Veien til 6G kan bli lagt med grafen

Fremtiden for trådløs kommunikasjonsteknologi utvikler seg raskt. Det var først i 2019 at globale operatører begynte å lansere 5G. Mens 5G fortsatt er i ferd med å bli implementert globalt, har 6G allerede begynt å utvikles.

6G er den sjette generasjonen av trådløs teknologi. Den første generasjonen, 1G, kom på 1980-tallet og leverte analog tale. Så, tidlig på 1990-tallet, ble 2G introdusert, som brakte digital tale og forbedret ikke bare talekvaliteten, men også batterilevetid og nettverkssikkerhet.

Dette ble etterfulgt av 3G på begynnelsen av 2000-tallet, som brakte mobildata og åpnet nye muligheter, som videoanrop og støtte for multimediemeldinger. Den fjerde generasjonen, 4G, på 2010-tallet, innledet æraen med mobilt bredbånd med redusert latens og høyere båndbredde. I mellomtiden økte 5G hastigheten ytterligere og støtter applikasjoner som utvidet virkelighet (AR) og autonom kjøring.

Så har hver ny generasjon av trådløs kommunikasjonsteknologi kommet med nye muligheter, og det gjelder også for 6G.

Ved å fortsette trenden med innovasjon og forbedringer innen trådløs kommunikasjon, vil 6G gi oss økt båndbredde og hastighet, ekstremt lav latens og pålitelighet. Med denne teknologien er målet å virkelig levere allestedsnærværende trådløs intelligens og kommunikasjon.

Den nye teknologien vil bruke de samme byggeklossene som tidligere nettverk, som basestasjoner, rutere, antenner osv., men det som vil gjøre den annerledes er bruken av nye teknologier for å ytterligere forbedre trådløse kommunikasjonsmuligheter.

Dette betyr at 6G vil bygge på 5G for ytterligere å perfeksjonere forbedringene som den nåværende teknologien har brakt til nettverkstilkobling for sluttbrukeren.

I tillegg til å tilby høyhastighetsforbindelse med forutsigbart lav latens, forventes 6G-nettverket å håndtere den eksponentielt økende trafikketterspørselen på en kostnadseffektiv måte. Det kan også endelig oppnå full global dekning, og tilby alle tilgang. Imidlertid vil støtte et så stort antall enheter kreve bærekraftige kostnader for både tjenesteleverandører og forbrukere.

Men det er ikke nok. I tillegg til disse forbedringene og verdensomspennende dekning ved å koble til avsidesliggende områder, må teknologiske fremskritt også tilby motstand mot bevisste ondsinnede angrep på infrastruktur og robusthet mot naturkatastrofer og lokale forstyrrelser.

Alle disse fremskrittene innen 6G-teknologi vil hjelpe oss med presis helsehjelp, smart landbruk, smarte byer, digitale tvillinger, romkommunikasjon og robotnavigasjon. Det vil ytterligere muliggjøre sanntidsdatabehandling og analyse i nettverkets kant, samt sømløs integrering av milliarder av sammenkoblede enheter i hverdagen. Implementeringen av 6G forventes også å bidra med miljøvennlige innovasjoner for å minimere miljøpåvirkningen og fremme bærekraftig utvikling.

Selv om 6G lover en svært avansert fremtid, står den overfor flere utfordringer, inkludert kostnad og sikkerhet. For å få denne teknologien i drift, trenger vi ny infrastruktur i stor skala, noe som er dyrt å bygge. I tillegg vil åpen kildekode-teknologi, virtuelle nettverk og IoT øke sårbarheten for sikkerhetsbrudd.

Her utforskes kvantekryptering, blokkjedeteknologi og AI sine prediktive evner som mulige sikkerhetsløsninger, mens virtualisering av mange fysiske komponenter forventes å bidra til kostnadsreduksjon.

Når det gjelder den globale markedstørrelsen for denne teknologien, er den anslått til å være verdt $40,5 milliarder innen 2032, drevet av etterspørselen etter hyper‑tilkobling, fordelene med lav latens og høye datarater, løftet om neste generasjons applikasjoner, utnyttelsen av terahertz‑frekvenser og AI, samt potensialet til å bygge bro over den digitale kløften. $40.5 billion.

6G-teknologi forventes å starte utrullingen innen slutten av dette tiåret. For nå er den fortsatt i sine tidlige forskningsstadier.

Forbedring av trådløs kommunikasjon med kvantemateriale

Med et økende fokus på å dramatisk forbedre trådløs kommunikasjonsteknologi globalt, utforsker forskere ulike måter å låse opp raskere, mer effektive teknologier innen trådløs kommunikasjon.

