимости.
Дополнительно, отсутствие достаточного количества необходимых данных измерений затрудняет разработку действительно надежных моделей каналов. Существующие модели могут неточно отражать специфические характеристики распространения сигнала в этих диапазонах. Эти различия имеют решающее значение для проектирования надежных систем связи.
Крайне большие доплеровские сдвиги, вызванные движущимися объектами (людьми, транспортными средствами), могут значительно влиять на прием сигнала и требуют применения передовых методов для их нивелирования. Эффективность таких методов в реальных условиях с ограниченным аппаратным обеспечением для измерения и моделирования остается открытым вопросом.
6. Окна с дополнительными атмосферными затуханиями⛈️
Если мы взглянем на изображение выше, которое отражает зависимость между атмосферным ослаблением (дБ/км) и частотами (ГГц), то мы можем наблюдать интересные явления. Из-за поглощения радиоволн водяным паром, кислородом, озоном и другими газами на определнных частотах может происходить дополнительное ослабление сигнала.
Наблюдается, по крайней мере, 3 пика ослабления сигнала, которые располагаются в районе 60 ГГц, 183 ГГц и 325 ГГц.
Что это означает? Это означает, что любая работа в этих диапазонах еще больше увеличит и без того чрезвычайную сложность системы. Эти диапазоны нежелательны для эксплуатации, или, по крайней мере, этот факт следует учитывать перед проектированием и развертыванием того или иного решения 6G.
7. Запрещенные участки спектра🚫
Существует множество запрещенных для излучения участков спектра. Изображение выше из моего курса 6G, где я привожу пример таких зон для диапазона 114,5 - 275 ГГц.
МСЭ (Международный союз электросвязи) определяет множество участков спектра, в которых любое излучение запрещено. Одной из возможных причин являются различные радиолокационные, пассивные и чувствительные системы, связанные с военными службами.
Этот факт может увеличить сложность устройств и сетей sub-THz в целом, поскольку при разработке и эксплуатации необходимо убедиться, что ваше оборудование не работает в этих диапазонах и соответствует очень жестким требованиям к маскам излучения выходного сигнала для усилителей мощности и их выходных фильтров.
8. Связь "точка-точка"
Из-за коротких длин волн субтерагерцового диапазона сигнал ведет себя подобно свету - его легко блокируют препятствия. Это делает практически непригодными сценарии с мобильностью пользователей.
Поэтому, для типовых сценариев мобильной связи (сматфоны, автомобили и другие терминалы) так или иначе будут использоваться существующие диапазоны частот (450 MHz - 28 ГГц).
Для преодоления блокировки сигнала потребуются мощные усилители и узконаправленные антенны, что делает подсткойку мощности канала, управление лучом антенны менее удобной для мобильных устройств.
Высокая направленность антенных решеток субтерагерцового диапазона и сценарии связи в целом предполагают, что он лучше всего подходит для "точечной" связи в прямой видимости между устройствами. Это делает его менее применимым для типичных услуг мобильной сети, где пользователи перемещаются и требуют бесшовного покрытия с хэндоверами.
Таким образом, этот недостаток или, скорее, очередная особенность связи в субтерагерцовом диапазоне, служит докозательством, что 6G Sub-THz будет использоваться в сугубо конкретных ситуациях, где первостепенное значение имеют высокие скорости передачи данных и прямая видимость между устройствами.
9. Необходимость в новой RF Front-end архитектуре📻
Я уверен, что оборудование 6G с поддержкой связи в субтерагерцевом диапазоне потребует совершенно новых подходов в постраении радиочастотной части (RF Front-end).
Как минимум, про причине существования запрещенных для излучения участков спектра, такое оборудование должно уметь быть способным использовать доступные фрагменты спектра, распределенные на большом расстоянии друг от друга по частоте (несколько ГГц). Своего рода агрегация каналов. Эта создает дополнительные проблемы для:
Базовых станций: проектирование радиочастотного блока базовых станций должно эффективно обрабатывать широко разнесенные полосы частот. Это может потребовать сложных методов агрегирования несущих и алгоритмов распределения ресурсов для объединения этих полос
Пользовательского оборудования: точно так же пользовательские устройства должны быть оснащены радиокомпонентами, которые могут работать в этих разных диапазонах. Это может увеличить сложность, стоимость разработки UE и сильно влиять на энергопотреблени устройств.
