Vägen till 6G kan bana med grafen

Framtiden för trådlös kommunikationsteknik utvecklas snabbt. Det var först 2019 som globala operatörer började lansera 5G. Medan 5G fortfarande är i färd med global implementering har 6G redan börjat utvecklas.

6G är den sjätte generationen av trådlös teknik. Den första generationen, 1G, kom på 1980-talet och levererade analog röst. Sedan, i början av 1990-talet, introducerades 2G, som förde med sig digital röst och förbättrade inte bara röstkvaliteten utan även batteritid och nätverkssäkerhet.

Det följdes av 3G i början av 2000-talet, som förde med sig mobildata och öppnade nya möjligheter, såsom videosamtal och stöd för multimediameddelanden. Den fjärde generationen, 4G, på 2010-talet, inledde eran av mobilt bredband med minskad latens och högre hastighetsbandbredd. Samtidigt ökade 5G hastigheten ytterligare och stödjer applikationer som förstärkt verklighet (AR) och autonom körning.

Alltså har varje ny generation av trådlös kommunikationsteknik kommit med nya möjligheter, och det gäller även för 6G.

Genom att fortsätta trenden av innovation och förbättringar inom trådlös kommunikation kommer 6G att ge oss ökad bandbredd och hastighet, extremt låg latens och pålitlighet. Med denna teknik är målet att verkligen leverera allestädes närvarande trådlös intelligens och kommunikation.

Den nya tekniken kommer att använda samma byggstenar som tidigare nätverk, såsom basstationer, routrar, antenner osv., men det som kommer att göra den annorlunda är användningen av nya teknologier för att ytterligare förbättra trådlösa kommunikationsmöjligheter.

Det betyder att 6G kommer att bygga på 5G för att ytterligare förfina de förbättringar som den nuvarande tekniken har medfört för nätverksanslutning för slutanvändaren.

Förutom att erbjuda hög hastighetsanslutning med förutsägbart låg latens förväntas 6G‑nätverket hantera den exponentiellt växande trafiktillströmningen på ett kostnadseffektivt sätt. Det kan också äntligen uppnå full global täckning och erbjuda alla tillgång. Dock kommer stöd för ett så stort antal enheter att kräva hållbara kostnader för både tjänsteleverantörer och konsumenter.

Men det räcker inte. Förutom dessa förbättringar och världsomspännande täckning genom att ansluta avlägsna områden måste teknologiska framsteg också erbjuda motstånd mot avsiktliga skadliga attacker på infrastruktur samt motståndskraft mot naturkatastrofer och lokala störningar.

Alla dessa framsteg inom 6G‑teknik kommer att hjälpa oss med precisionsvård, smart jordbruk, smarta städer, digitala tvillingar, rymdkommunikation och robotnavigering. Det kommer ytterligare att möjliggöra realtidsdatabehandling och analys vid nätverkets kant samt sömlös integration av miljarder sammankopplade enheter i vardagen. Implementeringen av 6G förväntas också bidra till miljövänliga innovationer för att minimera miljöpåverkan och främja hållbar utveckling.

Även om 6G lovar en mycket avancerad framtid står den inför flera utmaningar, inklusive kostnad och säkerhet. För att få denna teknik i drift skulle vi behöva en ny infrastruktur i stor skala, vilket är dyrt att bygga. Dessutom kommer öppen källkod, virtuella nätverk och IoT att öka dess sårbarhet för säkerhetsintrång.

Här utforskas kvantkryptering, blockchain och AI:s förutsägande förmågor som möjliga säkerhetslösningar, medan virtualisering av många fysiska komponenter förväntas hjälpa till med kostnaden.

När det gäller den globala marknadsstorleken för denna teknik förväntas den vara värd $40.5 billion år 2032, drivet av efterfrågan på hyperanslutning, fördelarna med låg latens och höga datahastigheter, löftet om nästa generations applikationer, utnyttjandet av terahertzfrekvenser och AI, samt potentialen att överbrygga den digitala klyftan.$40.5 billion.

6G‑teknik förväntas påbörja sin utrullning i slutet av detta decennium. För närvarande är den fortfarande i sina tidiga forskningsstadier.

Förbättra trådlös kommunikation med kvantmaterial

Med ett växande fokus på att dramatiskt förbättra trådlös kommunikationsteknik globalt utforskar forskare olika sätt att låsa upp snabbare, mer effektiva teknologier inom trådlös kommunikation.

Ett forskarteam har nu hittat sätt att förstärka frekvensomvandlingen av terahertz (THz)-vågor i strukturer baserade på grafen.

