Терагерцовая связь: Основа сетей 7G

На протяжении большей части истории беспроводной связи терагерцовый (THz) диапазон — частоты между 100 GHz и 10 THz — был скорее любопытством, чем ресурсом. Слишком высокий для эффективной генерации обычной электроникой, слишком низкий для оптических методов, его называли «терагерцовым разрывом». Спутники использовали микроволны. Оптоволокно использовало свет. THz диапазон, находящийся между ними, в основном не использовался. Этот анализ подготовлен исследовательской командой 7G Network, отслеживающей эволюцию беспроводных технологий в области стандартов, спектральной политики и отраслевых разработок.

Это меняется. Достижения в физике полупроводников, фотонике и проектировании антенн продвинули практическую генерацию сигналов в THz диапазон. И поскольку каждый низкочастотный диапазон становится перегруженным, огромный спектральный ресурс THz диапазона привлекает серьезное инженерное внимание. Для беспроводных сетей 7G — стандартизация которых ожидается в середине 2030-х годов — THz связь не является опциональной. Это основной механизм для достижения пиковых скоростей передачи данных 10+ Tbps, которые требует это поколение.

Что такое терагерцовый диапазон?

Электромагнитный спектр разделен на области по частоте. Радиоволны простираются от нескольких килогерц до примерно 300 GHz. Инфракрасный свет начинается выше 300 GHz (или, что эквивалентно, ниже длин волн 1 мм). "Терагерцовый диапазон" условно относится к частотам от примерно 100 GHz (0,1 THz) до 10 THz — диапазон частот в 100 раз, который охватывает переход от микроволнового к оптическому.

Ключевое свойство, которое делает THz привлекательным для связи, — это пропускная способность. Теорема Шеннона говорит нам, что максимальная скорость передачи данных любого канала пропорциональна его пропускной способности. Канал на 300 GHz потенциально может иметь пропускную способность 50–100 GHz — по сравнению с пропускной способностью каналов 400–800 MHz у 5G mmWave. Большая пропускная способность, при прочих равных условиях, означает больше битов в секунду.

Ключевое свойство, которое делает THz сложным, — это распространение. Высокочастотные сигналы теряют энергию при прохождении через воздух, и они не могут проникать через большинство материалов. На 300 GHz потери на трассе в свободном пространстве примерно на 30 дБ выше, чем на 28 GHz mmWave, что само по себе намного хуже, чем sub-6 GHz. Сигнал THz затухает до уровня шума в пределах десятков или сотен метров в свободном пространстве, и в пределах сантиметров или меньше при встрече со стеной.

Терагерцовый диапазон охватывает 0,1–10 THz и предлагает полосы каналов 50–100 ГГц — примерно в 100 раз шире, чем 5G mmWave — но страдает от потерь на трассе ~82 дБ на расстоянии всего 10 метров на частоте 300 ГГц.

Физика распространения THz

Два механизма доминируют в потерях THz сигнала:

Потери в свободном пространстве

Все электромагнитные волны испытывают потери в тракте, пропорциональные квадрату расстояния и квадрату частоты. Удвоение частоты увеличивает потери в тракте в четыре раза (при прочих равных условиях). На частоте 300 GHz потери в свободном пространстве на расстоянии 10 метров составляют приблизительно 82 дБ — это означает, что принятый сигнал на 82 дБ слабее переданного. Это требует чрезвычайно высокой мощности передачи или чрезвычайно высокого коэффициента усиления направленных антенн (или того и другого) для обеспечения энергетического баланса линии связи.

Молекулярное поглощение

Определенные молекулы — особенно водяной пар (H₂O) и кислород (O₂) — поглощают THz излучение на специфических частотах. На уровне моря при типичной влажности существуют пики поглощения на частотах 183 GHz, 325 GHz и 557 GHz, которые могут добавить 10–100 дБ дополнительного затухания на коротких расстояниях. Практический эффект заключается в том, что системы связи THz должны работать в "окнах прозрачности" между этими пиками поглощения — особенно около 300 GHz, 350 GHz и 410 GHz, где поглощение ниже.

В условиях низкой влажности (пустыни, высокогорье, холодный климат) и в помещениях (где влажность контролируется) поглощение значительно ниже. Это делает внутреннюю THz связь значительно более практичной, чем наружные дальние линии связи.

Распространение THz ограничено потерями в свободном пространстве (82 дБ на 300 ГГц на 10 м) и молекулярным поглощением H₂O и O₂ на пиках около 183, 325 и 557 ГГц, вынуждая системы работать в окнах прозрачности вблизи 300, 350 и 410 ГГц.

Почему THz все еще необходим для 7G

Учитывая эти проблемы, можно спросить: почему бы просто не использовать больше спектра sub-6 GHz или не расширить развертывание mmWave? Ответ заключается в арифметике. Общая доступная пропускная способность на частотах ниже 100 GHz — уже переполненных сотовой связью, спутниковыми, радарными, WiFi и другими службами — измеряется десятками гигагерц в глобальном масштабе. Удовлетворение спроса на беспроводную пропускную способность в 2040-х годах из существующих выделений спектра физически невозможно.