Et forskerteam har nå funnet måter å forsterke frekvensomdannelsen av terahertz (THz)-bølger i strukturer basert på grafen.

Terahertz (THz)-trådløse kommunikasjonssystemer har fått stor oppmerksomhet på grunn av jakten på stadig økende båndbredder og frekvenser i THz-spektrummet, spesielt brede båndbredder.

Mens megahertz-båndbredde er tilstrekkelig for dagens applikasjoner, vil fremtidige nettverkskommunikasjonsscenarier kreve båndbredder på flere gigahertz (GHz) for å fungere godt. Som høyfrekvente bølger med ekstremt korte bølgelengder, kan THz-bølger overføre data raskere.

Terahertz (THz) er en frekvensenhet som måler elektromagnetiske bølger i området 0,1–10 THz. Disse bølgene, som er ikke‑invasive og trygge for mennesker, dyr og planter, befinner seg mellom infrarød og millimeterbølger i det elektromagnetiske (EM) spekteret.

Dette betyr at THz-bølger kan brukes til ikke‑invasiv avbildning gjennom ugjennomsiktige materialer for kvalitetskontroll og sikkerhetsapplikasjoner.

Det ekstremt store båndbreddepotensialet tillater ytterligere ultra‑høye datahastigheter og, selvfølgelig, muliggjør kapasiteter som går utover 5G. Imidlertid absorberes denne lovende teknologien lett av atmosfæriske komponenter som luft og vanndamp, noe som reduserer signalstyrken over avstand.

Når det gjelder THz-bølgenes potensial for trådløs kommunikasjon, har det blitt gjort fremskritt innen THz‑ikke‑lineær optikk. Ikke‑lineær optikk innebærer å studere lysets interaksjon med materialer for å skape unike fenomener, som inkluderer generering av optiske harmoniske.

Etter hvert som THz-teknologier fortsetter å utvikle seg, har forskere ved University of Ottawa utviklet en metode for å bygge enheter som kan oppkonvertere elektromagnetiske signaler til høyere oscillasjonsfrekvenser. Dette kan effektivt redusere gapet mellom GHz‑elektronikk og THz‑fotonikk.

Resultatene fra den siste studien, publisert i Nature¹, viste teamets innovative strategier for å forbedre THz‑ikke‑lineariteter i enheter basert på grafen.

“[Dette] markerer et betydelig fremskritt i å forbedre effektiviteten til THz‑frekvensomformere, et kritisk aspekt for multispektrale THz‑applikasjoner og spesielt fremtiden for kommunikasjonssystemer, som 6G.”

Ved å bruke metoden demonstrert i den nye forskningen, kan de unike optiske egenskapene til grafen også utnyttes.

Utdratt fra grafitt, består grafen av rent karbon, som er ett av de viktigste elementene i naturen. Dette fremvoksende kvantematerialet er faktisk laget av ett enkelt lag med karbonatomer og er kjent for å være sterkt, lett og fleksibelt.

Dette 2D-materialet er også kjent for sin motstand og høye termiske og elektriske ledningsevne. Enda viktigere har grafen bemerkelsesverdige optiske egenskaper. Disse inkluderer høy gjennomsiktighet i det synlige spektralområdet, som avhenger av dens båndstruktur, justerbar infrarød optisk absorpsjon, og fotorespons opp til THz-frekvensområdet.

Alle disse fantastiske egenskapene gjør grafen til et verdifullt materiale innen energi, bygg, helse og elektronikk. Spesielt gjør dens store optiske ikke‑linearitet, sammen med enkel integrering i enheter, grafen til en ideell kandidat for å bli en nøkkelkomponent i all‑optisk switching og frekvensomformings‑teknologier for signalbehandling og trådløse kommunikasjonsapplikasjoner.

Studier som tidligere har kombinert THz‑lys og grafen fokuserte hovedsakelig på grunnleggende lys‑materie‑interaksjoner. Å kun vurdere effekten av én parameter gir relativt svake ikke‑lineære effekter.

Dermed kombinerte den nyeste forskningen i stedet flere innovative tilnærminger for å forbedre disse ikke‑lineære effektene og samtidig utnytte grafens unike egenskaper fullt ut.

For å øke THz‑ikke‑lineariteter i grafen‑baserte strukturer, økte teamet interaksjonslengden ved hjelp av et flerlagsdesign, kontrollerte bærer‑tettheten med en elektrisk port og modulerte THz‑feltets romlige fordeling med et metallisk metasurface‑substrat.

Det nye eksperimentet, sammen med sine enhetsarkitekturer, bemerket Ali Maleki, en PhD‑student i Ultrafast THz‑gruppen ved uOttawa, «gir muligheten til å utforske et enormt spekter av materialer utover grafen og potensielt identifisere nye ikke‑lineære optiske mekanismer.»

