Polku kohti 6G:tä saattaa olla päällystetty grafeenilla

Langattoman viestintäteknologian tulevaisuus kehittyy nopeasti. Vasta vuonna 2019 maailmanlaajuiset operaattorit alkoivat lanseerata 5G:tä. Vaikka 5G on edelleen globaalin käyttöönoton vaiheessa, 6G on jo alkanut kehittyä. 

6G on kuudes langattoman teknologian sukupolvi. Ensimmäinen sukupolvi, 1G, tuli 1980-luvulla ja tarjosi analogista puhetta. Sitten 1990-luvun alussa esiteltiin 2G, joka toi digitaalisen puheen ja paransi paitsi puheen laatua myös akun kestoa ja verkon turvallisuutta.

Tätä seurasi 3G 2000-luvun alussa, joka toi mobiilidataa ja avasi uusia mahdollisuuksia, kuten videopuhelut ja multimedialähetysten tuen. Neljäs sukupolvi, 4G, 2010-luvulla avasi mobiililaajakaistan aikakauden pienemmällä latenssilla ja suuremmalla nopeudella. Samaan aikaan 5G nosti nopeutta entisestään ja tukee sovelluksia kuten lisättyä todellisuutta (AR) ja autonomista ajamista.

Jokainen uusi langattoman viestinnän sukupolvi on tuonut mukanaan uusia ominaisuuksia, ja sama pätee myös 6G:hen. 

Jatkaen innovaation ja parannusten suuntausta langattomassa viestinnässä, 6G tuo meille lisää kaistanleveyttä ja nopeutta, äärimmäisen alhaisen latenssin sekä luotettavuuden. Tämän teknologian avulla pyritään todella tarjoamaan kaikkialle ulottuvaa langatonta älykkyyttä ja viestintää.

Uusi teknologia käyttää samoja perusrakenteita kuin aikaisemmat verkot, kuten tukiasemia, reitittimiä, antenneja jne., mutta se, mikä tekee siitä erilaisen, on uusien teknologioiden käyttö langattoman viestinnän kykyjen edelleen edistämiseksi. 

Tämä tarkoittaa, että 6G rakentuu 5G:n päälle jotta se edelleen täydentäisi nykyisen teknologian tuomia parannuksia verkon yhteyksissä loppukäyttäjälle. 

Tarjoten lisäksi nopeaa yhteyttä ennustettavan alhaisen latenssin kanssa, 6G-verkko odotetaan käsittelevän eksponentiaalisesti kasvavaa liikennemäärää kustannustehokkaasti. Se saattaa myös lopulta saavuttaa täyden maailmanlaajuisen kattavuuden, tarjoten kaikille pääsyn. Kuitenkin näin suuren laitemäärän tukeminen vaatii kestäviä kustannuksia sekä palveluntarjoajille että kuluttajille. 

Kuitenkin se ei riitä. Näiden parannusten ja maailmanlaajuisen kattavuuden lisäksi, kun yhdistetään syrjäisiä alueita, teknologian edistysten on myös tarjottava vastustuskykyä tahallisia haitallisia hyökkäyksiä vastaan infrastruktuuria vastaan sekä kestävyyttä luonnonkatastrofeja ja paikallisia häiriöitä vastaan.

Kaikki nämä 6G-teknologian edistysaskeleet auttavat meitä tarkassa terveydenhuollossa, älykkäässä maataloudessa, älykkäissä kaupungeissa, digitaalisissa kaksosissa, avaruusviestinnässä ja robottien navigoinnissa. Ne mahdollistavat entisestään reaaliaikaisen datankäsittelyn ja analyysin verkon reunalla sekä miljardeiden toisiinsa kytkettyjen laitteiden saumattoman integroinnin arkeen. 6G:n käyttöönoton odotetaan myös edistävän ympäristöystävällisiä innovaatioita, jotka minimoivat ympäristövaikutuksia ja tukevat kestävää kehitystä.

Vaikka 6G lupaa erittäin kehittynyttä tulevaisuutta, se kohtaa useita haasteita, kuten kustannukset ja turvallisuus. Jotta tämä teknologia olisi toiminnassa, tarvittaisiin laajamittainen uusi infrastruktuuri, jonka rakentaminen on kallista. Lisäksi avoimen lähdekoodin teknologia, virtuaaliset verkot ja IoT lisäävät sen haavoittuvuutta tietoturvaloukkauksiin.

Tässä kvanttisalauksia, lohkoketjua ja tekoälyn ennustavia kykyjä tutkitaan mahdollisina turvallisuusratkaisuina, kun taas monien fyysisten komponenttien virtualisointi odotetaan auttavan kustannusten hallinnassa.