Диапазон THz, напротив, содержит сотни гигагерц потенциального спектра в каждом окне передачи. Для эффективного использования потребуются совершенно новые системные архитектуры — но необходимая пропускная способность есть. Инженерный вызов реален. Альтернатива хуже.

Общая доступная полоса ниже 100 ГГц измеряется десятками гигагерц глобально и уже перегружена, согласно данным FCC и ITU о распределении спектра. THz диапазон предлагает сотни гигагерц в каждом окне прозрачности, что делает его единственным жизнеспособным путём к удовлетворению потребностей в ёмкости эпохи 7G.

Аппаратный вызов: генерация THz сигналов

Генерация и детектирование THz сигналов является сложной задачей по фундаментальной причине: это требует электроники, которая переключается на THz скоростях. Ключевым показателем качества для транзисторов является транзитная частота (fT) — частота, на которой усиление падает до единицы. Использование транзистора в качестве усилителя требует работы значительно ниже fT.

Современные передовые транзисторы:

• InP HEMTs (транзисторы с высокой подвижностью электронов на основе фосфида индия): Лучшие исследовательские устройства показывают fT около 700–1000 GHz. Практические усилители работают примерно до 300–400 GHz. Это доминирующая технология для суб-THz систем связи сегодня.
• GaN HEMTs: Более низкая fT чем у InP (обычно 200–400 GHz для исследовательских устройств), но гораздо более высокая выходная мощность — полезно для передающих усилителей в THz каналах связи, где важна мощность.
• Графеновые транзисторы: Теоретические транзитные частоты выше 1 THz, но практические усилители не достигли производительности лабораторных устройств из-за контактного сопротивления и эффектов подложки. Активная область исследований.
• Фотонные подходы: Генерация THz сигналов путем биений двух лазерных частот (фотосмешивание) полностью избегает ограничений электронных транзисторов и может достигать 1–3 THz. Меньшая мощность по сравнению с электронными подходами, но улучшается.

Для 7G практические THz системы связи, вероятно, потребуют фронт-энды на основе InP или GaN, работающие в диапазоне 100–500 GHz для ближайшего развертывания (2030-е годы), согласно дорожной карте Horizon Europe по THz технологиям Европейской комиссии. Фотонные или передовые подходы на основе сложных полупроводников расширят частотный диапазон к 1 THz и выше в конце 2030-х и 2040-х годах.

InP HEMT лидируют в технологии THz устройств с fT 700–1000 ГГц и практическими усилителями до ~400 ГГц, согласно IEEE Electron Device Letters (2023). GaN HEMT предлагают более высокую выходную мощность для передающих усилителей, а фотонные подходы достигают 1–3 THz при меньшей мощности.

Дизайн антенн для THz

На THz частотах длины волн составляют доли миллиметра. Сигнал 300 GHz имеет длину волны 1 мм; сигнал 1 THz имеет длину волны 300 микрометров. Это имеет два важных последствия.

Во-первых, антенны становятся крошечными. Полуволновой диполь на 300 GHz имеет длину 0,5 мм — достаточно маленький, чтобы интегрироваться в сам корпус чипа. Это позволяет создавать конструкции антенна-в-корпусе (AiP), где приемопередатчик и антенна представляют собой единый интегрированный модуль, снижая потери от межсоединений.

Во-вторых, антенные решетки могут быть чрезвычайно плотными. 64-элементная фазированная решетка на 300 GHz помещается в несколько квадратных миллиметров. Это позволяет создавать чрезвычайно направленные лучи — тонкие как карандаш на THz частотах — которые концентрируют энергию точно в направлении предполагаемого приемника. Высокоусиливающие направленные антенны необходимы для компенсации потерь в тракте передачи.

Проблема заключается в управлении лучом. Высоконаправленный THz луч должен отслеживать движущееся устройство или адаптироваться, когда прямой путь заблокирован. Это требует быстрого, надежного управления лучом — проблема, которую 5G mmWave решила несовершенно и которую 6G и 7G должны решить более надежно. Такие технологии, как реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS), могут сыграть ключевую роль в управлении THz лучами.

На частоте 300 ГГц полуволновая дипольная антенна имеет длину всего 0,5 мм, что позволяет создавать конструкции антенна-в-корпусе (AiP) и 64-элементные фазированные решётки, помещающиеся в несколько квадратных миллиметров — формируя сверхузкие лучи, необходимые для компенсации потерь на THz трассе.