Кроме того, работа на более высоких частотах всегда приводит к увеличению фазового шума, генерируемого оборудованием (генераторы, смесители сигнала). Этот шум может исказить сигнал и ухудшить результирующие значения SNR. Из-за данных ограничений это может значительно затруднить поддержку схем модуляции большого порядка (например, 1024 QAM).
Для преодоления этих проблем и создания новой архитектуры RF Front-end, потребуются значительные улучшения радиочастотных компонентов:
Антенны: для субтерагерцового диапазона должны быть разработаны с более жесткими допусками и высокой точностью для обработки более коротких длин волн и поддержания качества сигнала.
Смесители: играют решающую роль в преобразовании частоты внутри RF front-end. Им потребуется эффективно работать на высоких частотах с минимальным искажением сигнала.
Другое радиочастотное оборудование: аналогичным образом, другие компоненты, такие как фильтры и усилители, потребуют модернизации для обработки субтерагерцовых сигналов с минимальными потерями мощности и шумом.
10. Ограничения существующих полупроводниковых технологий
Традиционные полупроводники на основе кремния могут испытывать трудности с обработкой высоких частот и сложной обработкой сигналов. Это может ограничить скорость передачи данных и производительность системы.
Новые технологии полупроводников: может потребоваться совершенствование существующих полупроводниковых материалов или разработка совершенно новых материалов с превосходными характеристиками для работы на высоких частотах.
Графен-плазмонные технологии: графен, лист атомов углерода толщиной в один атом, обладает уникальными электрическими и оптическими свойствами. Графеновые плазмонные структуры потенциально могут управлять субтерагерцовыми волнами новыми способами, что приведет к улучшению конструкций антенн и возможностей обработки сигналов.
Фотонные технологии: для некоторых субтерагерцовых применений могут быть исследованы технологии, основанные фотонах. Они могут дать преимущества с точки зрения скорости обработки сигнала и снижения потерь сигнала.
Например, уже существуют некоторые интересные статьи и технические документы, посвященные антеннам на основе графена с поддержкой технологий MIMO.
11. Энергоэфективность оборудования🪫
6G cвязь в субтерагерцовом диапазоне будет использовать чрезвычайно широкую полосу пропускания (возможно в несколько ГГц). Эта широкая полоса пропускания означает, что блоку цифровой обработки сигналов (DSP) потребуется обрабатывать в режиме реального времени значительный объем данных.
Обработка таких больших объемов данных, в свою очередь, потребует мощного блока DSP. К сожалению, такая обрабатывающая мощность так или иначе будет приводить к увеличению энергопотребления. Это может стать серьезным недостатком, особенно для пользовательского оборудования (UE) с батарейным питанием, а также привести к более высоким эксплуатационным расходам для базовых станций (BS).
Использование специализированных аппаратных компонентов, таких как сопроцессоры или FPGA, наряду с блоком DSP, может разгрузить некоторые задачи обработки, потенциально повысив эффективность и снизив энергопотребление.
Кроме того, разработка более эффективных алгоритмов DSP, специально предназначенных для субтерагерцовых применений, может помочь уменьшить вычислительную нагрузку и минимизировать энергопотребление.
Заключение
Как мы видим, потенциальное использование Sub-THz частот для будущих сетей 6G будет сопряжена со многими трудностями, не говоря уже о производстве и миниатюризации компонентов, проблемах, связанных с программным обеспечением, антенными технологиями, модуляцией и методами понижения пик-фактора оборудования (PAPR).
С другой стороны, использование субтерагерцового диапазона имеет как минимум 2 приемущества. Это возможность создания миниматюрных активных фазированных антенных решеток с очень узким направленным лучём связи. И связь с очень малым радиусом действия.
Оба аспекта естественным образом могут повысить безопасность некторых вариантов использования 6G, т.к. нельзя перехватить сигнал там, где его попросту нет.
Совершенных технологий не существует, поэтому разработчики и производители оборудования должны будут научиться находить компромисс между выходной мощностью, фазовым шумом, линейными характеристиками, энергопотреблением и конечной стоимостью устройства.
