Het pad naar 6G kan worden geplaveid met grafeen

De toekomst van draadloze communicatietechnologie ontwikkelt zich snel. Pas in 2019 begonnen wereldwijde operators met de uitrol van 5G. Terwijl 5G nog steeds wereldwijd wordt geïmplementeerd, is 6G al in ontwikkeling.

6G is de zesde generatie draadloze technologie. De eerste generatie, 1G, kwam in de jaren 80 en leverde analoge spraak. Vervolgens werd begin jaren 90 2G geïntroduceerd, met digitale spraak en verbeteringen in zowel geluidskwaliteit, batterijduur als netwerkbeveiliging.

Daarop volgde 3G begin 2000, dat mobiele data introduceerde en nieuwe mogelijkheden opende, zoals videogesprekken en multimedia-berichten. De vierde generatie, 4G, in de jaren 2010, bracht het tijdperk van mobiel breedband met lagere latentie en hogere bandbreedte. Ondertussen verhoogde 5G de snelheid verder en ondersteunt toepassingen zoals augmented reality (AR) en autonoom rijden.

Dus elke nieuwe generatie draadloze communicatietechnologie brengt nieuwe mogelijkheden met zich mee, en dat geldt ook voor 6G.

Door de trend van innovatie en verbeteringen in draadloze communicatie voort te zetten, zal 6G ons meer bandbreedte en snelheid, extreem lage latentie en betrouwbaarheid bieden. Met deze technologie is het doel echt alomtegenwoordige draadloze intelligentie en communicatie te leveren.

De nieuwe technologie zal dezelfde bouwblokken gebruiken als eerdere netwerken, zoals basisstations, routers, antennes, enz., maar wat het anders maakt, is het gebruik van nieuwe technologieën om de mogelijkheden van draadloze communicatie verder te verbeteren.

Dit betekent dat 6G voortbouwt op 5G om de door de huidige technologie aangebrachte verbeteringen in netwerkconnectiviteit voor de eindgebruiker verder te perfectioneren.

Naast het bieden van hoge-snelheidsconnectiviteit met voorspelbaar lage latentie, wordt verwacht dat het 6G-netwerk de exponentieel groeiende verkeersvraag op een kostenefficiënte manier aankan. Het kan ook eindelijk wereldwijde dekking realiseren, waardoor iedereen toegang krijgt. Het ondersteunen van zo’n groot aantal apparaten vereist echter duurzame kosten voor zowel serviceproviders als consumenten.

Dat is echter niet genoeg. Naast deze verbeteringen en wereldwijde dekking door afgelegen gebieden te verbinden, moeten technologische vooruitgangen ook weerstand bieden tegen opzettelijke kwaadwillende aanvallen op infrastructuur en veerkracht tonen tegen natuurrampen en lokale verstoringen.

Al deze vooruitgangen in 6G-technologie zullen ons helpen bij precisiezorg, slimme landbouw, slimme steden, digitale tweelingen, ruimtecommunicatie en robotnavigatie. Het zal realtime gegevensverwerking en -analyse aan de rand van het netwerk mogelijk maken, evenals de naadloze integratie van miljarden onderling verbonden apparaten in het dagelijks leven. De uitrol van 6G wordt ook verwacht bij te dragen aan milieuvriendelijke innovaties om de ecologische impact te minimaliseren en duurzame ontwikkeling te bevorderen.

Hoewel 6G een zeer geavanceerde toekomst belooft, staat het voor verschillende uitdagingen, waaronder kosten en beveiliging. Om deze technologie operationeel te krijgen, hebben we een nieuwe infrastructuur op grote schaal nodig, wat duur is om te bouwen. Bovendien zullen open-source technologie, virtuele netwerken en IoT de kwetsbaarheid voor beveiligingsinbreuken vergroten.

Hier worden kwantumversleuteling, blockchain en de voorspellende mogelijkheden van AI onderzocht als mogelijke beveiligingsoplossingen, terwijl virtualisatie van veel fysieke componenten naar verwachting zal helpen de kosten te verlagen.

