Beyond5G/6G时代备受期待的太赫兹波的通信和传感的主要图片

Beyond5G/6G时代备受期待的太赫兹波的通信和传感

在Beyond5G/6G时代,其活用备受期待的太赫兹波是什么?

太赫兹波在电磁波*的分类中,位于微波、毫米波等“电波”和可见光等“光”之间(图1)。通常,其频率范围是100GHz-10THz(太赫兹),波长范围是3mm-30μm左右,就是指电波和光重叠的区域。

太赫兹波可以说是接近于光的一种电波,具有穿透物质或被物质吸收的特性。有观点认为,可以利用该特性测量出光吸收类型,并根据光吸收类型,将太赫兹波应用于广泛领域中的传感和成像等方面,包括从分析物质成分到使用无人探测器探索行星。另外,太赫兹波的另一大特点是,其能量低于可见光,所以没有X射线之类的辐射风险,不需要管理资格。由于它对人体无不良影响,所以也可以活用在安全检查方面,例如在机场入口等公共场所,检查在场人员是否携带武器或可疑物品。

*电磁波:与运动和热量一样,是一种能量形态。是指电场(电力作用的空间)和磁场(磁力作用的空间)一边变化一边进行传播的一种波。

太赫兹波在电磁波(电波、光)中的区域图片
图1 太赫兹波在电磁波(电波、光)中的区域

有关用于B5G/6G的太赫兹波,负责管理和监督美国通信电波的联邦通信委员会(FCC:Federal Communications Commission)为了开展研究和实验,已经开放了95GHz-3THz和宽频带。预计将和毫米波中的94GHz一样,考虑将太赫兹波用于宇宙开发等特殊用途。
在日本,B5G的特定实验试验局的使用频带主要是从90GHz-300GHz的被称为“亚太赫兹波(sub-THz)”的频带开始进行研究和探讨。90GHz-300GHz的“亚太赫兹波”可使用比5G毫米波宽10倍以上的带宽。100GHz-1THz的太赫兹波作为21世纪30年代预想的B5G/6G的通用频带,其实用化正受到期待。在全球供应链中,设备规格和标准的兼容性与新电波的标准密切相关,因此随着新设备的研究开发,人们对于完善国际标准的关注也在提高。

在5G中,使用的是比4G通信速度高且在较少的基站中可广范围接收电波的Sub6(3.7GHz/4.5GHz),以及通信速度比Sub6大约快16倍的通信区域狭小的毫米波(28GHz/39GHz)。在B5G/6G中,预计也会根据不同用途,区别使用不同频带的电波,以达到高效使用。

在太赫兹波网络中备受期待的传感器性能

如上所述,太赫兹波在用于检测和分析物质的设备上得以活用,目前正在研究的是,未来使用太赫兹波的通信网络去检测物体和人体,也就是将网络本身作为传感器进行活用的“遥感”技术。
红外线和LiDAR作为一项利用了光和电波的反射的遥感技术,目前已被用于汽车等设备中。另一方面,太赫兹波作为接近光的一种电波,我们期待它能同时具备更广范围的传感性能和高速大容量的数据通信性能。比如,还有一种构想是,就像穿透型传感器或活用空间分辨率进行成像的图像传感器那样,根据太赫兹波的穿透和吸收等特性,将多个基站构成的无线网络加以活用。

使用太赫兹波网络的通信和传感的构想图
图2 使用太赫兹波网络的通信和传感的构想图

如果使用由地面基站组成的太赫兹波无线网络的遥感技术得以实现,我们就能够更迅速地获取到例如天气、交通量、道路障碍物和人流等的详细信息(图2)。或者从遥感通信终端的传感器上获取大数据,AI(人工智能)就可以根据大数据,实现更详细地预测交通堵塞和人流拥挤状况并选择路线进行回避的性能。另外,由于遥感技术可以检测出有人入侵场地,所以同时也具备安全防范传感器的性能等,可用于多种用途。

太赫兹波容易被水吸收的特性在一些方面仍存在课题,但也有观点认为,该特性同时也可用于天体上微量水分的探查。在地面上,可以通过水分引起的电波传播衰减来感知雨量,因此可以更低延迟并高精度地获取局部降雨等气象信息。
综上所述,使用太赫兹波网络同时发挥通信和传感功能,将会成为实现超智能社会的关键一步。

在太赫兹波通信网络中发挥遥感技术,实现超智能社会图片
在太赫兹波通信网络中发挥遥感技术,实现超智能社会

太赫兹波无线网络的课题和所需技术

太赫兹波无线网络的实用化在技术上还存在不少课题。如上所述,太赫兹波是接近光的一种电波,其电波的直进性比毫米波更高,还具有易受水分(雨水和大气中的湿气等)和障碍物(大楼、树木、人体等)影响的特性。而该特性所产生的电波的传播衰减量,以及根据该特性可以检测出降雨量、物体、人体的存在等,正是太赫兹波的有利之处。但另一方面,太赫兹波的这种特性是无线网络中电波传播方面的重大课题。这是因为,将太赫兹波作为无线通信用的电波来使用时,对于将电波传播到远方这一目的而言,水分和障碍物造成的损失、吸收、遮挡、穿透损耗、漫反射会成为不利条件。

另外,B5G/6G的传输和接收需要相关系统和软件方面的技术,如通信控制技术、算法、设备管理,以及能够从传感数据中获取有利用价值的信息或优化控制的AI等。与此同时,基站和终端所需的设备包括了支持高频和宽带电波的天线、滤波器、放大器、混频器、本地振荡器等。开发这些设备不仅需要解决亚太赫兹波和太赫兹波的传播特性存在的课题,同时还需要实现小型化、低耗电性,散热性和稳定性。

B5G/6G的近期研究和今后的技术革新,将在21世纪30年代为各种产业带来新的用户体验(UX),同时在许多国家面临的劳动人口、自然环境变化、自然灾害等未来预测发生的诸多问题方面,作为解决方法之一正备受期待。