Текущие исследования и демонстрации

Несколько знаковых экспериментов демонстрируют направление развития THz связи:

• NTT Docomo продемонстрировала беспроводную связь 100 Gbps на частоте 300 GHz на расстоянии 100 метров в помещении в 2021 году — первая демонстрация системной осуществимости THz магистральной связи на таком расстоянии.
• Исследователи из Tokyo University продемонстрировали связь 240 GHz со скоростью 100 Gbps на расстоянии 10 метров с интегрированной на чип антенной решеткой площадью 3,8 см² в 2023 году, показав возможную плотность антенн на THz частотах.
• Samsung's Advanced Institute of Technology продемонстрировал беспроводную связь 1 Tbps на частоте 140 GHz на расстоянии 15 см в контролируемой среде в 2021 году, в первую очередь как доказательство пропускной способности модуляции на суб-THz частотах.
• Европейский проект TERAPOD продемонстрировал THz беспроводное распределение данных внутри стойки дата-центра, нацеленное на замену медных соединений THz связями для коммуникации между стойками — краткосрочное коммерческое применение, которое не требует распространения на большие расстояния.

Ничто из этого не является «готовым к производству 7G». Это демонстрации концепций, которые подтверждают специфические компоненты будущей системы. Разрыв между демонстрацией 100 Gbps на 300 GHz на расстоянии 100 метров и развернутой 7G THz малой сотой, обслуживающей 500 устройств одновременно, огромен — и охватывает приблизительно 10–15 лет инженерной работы. Для сравнения с более широким технологическим ландшафтом 6G vs 7G см. наш подробный анализ.

THz в архитектуре 7G

Физика распространения THz диктует, где он будет развернут: короткие расстояния, высокая плотность, преимущественно в помещениях. Архитектура 7G будет использовать спектр THz для:

• Внутренние малые соты: Распределенные точки доступа THz в офисах, на заводах и в домах, обеспечивающие пропускную способность в несколько Гбит/с на устройство в пределах помещений.
• Связь устройство-устройство (D2D): Высокоскоростной обмен данными между устройствами в непосредственной близости — AR-гарнитуры, обменивающиеся данными сцены, автономные транспортные средства, обменивающиеся данными датчиков на перекрестках.
• Беспроводная транспортная сеть: Короткодистанционные THz-соединения, соединяющие компоненты базовых станций в плотных развертываниях, заменяющие оптоволокно там, где прокладка траншей непрактична.
• Межсоединения центров обработки данных: THz-соединения, заменяющие медь для связи между стойками и внутри стоек, где они предлагают преимущества в пропускной способности и устраняют энергопотребление активных электрических межсоединений.

Широкомасштабное покрытие THz не ожидается в эпоху 7G. Физика слишком неблагоприятна. Макроуровень 7G будет использовать частоты 6G sub-THz и средних диапазонов для покрытия; THz обеспечивает пропускную способность в точках высокой нагрузки.

В архитектуре 7G THz спектр развертывается для сценариев высокой ёмкости на коротких расстояниях: внутренние малые соты, каналы связи устройство-устройство, беспроводная транспортная сеть и межсоединения дата-центров — тогда как макро-слой покрытия опирается на суб-THz и средние частоты 6G.

Путь к развертыванию

Уровень готовности технологии (TRL) компонентов THz связи по состоянию на 2026 год составляет примерно TRL 3–4: концепция доказана в лабораторных условиях. Переход к TRL 7–8 (прототип в операционной среде) требует 8–12 лет. Переход к TRL 9 (готовая к производству система) требует дополнительных 3–5 лет.

Эти временные рамки согласуются с появлением 7G THz малых сот в передовых развертываниях около 2038–2042 годов. До этого ожидается появление sub-THz (100–300 GHz) в системах 6G Advanced около 2033–2035 годов в качестве промежуточного шага — соединяющего разрыв между 5G mmWave и истинным 7G THz.

Инвестиции, необходимые для преодоления этого разрыва, существенны: новые полупроводниковые фабрики, способные производить InP и GaN устройства в больших объемах, технология упаковки для модулей antenna-in-package, ASIC для управления лучом на уровне чипа, и алгоритмы обработки сигналов для управления THz соединениями в плотных многопользовательских средах. Компании и национальные программы, делающие эти инвестиции сейчас — включая Samsung, NTT, Nokia Bell Labs и государственные программы Южной Кореи, Японии и ЕС — определят цепочку поставок THz на десятилетие 2035–2045 годов.

Источники

1. ITU-R Recommendation P.676 — модель атмосферного затухания для частот до 1 THz
2. IEEE Electron Device Letters — показатели производительности транзисторов InP HEMT и GaN HEMT
3. NTT Docomo 300 GHz Demo (2021) — беспроводная связь 100 Гбит/с на 300 ГГц на расстоянии 100 метров
4. Samsung Advanced Institute of Technology — демонстрация концепции 1 Тбит/с на 140 ГГц
5. EU TERAPOD Project — THz беспроводное распределение данных в среде дата-центров
6. FCC Spectrum Horizons (2019) — открытие частот выше 95 ГГц для экспериментального и лицензированного использования