Wat betreft de wereldwijde marktgrootte van deze technologie, wordt verwacht dat deze tegen 2032 een waarde van $40,5 miljard zal hebben, gedreven door de vraag naar hyperconnectiviteit, de voordelen van lage latentie en hoge datasnelheden, de belofte van volgende-generatie toepassingen, het gebruik van terahertz-frequenties en AI, en de potentie om de digitale kloof te overbruggen.$40.5 billion

Er wordt verwacht dat 6G-technologie tegen het einde van dit decennium wordt uitgerold. Voorlopig bevindt het zich nog in de vroege onderzoeksfase.

Verbeteren van draadloze communicatie met kwantummateriaal

Met een groeiende focus op het drastisch verbeteren van draadloze communicatietechnologie wereldwijd, onderzoeken onderzoekers verschillende manieren om snellere, efficiëntere technologieën in draadloze communicatie te ontsluiten.

Een onderzoeksteam heeft nu manieren gevonden om de frequentieomzetting van terahertz (THz)-golven te versterken in structuren gebaseerd op grafeen.

Terahertz (THz) draadloze communicatiesystemen winnen veel aan populariteit vanwege de drang naar steeds grotere bandbreedtes en frequenties in het THz-spectrum, met name brede bandbreedtes.

Hoewel megahertz-bandbreedte voldoende is voor huidige toepassingen, zullen toekomstige netwerkscenario’s bandbreedtes van enkele gigahertz (GHz) vereisen om goed te presteren. Als hoogfrequente golven met extreem korte golflengtes kunnen THz-golven gegevens sneller overbrengen.

Terahertz (THz) is een frequentie-eenheid die elektromagnetische golven meet in het bereik van 0,1-10 THz. Deze golven, die niet-invasief en veilig zijn voor mensen, dieren en planten, bevinden zich tussen infrarood en millimetergolven in het elektromagnetische (EM) spectrum.

Dit betekent dat THz-golven kunnen worden gebruikt voor niet-invasieve beeldvorming door ondoorzichtige materialen voor kwaliteitscontrole en beveiligingsapplicaties.

Het extreem grote bandbreedtepotentieel maakt ultra-hoge datasnelheden mogelijk en, uiteraard, biedt mogelijkheden die verder gaan dan 5G. Deze veelbelovende technologie wordt echter gemakkelijk geabsorbeerd door atmosferische componenten zoals lucht en waterdamp, waardoor de signaalsterkte over afstand afneemt.

Wat betreft het potentieel van THz-golven voor draadloze communicatie, is er vooruitgang geboekt in THz-nonlineaire optica. Niet-lineaire optica omvat het bestuderen van de interactie van licht met materialen om unieke fenomenen te creëren, waaronder de generatie van optische harmonischen.

Naarmate THz-technologieën blijven evolueren, hebben onderzoekers van de Universiteit van Ottawa een manier ontwikkeld om apparaten te bouwen die elektromagnetische signalen kunnen omzetten naar hogere oscillatiefrequenties. Dit kan de kloof tussen GHz-elektronica en THz-fotonica effectief verkleinen.

De bevindingen van de nieuwste studie, gepubliceerd in Nature¹ toonden de innovatieve strategieën van het team om THz-nonlineariteiten in op grafeen gebaseerde apparaten te verbeteren.

Volgens Jean-Michel Ménard, universitair hoofddocent Fysica van de Faculteit Wetenschappen die aan het project heeft meegewerkt:

“[Dit] markeert een belangrijke stap vooruit in het verbeteren van de efficiëntie van THz-frequentieomzetters, een cruciaal aspect voor multi-spectrale THz-toepassingen en vooral de toekomst van communicatiesystemen, zoals 6G.”

Met de methode die in het nieuwe onderzoek is aangetoond, kunnen de unieke optische eigenschappen van grafeen ook worden benut.