Terahertz (THz)-trådlösa kommunikationssystem har fått mycket uppmärksamhet på grund av strävan efter ständigt ökande bandbredder och frekvenser i THz-spektrumet, särskilt breda bandbredder.

Medan megahertzbandbredd är tillräcklig för nuvarande tillämpningar kommer framtida nätverkskommunikationsscenarier att kräva bandbredder på flera gigahertz (GHz) för att fungera väl. Eftersom THz‑vågor är högfrekventa med extremt korta våglängder kan de överföra data snabbare.

Terahertz (THz) är en frekvensenhet som mäter elektromagnetiska vågor i intervallet 0,1–10 THz. Dessa vågor, som är icke‑invasiva och säkra för människor, djur och växter, ligger mellan infraröda och millimetervågor i det elektromagnetiska (EM) spektrumet.

Det betyder att THz‑vågor kan användas för icke‑invasiv avbildning genom ogenomskinliga material för kvalitetskontroll och säkerhetsapplikationer.

Dess extremt stora bandbreddspotential möjliggör dessutom ultra‑höga datahastigheter och, naturligtvis, funktioner som överstiger 5G. Dock absorberas denna lovande teknik lätt av atmosfäriska komponenter som luft och vattenånga, vilket minskar signalstyrkan över avstånd.

När det gäller THz‑vågornas potential för trådlös kommunikation har framsteg gjorts inom THz‑icke‑linjär optik. Icke‑linjär optik innebär att studera ljusets interaktion med material för att skapa unika fenomen, vilket inkluderar generering av optiska harmoniska.

Allteftersom THz‑teknologier fortsätter att utvecklas har forskare vid University of Ottawa utvecklat ett sätt att bygga enheter som kan uppkonvertera elektromagnetiska signaler till högre oscillationsfrekvenser. Detta kan effektivt minska klyftan mellan GHz‑elektronik och THz‑fotonik.

Resultaten från den senaste studien, publicerad i Nature¹ visade teamets innovativa strategier för att förbättra THz‑icke‑linjäriteter i enheter baserade på grafen.

Enligt Jean-Michel Ménard, docent i fysik vid fakulteten för naturvetenskap som samarbetade i projektet:

“[Detta] markerar ett betydande steg framåt i att förbättra effektiviteten hos THz‑frekvensomvandlare, en kritisk aspekt för multispektrala THz‑applikationer och särskilt framtiden för kommunikationssystem, som 6G.”

Genom att använda metoden som demonstrerades i den nya forskningen kan de unika optiska egenskaperna hos grafen också utnyttjas.

Extraherad från grafit består grafen av rent kol, vilket är ett av de viktigaste elementen i naturen. Detta framväxande kvantmaterial består faktiskt av ett enda lager kolatomer och är känt för att vara starkt, lätt och flexibelt.

2D-materialet är också känt för sin resistans och höga termiska och elektriska ledningsförmåga. Dessutom har grafen anmärkningsvärda optiska egenskaper. Dessa inkluderar hög transparens i det synliga spektrumet, vilket beror på dess bandstruktur, justerbar infraröd optisk absorptionsförmåga och fotoreaktion upp till THz‑frekvensområdet.

Alla dessa fantastiska egenskaper gör grafen till ett värdefullt material inom energisektorn, byggbranschen, hälsovården och elektronik. Speciellt dess stora optiska icke‑linjäritet, tillsammans med dess enkla integration i enheter, gör grafen till en ideal kandidat för att bli en nyckelkomponent för all‑optisk omkoppling och frekvensomvandlingstekniker för signalbehandling och trådlösa kommunikationsapplikationer.

Studier som tidigare kombinerat THz‑ljus och grafen fokuserade främst på grundläggande ljus‑materia‑interaktioner. Att endast bedöma effekten av en enda parameter ger relativt svaga icke‑linjära effekter.

Så kombinerade den senaste forskningen istället flera innovativa tillvägagångssätt för att förbättra dessa icke‑linjära effekter och samtidigt utnyttja grafens unika egenskaper fullt ut.

För att öka THz‑icke‑linjäriteter i grafenbaserade strukturer ökade teamet interaktionslängden med en flerskiktsdesign, kontrollerade bärartätheten med en elektrisk grind och modulerade THz‑fältets rumsliga fördelning med ett metalliskt metasurface‑substrat.

Det nya experimentet, tillsammans med dess enhetsarkitekturer, noterade Ali Maleki, doktorand i Ultrafast THz‑gruppen vid uOttawa, “ger möjlighet att utforska ett brett spektrum av material bortom grafen och potentiellt identifiera nya icke‑linjära optiska mekanismer.”