Kun tarkastellaan tämän teknologian maailmanlaajuista markkinakokoa, sen arvioidaan olevan arvoltaan $40.5 billion vuoteen 2032 mennessä, mikä johtuu hyperyhteyden kysynnästä, alhaisen latenssin ja korkean tiedonsiirtonopeuden eduista, seuraavan sukupolven sovellusten lupauksesta, terahertsitaajuuksien ja tekoälyn hyödyntämisestä sekä mahdollisuudesta kaventaa digitaalista kuilua.

6G-teknologian odotetaan alkavan käyttöönotto tämän vuosikymmenen loppuun mennessä. Tällä hetkellä se on vielä varhaisessa tutkimusvaiheessa.

Langattoman viestinnän parantaminen kvanttimateriaalilla

Kasvavan globaalin painopisteen myötä langattoman viestintäteknologian merkittävään parantamiseen, tutkijat etsivät erilaisia tapoja avata nopeampia ja tehokkaampia teknologioita langattomassa viestinnässä.

Tutkijaryhmä on nyt löytänyt tapoja vahvistaa terahertsiaaltojen (THz) taajuusmuunnosta grafeenipohjaisissa rakenteissa. 

Terahertsialliset (THz) langattomat viestintäjärjestelmät ovat saaneet paljon huomiota, koska pyritään yhä laajempiin kaistanleveyksiin ja taajuuksiin THz-spektrissä, erityisesti laajoihin kaistanleveyksiin.

Vaikka megahertsin kaistanleveys riittää nykyisiin sovelluksiin, tulevat verkon viestintätilanteet vaativat useita gigahertsejä (GHz) kaistanleveyksiä toimiakseen hyvin. Korkean taajuuden aallot, joilla on äärimmäisen lyhyet aallonpituudet, voivat siirtää dataa nopeammin.

Terahertsi (THz) on taajuusyksikkö, joka mittaa sähkömagneettisia aaltoja alueella 0,1–10 THz. Nämä aallot, jotka ovat ei-invasiivisia ja turvallisia ihmisille, eläimille ja kasveille, sijaitsevat infrapunan ja millimetriaaltojen välillä sähkömagneettisessa (EM) spektrissä.

Tämä tarkoittaa THz-aaltoja voidaan hyödyntää ei-invasiiviseen kuvantamiseen läpinäkymättömien materiaalien läpi laadunvalvonta- ja turvallisuussovelluksissa.

Sen äärimmäisen suuri kaistanleveyspotentiaali mahdollistaa lisäksi ultra-korkeat tiedonsiirtonopeudet ja tietysti mahdollistaa ominaisuuksia, jotka ylittävät 5G:n. Kuitenkin tämä lupaava teknologia imeytyy helposti ilmakehän komponenttien, kuten ilman ja vesihöyryn, toimesta, mikä heikentää signaalin voimakkuutta etäisyyden kasvaessa. 

Kun tarkastellaan THz-aaltojen potentiaalia langattomaan viestintään, on saavutettu edistystä THz:n epälineaarisessa optiikassa. Epälineaarinen optiikka tutkii valon vuorovaikutusta materiaalien kanssa ainutlaatuisten ilmiöiden luomiseksi, mukaan lukien optisten harmonisten generointi.

Kun THz-teknologiat kehittyvät edelleen, Oulun yliopiston (University of Ottawa) tutkijat ovat kehittäneet tavan rakentaa laitteita, jotka voivat muuntaa sähkömagneettisia signaaleja korkeampiin värähtelytaajuuksiin. Tämä voi tehokkaasti kaventaa kuilua GHz-elektroniikan ja THz-fotonikan välillä.

Viimeisimmän tutkimuksen löydökset, published in Nature¹ osoitti tiimin innovatiivisia strategioita THz-epälineaarisuuksien parantamiseksi grafeenipohjaisissa laitteissa.

Jean-Michel Ménardin, tiedekunnan fysiikan apulaisprofessorin, mukaan, joka osallistui projektiin:

“[Tämä] merkitsee merkittävää edistysaskelta THz-taajuusmuuntimien tehokkuuden parantamisessa, mikä on kriittinen tekijä monispektrisille THz-sovelluksille ja erityisesti tulevaisuuden viestintäjärjestelmille, kuten 6G:lle.”

Uudessa tutkimuksessa esitellyn menetelmän avulla grafeenin ainutlaatuisia optisia ominaisuuksia voidaan myös hyödyntää.