Teamet rapporterte tredjeparts harmonisk generasjon (THG) forbedringsfaktorer som overstiger tretti og foreslo arkitekturer som er dyktige til å oppnå en økning på to størrelsesordener.

Maleki, som samlet og analyserte studieresultatene, mener forskningen er avgjørende for å finjustere THz‑frekvensomformings‑teknikker. Utviklingen, ifølge ham, vil etter hvert også hjelpe med å integrere denne teknologien i virkelige applikasjoner, «spesielt for å muliggjøre effektive, chip‑integrerte ikke‑lineære THz‑signalomformere som vil drive fremtidige kommunikasjonssystemer.»

Viktige aktører innen 6G

Kappløpet om å dominere 6G‑utviklingen har alle fra Kina og USA til Sør‑Korea, Europa og India som implementerer avanserte planer.

Selskaper samarbeider også for å akselerere utviklingen. Samsung Electronics har inngått partnerskap med Japans største mobiloperatør, NTT Docomo, for å “fremskynde AI‑drevet innovasjon i telekombransjen,” noe som også vil realisere fremtidige kommunikasjoner som 6G. SoftBank Corp har signert en intensjonsavtale med Nokia for utvikling av et kommunikasjonssystem som utnytter AI for 6G‑teknologi. I mellomtiden utvider Apple sitt team for å gå dypere inn i 6G‑området.

Så, mens alle er ombord på 6G‑toget, la oss se på et par store børsnoterte selskaper som vil ha stor nytte av fremgangen.

1. Qualcomm Inc. (QCOM )

Denne halvledergiganten er allerede involvert i å levere 5G‑modemer og fortsetter å investere i å opprettholde sin ledelse. Qualcomm gir jevnlig sin visjon for 6G og har jobbet med avanserte halvlederløsninger og trådløse standarder for å drive infrastrukturen og enhetene for det samme.

I forrige måned noterte selskapet at 6G er posisjonert for å møte utfordringene med utvidet spektrums‑tilgjengelighet og større effektivitet i bruken. Det har også som mål å åpne muligheter på tvers av lave, mellom‑ og høye spektrumbånd, hvor det vil øke dekning og kapasitet og muliggjøre høyytelsesapplikasjoner som generativ AI og immersiv XR.

Qualcomms mål er å drive innovasjoner som åpner veien til et nytt spektrum samtidig som de forbedrer den operative effektiviteten til eksisterende bånd.

For å forberede seg på den kommende 6G‑æraen, har Qualcomm jobbet med spektrumsregulatorer, mobiloperatører, OEM‑er og akademia. Spesielt har de gjort den øvre midtbånds‑området (7 GHz til 16 GHz) klar for 6G.

Kalt ‘Giga‑MIMO’ kommer teknologien med et mye tettere antennearray i basestasjonen og en mer kompleks enhets‑basebånds‑ og radiofrekvens‑ (RF) design. Qualcomm introduserte også sitt utvidede 5G‑mmWave‑testnettverk, som også vil være en grunnleggende muliggjører for integrert kommunikasjon og sensing.

6G vil videre bygge på luft‑grensesnitt‑fundamentet og integrert terrestrisk/ikke‑terrestrisk nettverk (TN/NTN), sa John Smee, Global Head of Wireless Research hos Qualcomm, i et intervju. Når det gjelder overgangen fra 5G til 6G, forventer han at den vil betydelig forbedre trådløs tilkobling samtidig som den muliggjør nye tjenester som AI, sensing og digitale tvillinger.

Når han snakker spesielt om AI, bemerket Smee at den vil forbedre ikke bare 5G, men også 6G‑systemytelse, operasjonell effektivitet og brukeropplevelser, samtidig som den åpner nye bruksområder i stor skala. Det AI‑native paradigmet, ifølge ham, kan bringe mer innovasjon til enheter og nettverk.

Når det gjelder Qualcomms økonomi, har selskapets aksjer, med en markedsverdi på $190,24 milliarder, per skrivende stund handlet til $174. Aksjene er opp 12,04 % år‑til‑dato. EPS (TTM) er 8,95 og P/E‑forholdet (TTM) er 19,24. Det betaler også en utbytteavkastning på 1,98 %.

For sitt siste rapporterte kvartal, som avsluttet i september 2024, hadde selskapet en non‑GAAP‑inntekt på $10,2 milliarder mens non‑GAAP‑resultatet per aksje var $2,69, med år‑over‑år‑vekst i EPS på mer enn 30 %. Qualcomm betalte også $2,2 milliarder i aksjonæravkastning, som inkluderte $1,3 milliarder i aksjetilbakekjøp og $947 millioner i utbytte. Fri kontantstrøm for regnskapsåret 2024 ble rapportert til $11,2 milliarder.