Afkomstig van grafiet, bestaat grafeen uit zuiver koolstof, een van de belangrijkste elementen in de natuur. Dit opkomende kwantummateriaal bestaat eigenlijk uit een enkele laag koolstofatomen en staat bekend om zijn sterkte, lichtheid en flexibiliteit.

Dit 2D-materiaal staat ook bekend om zijn weerstand en hoge thermische en elektrische geleidbaarheid. Belangrijker nog, grafeen heeft opmerkelijke optische eigenschappen. Deze omvatten een hoge transparantie in het zichtbare spectrum, afhankelijk van zijn bandstructuur, verstelbare infrarode optische absorptie en fotorespons tot het THz-frequentiebereik.

Al deze verbazingwekkende eigenschappen maken grafeen een waardevol materiaal in de sectoren energie, bouw, gezondheid en elektronica. Met name de grote optische niet-lineariteit, gecombineerd met de gemakkelijke integratie in apparaten, maakt grafeen een ideale kandidaat om een sleutelfactor te worden voor all-optische schakeling en frequentieomzettingstechnologieën voor signaalverwerking en draadloze communicatie.

Studies die eerder THz-licht en grafeen combineerden, richtten zich voornamelijk op fundamentele licht-materie-interacties. Het beoordelen van slechts één parameter levert vrij zwakke niet-lineaire effecten op.

Dus combineerde het nieuwste onderzoek in plaats daarvan meerdere innovatieve benaderingen om deze niet-lineaire effecten te verbeteren en tegelijkertijd volledig te profiteren van de unieke eigenschappen van grafeen.

Om THz-nonlineariteiten in op grafeen gebaseerde structuren te versterken, vergrootte het team de interactielengte met een meerlagig ontwerp, regelde de ladingsdichtheid met een elektrische poort en modificeerde de ruimtelijke verdeling van het THz-veld met een metalen metasurface-substraat.

Het nieuwe experiment, samen met de apparaatarchitecturen, merkte Ali Maleki, een PhD-student in de Ultrafast THz-groep aan uOttawa, op: “bieden de mogelijkheid om een breed scala aan materialen buiten grafeen te verkennen en mogelijk nieuwe niet-lineaire optische mechanismen te identificeren.”

Het team rapporteerde dat de versterkingsfactoren van derde harmonische generatie (THG) de dertig overschreden en stelde architecturen voor die in staat zijn een toename van twee orde van grootte te realiseren.

Maleki, die de studieresultaten heeft verzameld en geanalyseerd, gelooft dat het onderzoek cruciaal is om THz-frequentieomzettingstechnieken te verfijnen. De ontwikkeling zal volgens hem uiteindelijk ook helpen deze technologie in real-world toepassingen te integreren, “met name om efficiënte, chip-geïntegreerde niet-lineaire THz-signaalomzetters mogelijk te maken die toekomstige communicatiesystemen zullen aandrijven.”

Belangrijke spelers in 6G

De race om de ontwikkeling van 6G te domineren heeft iedereen van China en de VS tot Zuid-Korea, Europa en India die geavanceerde plannen implementeren.

Bedrijven werken ook samen om hun ontwikkeling te versnellen. Samsung Electronics heeft een partnerschap gesloten met Japan’s grootste mobiele operator, NTT Docomo, om “AI-gedreven innovatie in de telecomindustrie te versnellen,” wat ook toekomstige communicatie zoals 6G zal realiseren. SoftBank Corp heeft een intentieverklaring ondertekend met Nokia voor de ontwikkeling van een communicatiesysteem dat AI benut voor 6G-technologie. Ondertussen breidt Apple (AAPL ) zijn team uit om dieper in het 6G-gebied te duiken.

Dus, nu iedereen aan boord van de 6G-trein zit, laten we een paar belangrijke beursgenoteerde bedrijven bekijken die veel kunnen profiteren van deze vooruitgang.

1. Qualcomm Inc.

Deze halfgeleidergigant is al betrokken bij de levering van 5G-modems en blijft investeren in het behouden van zijn leiderschap. Qualcomm (QCOM ) geeft regelmatig zijn visie op 6G en werkt aan geavanceerde halfgeleideroplossingen en draadloze standaarden om de infrastructuur en apparaten hiervoor aan te drijven.