Grafeeni, joka on erotettu grafiitista, koostuu puhtaasta hiilestä, joka on yksi luonnon tärkeimmistä alkuaineista. Tämä nouseva kvanttimateriaali koostuu itse asiassa yhdestä hiiliatomikerroksesta, ja se tunnetaan kestävyydestään, keveydestään ja joustavuudestaan. 

Tämä 2D-materiaali on myös tunnettu sen vastuksestaan sekä korkeasta lämpö- ja sähkönjohtavuudestaan. Vielä tärkeämpänä on, että grafeenilla on merkittävät optiset ominaisuudet. Näihin kuuluu korkea läpinäkyvyys näkyvässä spektrissä, mikä riippuu sen energiakaistarakenteesta, säädettävä infrapunan optinen absorptio ja valoresponsi THz-taajuusalueelle asti.

Kaikki nämä hämmästyttävät ominaisuudet tekevät grafeenista arvokkaan materiaalin energia-, rakennus-, terveys- ja elektroniikkasektoreilla. Erityisesti sen suuri optinen epälineaarisuus sekä helppo integrointi laitteisiin tekee grafeenista ihanteellisen ehdokkaan keskeiseksi komponentiksi kaik-optisessa kytkennässä ja taajuusmuunnosteknologioissa signaalinkäsittelyyn ja langattomiin viestintäsovelluksiin.

Aikaisemmin THz-valoa ja grafeenia yhdistävät tutkimukset keskittyivät pääasiassa perusvalon ja aineen vuorovaikutuksiin. Vain yhden parametrin vaikutuksen arvioiminen tuottaa melko heikkoja epälineaarisia vaikutuksia.

Siksi viimeisin tutkimus yhdisti sen sijaan useita innovatiivisia lähestymistapoja näiden epälineaaristen vaikutusten parantamiseksi ja samalla hyödyntää täysimääräisesti grafeenin ainutlaatuisia ominaisuuksia.

Lisätäkseen THz-epälineaarisuuksia grafeenipohjaisissa rakenteissa, tiimi kasvatti vuorovaikutuksen pituutta monikerroksisen suunnittelun avulla, hallitsi kantajatiheyttä sähköisen portin avulla ja moduloi THz-kentän spatiaalista jakautumista metallisen metasurface-alustan avulla. 

Uusi kokeilu, yhdessä sen laitearkkitehtuurien kanssa, Ali Maleki, tohtorikoulutettu opiskelija Ultrafast THz -ryhmässä uOttawassa, totesi, “tarjoaa mahdollisuuden tutkia laajaa materiaalivalikoimaa grafeenin lisäksi ja mahdollisesti löytää uusia epälineaarisia optisia mekanismeja.” 

Tiimi raportoi kolmannen harmonisen generoinnin (THG) tehostuskerroin ylittävän kolmekymmentä ja ehdotti arkkitehtuureja, jotka pystyvät saavuttamaan kaksinkertaisen suuruusluokan kasvun. 

Maleki, joka keräsi ja analysoi tutkimustulokset, uskoo, että tutkimus on ratkaisevan tärkeä THz-taajuusmuunnostekniikoiden hiomiseen. Kehitys, hänen mukaansa, auttaa lopulta integroimaan tämän teknologian todellisiin sovelluksiin, “erityisesti mahdollistamaan tehokkaat, siruun integroidut epälineaariset THz-signaalimuuntimet, jotka ohjaavat tulevia viestintäjärjestelmiä.”

6G:n suurimmat toimijat

Kilpailu 6G:n kehityksen hallitsemisesta on saanut mukaan kaikki Kiinasta ja Yhdysvalloista Etelä-Koreaan, Eurooppaan ja Intiaan, jotka toteuttavat edistyneitä suunnitelmia. 

Yritykset tekevät myös yhteistyötä kehityksensä nopeuttamiseksi. Samsung Electronics on tehnyt yhteistyötä Japanin suurimman mobiiliyhtiön, NTT Docomon, kanssa “nopeuttaakseen tekoälypohjaista innovaatiota telekommunikaatioalalla,” mikä myös toteuttaa tulevia viestintöjä kuten 6G. SoftBank Corp on allekirjoittanut yhteisymmärryssopimuksen Nokian kanssa 6G-teknologiaa hyödyntävän viestintäjärjestelmän kehittämiseksi. Samaan aikaan Apple (AAPL ) laajentaa tiimiään syventyäkseen syvemmin 6G-alueeseen.

Joten, kun kaikki ovat nousseet 6G-junaan, tarkastellaan muutamaa merkittävää julkisesti noteerattua yritystä, jotka voivat hyötyä merkittävästi tästä kehityksestä.