Teamet rapporterade att förstärkningsfaktorer för tredje harmoniska generation (THG) översteg trettio och föreslog arkitekturer som kunde uppnå en ökning med två storleksordningar.

Maleki, som samlade in och analyserade studiens resultat, anser att forskningen är avgörande för att förfina THz‑frekvensomvandlingstekniker. Utvecklingen, enligt honom, kommer så småningom också att hjälpa till att integrera denna teknik i verkliga tillämpningar, “särskilt för att möjliggöra effektiva, chipintegrerade icke‑linjära THz‑signalomvandlare som kommer att driva framtida kommunikationssystem.”

Stora aktörer inom 6G

Kapplöpningen om att dominera 6G‑utvecklingen har alla från Kina och USA till Sydkorea, Europa och Indien som implementerar avancerade planer.

Företag samarbetar också för att påskynda sin utveckling. Samsung Electronics har samarbetat med Japans största mobiloperatör, NTT Docomo, för att “snabba upp AI‑drivet innovation inom telekomindustrin,” vilket också kommer att möjliggöra framtida kommunikationer som 6G. SoftBank Corp har undertecknat ett MoU med Nokia för utveckling av ett kommunikationssystem som utnyttjar AI för 6G‑teknik. Samtidigt utökar Apple (AAPL ) sitt team för att fördjupa sig i 6G‑området.

Så, när alla är ombord på 6G‑tåget, låt oss titta på ett par stora börsnoterade företag som kan dra stor nytta av utvecklingen.

1. Qualcomm Inc.

Denna halvledargigant är redan involverad i leverans av 5G‑modem och fortsätter att investera i att behålla sitt ledarskap. Qualcomm (QCOM ) ger regelbundet sin vision för 6G och har arbetat med avancerade halvledarlösningar och trådlösa standarder för att driva infrastrukturen och enheterna för samma.

Förra månaden noterade att 6G är positionerat för att möta utmaningarna med utökad spektrumutnyttjande och större effektivitet i dess användning. Det syftar också till att låsa upp möjligheter över låga, mellana och höga spektrumband, där det kommer att öka täckning och kapacitet samt möjliggöra högpresterande applikationer som generativ AI och immersiv XR.

Qualcomms mål är att driva innovationer som öppnar vägen till ett nytt spektrum samtidigt som befintliga band förbättras i operativ effektivitet.

För att förbereda sig för den kommande 6G‑eran har Qualcomm arbetat med spektrumsregulatorer, mobiloperatörer, OEM:er och akademin. Specifikt har de förberett det övre mellanspektrat (7 GHz till 16 GHz) för 6G.

Den kallas ‘Giga-MIMO’ och tekniken innebär en mycket tätare antennarray i basstationen samt en mer komplex enhetsbasband‑ och radiofrekvens (RF)‑design. Qualcomm introducerade också sitt utökade 5G mmWave‑testnätverk, som också kommer att vara en grundläggande möjliggörare för integrerad kommunikation och avkänning.

6G kommer ytterligare att bygga på luftgränssnittets grund och integrerade markbaserade/icke‑markbaserade nätverk (TN/NTN), sade John Smee, Global Head of Wireless Research på Qualcomm, i en intervju. När det gäller övergången från 5G till 6G förväntar han sig att den avsevärt förbättrar trådlös anslutning samtidigt som den möjliggör nya tjänster som AI, avkänning och digitala tvillingar.

När det gäller AI i synnerhet noterade Smee att den kommer att förbättra inte bara 5G utan även 6G‑systemets prestanda, operativa effektivitet och användarupplevelser samtidigt som den låser upp nya användningsfall i skala. Det AI‑inhemska paradigm, enligt honom, kan ge mer innovation till enheter och nätverk.

När det gäller Qualcomms finanser, har företagets aktier med ett börsvärde på $190,24 miljarder, vid skrivande stund, handlats till $174. Aktierna har stigit 12,04 % hittills i år. Dess EPS (TTM) är 8,95 och P/E‑kvoten (TTM) är 19,24. Företaget betalar också en utdelningsavkastning på 1,98 %.

För sitt senaste rapporterade kvartal, som avslutades i september 2024, hade företaget en icke‑GAAP‑omsättning på $10,2 miljarder medan dess icke‑GAAP vinst per aktie var $2,69, med en år‑till‑år tillväxt i EPS på mer än 30 %. Qualcomm betalade också $2,2 miljarder i aktieägaravkastning, vilket inkluderade $1,3 miljarder i återköp av aktier och $947 miljoner i utdelningar. Fritt kassaflöde för räkenskapsåret 2024 rapporterades till $11,2 miljarder.