Afgelopen maand merkte het bedrijf op dat 6G is gepositioneerd om de uitdagingen van een uitgebreid spectrum en grotere efficiëntie in het gebruik ervan aan te gaan. Het streeft er ook naar kansen te ontsluiten over lage, midden- en hoge spectrumbanden, waar het de dekking en capaciteit zal vergroten en high-performance toepassingen zoals generatieve AI en meeslepende XR mogelijk maakt.

Het doel van Qualcomm is innovaties te stimuleren die de weg openen naar een nieuw spectrum, terwijl de operationele efficiëntie van bestaande banden wordt verbeterd.

Om zich voor te bereiden op het komende 6G-tijdperk, werkt Qualcomm samen met spectrumregulators, mobiele operators, OEM’s en de academische wereld. In het bijzonder bereidt het de upper mid-band (7 GHz tot 16 GHz) voor op 6G.

De technologie, genaamd ‘Giga-MIMO’, wordt geleverd met een veel dichtere antenne-array in het basisstation en een complexer apparaat-basband- en radiofrequentie (RF)-ontwerp. Qualcomm introduceerde ook zijn uitgebreide 5G mmWave-testnetwerk, dat een fundamentele enabler zal zijn voor geïntegreerde communicatie en sensing.

6G zal verder voortbouwen op de luchtinterfacebasis en geïntegreerde terrestrische/niet-terrestrische netwerken (TN/NTN), zei John Smee, Global Head of Wireless Research bij Qualcomm, in een interview. Wat betreft de overgang van 5G naar 6G, verwacht hij dat deze de draadloze connectiviteit aanzienlijk zal verbeteren en nieuwe diensten zoals AI, sensing en digitale tweelingen mogelijk zal maken.

Over AI gesproken, merkte Smee op dat het niet alleen 5G maar ook de systeemprestaties, operationele efficiëntie en gebruikerservaringen van 6G zal verbeteren, terwijl het nieuwe use-cases op schaal ontsluit. Het AI-native paradigma kan volgens hem meer innovatie naar apparaten en netwerken brengen.

Wat betreft de financiële cijfers van Qualcomm, de aandelen van het bedrijf met een marktkapitalisatie van $190,24 miljard werden op het moment van schrijven verhandeld tegen $174. De aandelen zijn dit jaar met 12,04% gestegen. De winst per aandeel (EPS, TTM) bedraagt 8,95 en de koers-winstverhouding (P/E, TTM) is 19,24. Het betaalt bovendien een dividendrendement van 1,98%.

Voor het laatste gerapporteerde kwartaal, dat eindigde in september 2024, behaalde het bedrijf een non-GAAP omzet van $10,2 miljard, terwijl de non-GAAP winst per aandeel $2,69 bedroeg, met een jaar-op-jaar groei in EPS van meer dan 30%. Qualcomm betaalde ook $2,2 miljard aan aandeelhoudersrendementen, waaronder $1,3 miljard aan aandeleninkoop en $947 miljoen aan dividenden. De vrije kasstroom voor het fiscale jaar 2024 werd gerapporteerd op $11,2 miljard.

Het bedrijf heeft ook aanzienlijke vooruitgang geboekt in zijn diversificatiestrategie, waardoor het chips kan produceren voor pc’s, auto’s en machines.

“We zullen Qualcomm blijven transformeren van een draadloze communicatiemaatschappij naar een verbonden computerbedrijf voor het AI-tijdperk.”

– CEO Cristiano Amon destijds

2. Verizon Communications 

In 2020 zei de CTO van deze telecomprovider dat hij “geen idee heeft wat de hel 6G is,” en hun focus blijft gericht op het verbeteren van 5G. Het bedrijf heeft echter opvallend genoeg andere leiders in de draadloze industrie samengebracht om de Next G Alliance te vormen.