1. Qualcomm Inc.

Tämä puolijohdejätti on jo mukana 5G-modemien toimittamisessa ja jatkaa investointeja johtajuutensa ylläpitämiseksi. Qualcomm (QCOM ) tarjoaa säännöllisesti näkemyksensä 6G:stä ja on työskennellyt kehittyneiden puolijohderatkaisujen ja langattomien standardien parissa voidakseen virtalähteenä toimia infrastruktuurille ja laitteille.

Viime kuussa yritys toteaa että 6G on suunniteltu vastaamaan laajennetun spektrin saatavuuden haasteisiin ja sen käytön suurempaan tehokkuuteen. Se pyrkii myös avaamaan mahdollisuuksia matalilla, keskitasoilla ja korkeilla spektritaajuuksilla, joissa se parantaa kattavuutta ja kapasiteettia sekä mahdollistaa korkean suorituskyvyn sovelluksia, kuten generatiivinen tekoäly ja immersiivinen XR.

Qualcommin tavoitteena on edistää innovaatioita, jotka avaavat tien uudelle spektrille samalla kun parannetaan olemassa olevien kaistojen operatiivista tehokkuutta. 

Valmistautuakseen tulevaan 6G-aikakauteen, Qualcomm on työskennellyt spektrin sääntelijöiden, mobiiliyhtiöiden, OEM-valmistajien ja akatemian kanssa. Erityisesti se on valmistelemassa yläkeskikaistaa (7 GHz – 16 GHz) 6G:tä varten.

Nimeltään ‘Giga-MIMO’, teknologia sisältää paljon tiheämmän antennialustan tukiasemassa ja monimutkaisemman laitteiden baseband- ja radiotaajuus (RF) -suunnittelun. Qualcomm esitteli myös laajennetun 5G mmWave -testiverkonsa, joka toimii myös perustavanlaatuisena mahdollistajana integroiduille viestinnälle ja tunnistukselle.

6G rakentaa edelleen ilmaliittymän perustan ja integroidun maapallo- ja ei-maapallo-verkottumisen (TN/NTN) päälle, sanoi John Smee, Qualcommin maailmanlaajuinen langattoman tutkimuksen johtaja, haastattelussa haastattelu. Siirtymistä 5G:stä 6G:hen hän odottaa merkittävästi parantavan langatonta yhteyttä samalla kun mahdollistaa uusia palveluita, kuten tekoäly, tunnistus ja digitaaliset kaksoset. 

Puhuttaessa erityisesti tekoälystä, Smee totesi, että se on tarkoitus parantaa paitsi 5G:n myös 6G-järjestelmän suorituskykyä, operatiivista tehokkuutta ja käyttäjäkokemuksia samalla kun avaa uusia käyttötapauksia mittakaavassa. AI:n natiivinen paradigma, hänen mukaansa, voi tuoda enemmän innovaatiota laitteisiin ja verkkoihin.

Kun tarkastellaan Qualcommin taloustietoja, $190,24 miljardin markkina-arvon yrityksen osakkeet, kirjoitushetkellä, ovat kaupankäynnissä hintaan $174. Yrityksen osakkeet ovat nousseet 12,04 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 8,95 ja P/E (TTM) -suhde 19,24. Se maksaa myös osinkotuoton 1,98 %.

Viimeiselle raportoitu neljännesvuodelle, joka päättyi syyskuussa 2024, yrityksellä oli non-GAAP-liikevaihto $10,2 miljardia, kun taas sen non-GAAP-osakekohtainen tulos oli $2,69, ja EPS:n vuotuinen kasvu ylitti 30 %. Qualcomm maksoi myös $2,2 miljardia osakkeenomistajille, mikä sisälsi $1,3 miljardia osakkeiden takaisinostoja ja $947 miljoonaa osinkoja. Vapaa kassavirta tilikaudelle 2024 raportoitiin $11,2 miljardia.

Yritys on myös edistynyt merkittävästi diversifikaatiosstrategiassaan, jonka avulla se on pystynyt valmistamaan siruja PC:ille, autoille ja koneille.

“Jatkamme Qualcommin muuntamista langattoman viestinnän yrityksestä yhteiskäyttöisenä laskentayritykseksi tekoälyn aikakaudelle.”

– Toimittaja Cristiano Amon tuolloin

2. Verizon Communications 

Vuonna 2020 tämän telekommunikaatioyrityksen CTO sanoi että hän “ei tiedä mitä helvettiä 6G on,” ja heidän fokuksensa pysyy 5G:n parantamisessa. Yritys on kuitenkin merkittävästi liittynyt muihin langattoman alan johtajiin muodostaakseen Next G Alliance -liiton.