Företaget har också gjort betydande framsteg i sin diversifieringsstrategi, vilket har gjort det möjligt att producera chip för PC‑datorer, bilar och maskiner.

“Vi kommer att fortsätta omvandla Qualcomm från ett företag för trådlös kommunikation till ett anslutet datorteknikföretag för AI‑eran.”

– VD Cristiano Amon vid den tidpunkten

2. Verizon Communications 

År 2020 sade han “inte vet vad i helvete 6G är,” och deras fokus förblir på att förbättra 5G. Företaget har dock tydligt gått med i andra ledande aktörer inom trådlös industri för att bilda Next G Alliance.

Verizon, tillsammans med Qualcomm, Samsung, AT&T (T ), Apple, Google, Ericsson (ERIC ), Microsoft (MSFT ), Nokia, Facebook, Bell Canada, Ciena, InterDigital (IDCC ), JMA Wireless, TELUS, Telnyx, T‑Mobile och US Cellular, har gått samman för att bilda Alliansen. Alliansen syftar till att utveckla en nationell 6G‑färdplan, samordna intressenters prioriteringar för regeringens politik och finansiering, samt identifiera strategier för att påskynda antagandet av 6G‑teknik över sektorer.

När det gäller Verizons finanser, har företagets aktier med ett börsvärde på $166,45 miljarder, vid skrivande stund, handlats till $40,10. Aktierna har minskat 1,13 % hittills i år. Dess EPS (TTM) är 4,15 och P/E‑kvoten (TTM) är 9,54. Verizon betalar en utdelningsavkastning på så mycket som 6,85 %.

För Q4 2024 rapporterade Verizon vad de kallar “branschledande” intäkter från trådlösa tjänster på $20 miljarder. Dess totala rörelseintäkter var $35,7 miljarder och den konsoliderade nettoinkomsten var $5,1 miljarder. Företagets totala opräntade skuld var $117,9 miljarder.

Q4 var faktiskt det bästa kvartalet för Verizon på fem år när det gäller tillväxt av trådlösa abonnenter, drivet av anpassningsbara myPlan och Black Friday‑erbjudanden. Företaget lade också till nästan 1 miljon postpaid mobil‑ och bredbandsabonnenter, det bästa kvartalsresultatet på över ett decennium. Dess fasta trådlösa abonnenter uppgick samtidigt till nästan 4,6 miljoner. Företaget har också lanserat Verizon AI Connect, som utnyttjar AI‑boomen genom att låta företag hantera sina AI‑arbetsbelastningar i skala.

Slutsats

Efter att ha fokuserat på människa‑till‑människa‑kommunikation i tidigare teknologigenerationer och sedan skapat ett grundläggande skifte i datakonsumtion, är fokus nu på att ansluta IoT‑ och automationssystemen. Men med 6G kommer den mänskliga och digitala världen att smälta samman sömlöst för förbättrade upplevelser.

Teknologiska framsteg, ökande digitalisering, avancerade användningsfall och leverans av extrem prestanda kommer att driva 6G‑marknaden framåt. Med sina ultrahöga hastigheter, låga latens och globala anslutning kommer 6G‑teknik att driva den nya framtiden genom självkörande bilar, smarta städer och virtuell verklighet.

Denna nya generation av trådlös teknik förväntas forma ekonomin och samhället när den lanseras i början av 2030‑talet. Det finns dock hinder i form av höga initiala kostnader, begränsad spektrumutnyttjande och standardiseringsutmaningar som först måste övervinnas.

Forskning, såsom den som diskuteras här, spelar en avgörande roll för att göra denna teknik till verklighet. Den visar värdet av grafen för att möjliggöra terahertz (THz)-frekvenskommunikation, vilket är nyckeln till 6G:s framtida kapabiliteter. Så, med pågående forskning, regeringar som introducerar initiativ och företag som samarbetar, har vi redan börjat göra framsteg mot den sjätte generationen av trådlös teknik som lovar en mer uppkopplad och innovativ framtid!

Att rena grafen är nyckeln till dess kommersialisering.

Studierreferens:

^{1. Maleki, A., Heindl, M. B., Xin, Y., Boyd, R. W., Herink, G., & Ménard, J.-M. (2024). Strategier för att förbättra THz-harmonisk generation genom att kombinera flerskikts, styrda och metamaterialbaserade arkitekturer. Light: Science & Applications, 15, Article 1657. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01657-1}