Verizon, samen met Qualcomm, Samsung, AT&T (T ), Apple, Google, Ericsson (ERIC ), Microsoft (MSFT ), Nokia, Facebook, Bell Canada, Ciena, InterDigital (IDCC ), JMA Wireless, TELUS, Telnyx, T-Mobile en US Cellular, heeft zich verenigd om de Alliantie te vormen. De Alliantie heeft als doel een nationale 6G-routekaart te ontwikkelen, de prioriteiten van belanghebbenden af te stemmen op overheidsbeleid en financiering, en strategieën te identificeren om de adoptie van 6G-technologie in verschillende sectoren te versnellen.

Wat betreft de financiële cijfers van Verizon, de aandelen van het bedrijf met een marktkapitalisatie van $166,45 miljard werden op het moment van schrijven verhandeld tegen $40,10. De aandelen zijn dit jaar met 1,13% gedaald. De EPS (TTM) bedraagt 4,15 en de P/E (TTM) ratio is 9,54. Verizon betaalt een dividendrendement van maar liefst 6,85%.

Voor Q4 2024 rapporteerde wat het noemt “industrie-leidende” draadloze service-omzet van $20 miljard. De totale operationele omzet bedroeg $35,7 miljard en de geconsolideerde nettowinst was $5,1 miljard. De totale ongedekte schulden van het bedrijf bedroegen $117,9 miljard.

Q4 was eigenlijk het beste kwartaal voor Verizon in vijf jaar qua groei van draadloze abonnees, gedreven door aanpasbare myPlan en Black Friday-aanbiedingen. Het bedrijf voegde bijna 1 miljoen postpaid mobiele en breedbandabonnees toe, het beste kwartaalresultaat in meer dan een decennium. De vaste draadloze abonnees waren ondertussen bijna 4,6 miljoen. Het bedrijf heeft ook Verizon AI Connect gelanceerd, dat profiteert van de AI-golf door bedrijven in staat te stellen hun AI-werkbelastingen op schaal te beheren.

Conclusie

Na de focus op mens-tot-mens communicatie in eerdere generaties technologie en vervolgens een fundamentele verschuiving in dataconsumptie, richt de aandacht zich nu op het verbinden van de IoT- en automatiseringssystemen. Maar met 6G zullen de menselijke en digitale werelden naadloos samensmelten voor verbeterde ervaringen.

Technologische vooruitgangen, toenemende digitalisering, geavanceerde use-cases en het leveren van extreme prestaties zullen de 6G-markt vooruit stuwen. Met zijn ultrasnelle snelheden, lage latentie en wereldwijde connectiviteit zal 6G-technologie de nieuwe toekomst aandrijven via zelfrijdende auto’s, slimme steden en virtual reality.

Deze nieuwe generatie draadloze technologie wordt verwacht de economie en samenleving te vormen zodra deze in het begin van de jaren 2030 wordt gelanceerd. Er zijn echter obstakels in de vorm van hoge initiële kosten, beperkte spectrumbeschikbaarheid en standaardisatie-uitdagingen die eerst overwonnen moeten worden.

Onderzoek, zoals hier besproken, speelt een cruciale rol bij het realiseren van deze technologie. Het toont de waarde van grafeen aan voor het mogelijk maken van terahertz (THz)-frequentiecommunicatie, wat essentieel is voor de toekomstige mogelijkheden van 6G. Dus, met lopend onderzoek, overheden die initiatieven introduceren en bedrijven die samenwerken, zijn we al begonnen met vooruitgang richting de zesde generatie draadloze technologie die een meer verbonden en innovatieve toekomst belooft!

Het opschonen van grafeen is de sleutel tot commercialisatie.

Studieverwijzing:

^{1. Maleki, A., Heindl, M. B., Xin, Y., Boyd, R. W., Herink, G., & Ménard, J.-M. (2024). Strategieën om THz-harmonische generatie te verbeteren door combinatie van meerlagige, gepofte en metamateriaal-gebaseerde architecturen. Light: Science & Applications, 15, Article 1657. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01657-1}