Verizon on yhdessä Qualcommin, Samsungin, AT&T (T ):n, Applen, Googlen, Ericssonin, Microsoftin, Nokian, Facebookin, Bell Canadan, Cienan, InterDigitalin, JMA Wirelessin, TELUSin, Telnyxin, T-Mobilen ja US Cellularin kanssa muodostanut liiton. Liiton tavoitteena on kehittää kansallinen 6G-tiekartta, sovittaa sidosryhmien prioriteetit hallituksen politiikkoihin ja rahoitukseen sekä tunnistaa strategioita 6G-teknologian omaksumisen nopeuttamiseksi eri sektoreilla.

Kun tarkastellaan Verizonin taloustietoja, $166,45 miljardin markkina-arvon yrityksen osakkeet, kirjoitushetkellä, ovat kaupankäynnissä hintaan $40,10. Yrityksen osakkeet ovat laskeneet 1,13 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 4,15 ja P/E (TTM) -suhde 9,54. Verizon maksaa osinkotuoton, joka on jopa 6,85 %.

Vuodelle 2024 Q4, Verizonraportoi mitä se kutsuu “alan johtavaksi” langattomien palveluiden liikevaihdoksi $20 miljardia. Sen kokonaisliikevaihto oli $35,7 miljardia, ja konsolidoitu nettotulos $5,1 miljardia. Yrityksen kokonaisvelka ilman vakuuksia oli $117,9 miljardia. 

Q4 oli itse asiassa Verizonin paras neljännesvuosi viiden vuoden aikana langattomien tilaajien kasvun osalta, mikä johtui räätälöitävistä myPlan- ja Black Friday -tarjouksista. Yritys lisäsi myös lähes 1 miljoonaa jälkimaksullista mobiili- ja laajakaistatilaajaa, mikä on paras neljännesvuosittainen tulos yli kymmenen vuoden aikana. Kiinteiden langattomien tilaajien määrä oli puolestaan lähes 4,6 miljoonaa. Yritys on myös lanseerannut Verizon AI Connect -palvelun, joka hyödyntää tekoälybuumia antamalla yrityksille mahdollisuuden hallita AI-työkuormiaan mittakaavassa.

Yhteenveto

Kun aikaisemmat teknologian sukupolvet keskittyivät ihmisten väliseen viestintään ja sen jälkeen loivat perustavanlaatuisen muutoksen tiedon kulutuksessa, nykyinen fokus on yhdistää IoT- ja automaatiojärjestelmät. Mutta 6G:n myötä ihmisen ja digitaalisen maailman yhdistyvät saumattomasti parantaen kokemuksia.

Teknologiset edistysaskeleet, kasvava digitalisaatio, kehittyneet käyttötapaukset ja äärimmäisen suorituskyvyn tarjoaminen tulevat ajamaan 6G-markkinaa eteenpäin. Ultra-nopeudellaan, alhaisella latenssilla ja globaalilla yhteydellä 6G-teknologia ohjaa uutta tulevaisuutta itseajavien autojen, älykkäiden kaupunkien ja virtuaalitodellisuuden kautta. 

Tämän uuden langattoman teknologiasukupolven odotetaan muokkaavan taloutta ja yhteiskuntaa, kun se otetaan käyttöön 2030-luvun alussa. Kuitenkin on olemassa esteitä, kuten korkea alkuinvestointi, rajoitettu spektrin saatavuus ja standardointiin liittyvät haasteet, jotka on ensin voitettava.

Tutkimus, kuten tässä käsitelty, näyttelee keskeistä roolia tämän teknologian toteuttamisessa. Se osoittaa grafeenin arvon terahertsitaajuusviestinnän mahdollistajana, mikä on avain 6G:n tuleviin kykyihin. Jatkuvan tutkimuksen, hallitusten aloitteiden ja yritysten yhteistyön myötä olemme jo alkaneet edistää kuudennen sukupolven langattoman teknologian suuntaa, joka lupaa entistä yhteydessä olevan ja innovatiivisemman tulevaisuuden!

Grafeenin puhdistaminen on avain sen kaupallistamiseen.

(ERIC ) (MSFT ) (IDCC )

Tutkimusviite:

^{1. Maleki, A., Heindl, M. B., Xin, Y., Boyd, R. W., Herink, G., & Ménard, J.-M. (2024). Strategiat THz-harmonisen generaation parantamiseksi yhdistämällä monikerroksisia, porttitoiminnallisia ja metamateriaaleihin perustuvia arkkitehtuureja. Light: Science & Applications, 15, Article 1657. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01657-1}