Selskapet har også gjort betydelige fremskritt i sin diversifiseringsstrategi, som har gjort det mulig å produsere brikker for PC‑er, biler og maskiner.

“Vi vil fortsette å transformere Qualcomm fra et selskap for trådløs kommunikasjon til et tilkoblet databehandlingsselskap for AI‑alderen.”

– CEO Cristiano Amon på den tiden

2. Verizon Communications (VZ )

I 2020 sa CTO‑en i dette telekommunikasjonsleverandøren at han “ikke vet hva i helvete 6G er”, og deres fokus forblir på å forbedre 5G. Selskapet har imidlertid, bemerkelsesverdig, sluttet seg til andre ledende aktører i trådløs industri for å danne Next G Alliance.

Verizon, sammen med Qualcomm, Samsung, AT&T, Apple, Google, Ericsson, Microsoft, Nokia, Facebook, Bell Canada, Ciena, InterDigital, JMA Wireless, TELUS, Telnyx, T‑Mobile og US Cellular, har gått sammen for å danne Alliansen. Alliansen har som mål å utvikle en nasjonal 6G‑veikart, justere interessenters prioriteringer for offentlige politikk og finansiering, og identifisere strategier for å akselerere adopsjonen av 6G‑teknologi på tvers av sektorer.

Når det gjelder Verizons økonomi, har selskapets aksjer, med en markedsverdi på $166,45 milliarder, per skrivende stund handlet til $40,10. Aksjene er ned 1,13 % år‑til‑dato. EPS (TTM) er 4,15 og P/E‑forholdet (TTM) er 9,54. Verizon betaler en utbytteavkastning på hele 6,85 %.

For Q4 2024 rapporterte Verizon det den kaller “bransjeledende” trådløs tjenesteinntekt på $20 milliarder. Den totale driftsinntekten var $35,7 milliarder, og det konsoliderte nettoresultatet var $5,1 milliarder. Selskapets totale usikrede gjeld var $117,9 milliarder.

Q4 var faktisk det beste kvartalet for Verizon på fem år når det gjelder vekst i trådløse abonnenter, drevet av tilpassbare myPlan‑tilbud og Black‑Friday‑kampanjer. Selskapet la også til nesten 1 million postpaid mobil‑ og bredbåndsabonnenter, den beste kvartalsresultatet på over et tiår. De faste trådløse abonnentene var på nesten 4,6 millioner. Selskapet har også lansert Verizon AI Connect, som utnytter AI‑boomen ved å la bedrifter håndtere sine AI‑arbeidsbelastninger i stor skala.

Konklusjon

Etter å ha fokusert på menneske‑til‑menneske‑kommunikasjon i tidligere generasjoner av teknologi og deretter skapt et grunnleggende skifte i datakonsum, er fokuset nå på å koble IoT‑ og automatiseringssystemer. Men med 6G vil den menneskelige og digitale verden smelte sømløst sammen for forbedrede opplevelser.

Teknologiske fremskritt, økende digitalisering, avanserte bruksområder og levering av ekstrem ytelse vil drive 6G‑markedet fremover. Med sine ultra‑raske hastigheter, lave latens og globale tilkobling vil 6G‑teknologi drive den nye fremtiden gjennom selvkjørende biler, smarte byer og virtuell virkelighet.

Denne nye generasjonen av trådløs teknologi forventes å forme økonomien og samfunnet når den lanseres tidlig på 2030‑tallet. Imidlertid finnes det hindringer i form av høye oppstartskostnader, begrenset spektrums‑tilgjengelighet og standardiseringsutfordringer som først må overvinnes.

Forskning, som den som diskuteres her, spiller en avgjørende rolle i å gjøre denne teknologien til virkelighet. Den demonstrerer verdien av grafen for å muliggjøre terahertz (THz)-frekvenskommunikasjon, som er nøkkelen til 6G‑s fremtidige kapasiteter. Så, med pågående forskning, myndigheter som introduserer initiativer, og selskaper som samarbeider, har vi allerede begynt å gjøre fremskritt mot den sjette generasjonen av trådløs teknologi som lover en mer tilkoblet og innovativ fremtid!

Rengjøring av grafen er nøkkelen til kommersialiseringen.

Studierreferanse:

^{1. Maleki, A., Heindl, M. B., Xin, Y., Boyd, R. W., Herink, G., & Ménard, J.-M. (2024). Strategies to enhance THz harmonic generation combining multilayered, gated, and metamaterial-based architectures. Light: Science & Applications, 15, Article 1657. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01657-1}