Yakın gelecekte büyük bir olasılıkla, milyarlarca hücresel cihazdan, milyonlarca otonom araç ve trilyonlarca sensörü birbirine bağlayan yüksek frekanslı dalgalardan oluşan görünmez bir örümcek ağının içinde yaşıyor olacağız.

Gerçekliğimiz sanallıkla kolayca bir araya gelecek. Kararlarımız sıfır gecikme ile yapay zeka tarafından hesaplanan veriyle bildirilecek. Hologramlarla sohbet edip, uzaktan ameliyat olacağız, hiç kimse kapsama dışı olmayacak.

Dilerim ki, o zamanlar ayrıca dünyada açlığın ve yoksulluğun ortadan kalkmaya yakın olduğu, bulutlardaki veri zenginliğinin altında yaşayanlar için fırsat eşitliğinin sağlandığı bir gelecek olur. Bütün bunları içermesi tahmin edilen kablosuz teknolojinin altıncı nesli yani kısaca 6G, kulağa sanki bir bilim-kurgu gibi geliyor. Bununla birlikte, bu vizyonu uygulamak için gerekli sistemler çok uzakta da değil. Samsung Research, 6G'nin 2030 civarında sadece önümüzdeki on yıl içinde tam ölçekli ticarileştirmeye ulaşabileceğini tahmin ediyor.

Daha önceki bir çok yazımda belirtmiş olduğum gibi 6G'yi hayata geçirmek için gereken teknolojiye yönelik araştırmalar, dünya genelinde son birkaç yılda önemli bir ivme kazandı. Finlandiya Akademisi, 2018'de Nokia ile ortak bir çabayla 6G'yi kavramsallaştırmak için sekiz yıllık bir araştırma programı olan "6Genesis"i duyurdu. İngiltere, ABD, Japonya, Güney Kore ve Singapur'daki birçok üniversite, Nesnelerin İnterneti (IoT), tıbbi cihazlar, algılama ve iletişimin bitmek tükenmek bilmeyen ihtiyaçlarını karşılamak için araştırmalar başlattı. Büyük ve küçük endüstriler, 5G'nin daha yeni konuşlandırılmaya başlamasıyla birlikte, 6G'de kendilerine bir yer açmak için çalışmalarını hızlandırdılar.

5G'nin ötesinde iletişim için önde gelen adaylardan biri olan terahertz teknolojilerinde dünya lideri, Uluslararası Kızılötesi, Milimetre ve Terahertz Dalgaları Derneği'nin eski başkanı ve ABD’nin Brown Üniversitesi'nde mühendislik profesörü olan Daniel Mittleman’a göre, 5G'nin tam parametreleri ve performansı hala bilinemediğinden, 6G'nin ne gerektireceğini söylemek için henüz çok erken. Çok mümkündür ki 5G ile 6G arasındaki çok açık bir sınır olmayacak. Bununla birlikte hepimiz biliyoruz ki hiper-hızlı veri transferi, gelecekteki tüm kablosuz iletişimlerin sağlaması gereken bir ihtiyaç olacaktır.

6G, 2030 yılında olgunlaştığında, birbirimizle iletişim şeklimiz büyük ölçüde değişebilecek ve hologramlardan sanal gerçekliğe kadar her şey birleşebilecektir. Bütün bu sistemlerin çoğu için yüksek veri hızına gereksinim duyulacaktır.

Bir insan yüzünün gerçekçi bir 3 boyutlu hologramının 19,1 gigapiksel gerektirdiğini düşünün. Hareketleri ve ifadeleri eşleştirmek için bu noktaları gerçek zamanlı olarak güncellemek, saniyede 1 terabit (Tbps) veri indirme hızına ihtiyaç duyacaktır. 1 m x 1 m'lik bir alanın sanal bir kopyasını veya "sayısal ikizini" oluşturmak için, her 100 milisaniyede (ms) senkronizasyon olduğu varsayılarak 0,8 Tbps hıza ihtiyaç vardır. Aynı şekilde gerçek sarmal artırılmış gerçeklik (AR) ve sanal gerçeklik (VR) içinde yüksek veri hızlarına ihtiyaç olacaktır.

Samsung Research, AR ve VR için küresel pazarın 2030 yılına kadar toplam 131,7 milyar ABD dolarına ulaşmasının beklendiğini tahmin ediyor ki, bu ihtiyaç duyulacak veri hızlarının bir göstergesidir. Bu yüksek veri hızlarını 5G’nin sağlama ihtimali neredeyse yok gibidir.

Sadece bu fütüristik teknolojiler değil- cep telefonlarının ve buluta bağlı cihazların sayısının kilometre kare başına 10 milyondan fazla olacağı tahmin edilmekte. Nesnelerin İnternetinin küresel dalgası, tamamı bir şebekeye bağlı olan bir trilyona kadar sensör yaratacak. Bu cihazların çoğu, kararları mevcut bilgilerden hızla hesaplayan yerleşik "yerel yapay zeka" sistemlerine sahip olacaktır.

Daha güçlü yapay zeka sistemine ihtiyaç duyan otonom araçlar, hesaplamalarını hızlı bir şekilde, sonuçların işleneceği ve gerçek zamanlı olarak geri gönderileceği web'e aktaracaktır.

Ayrıca, endüstriyel otomasyon, acil durum müdahalesi ve kişiselleştirilmiş tıbbi ihtiyaçlar, bu iletişim kanallarının gerçek zamanlı veri işlemeyi mümkün kılmak için yüksek güvenilirliğe ve son derece düşük gecikmeye sahip olmasını gerektirir. Bu, 6G'nin 5G'den çok daha yüksek bant genişlikleri gerektirdiği anlamına gelir.

Singapur'daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nden Ranjan Singh, "Bir kanal tarafından taşınabilen bilgi miktarı ile bant genişliği arasındaki ilişki Shannon'ın Kapasite teoremi tarafından verilmektedir," diyerek sözlerine şöyle devam ediyor, “Artık burada foton bilimi kullanarak daha hızlı veri aktarımı için yeni yöntemler bulmamız gerekir.” Hepimizin bildiği gibi yüksek frekans kanalları daha fazla bantgenişliğine sahiptir.

Görünür ışık olarak belirttiğimiz fotonlar, kırmızıdan maviye doğru uzanan elektromanyetik spektrumun insan gözü tarafından algılanabilen kısmı içindeki elektromanyetik radyasyondur. Bunları üretme ve kullanma teknolojisi yaygın olarak mevcuttur - örneğin beyaz ışıklı bir LED, bir ABD dolarından daha ucuzdur. Finlandiya, Oulu Üniversitesi'nde profesör olan Marcos Katz'ın belirttiği gibi, "Işık temelli kablosuz iletişim teknolojisi birkaç on yıldır araştırılmış ve geliştirilmiştir." Ancak zorluk, ışığın duvarlar, ağaçlar, hareket eden nesneler, sis veya yağmur tarafından kolayca engellenmesi veya absorbe edilmesidir. Bu özellik sistemlerin menzilini çok ciddi bir şekilde engeller. Optik kablosuz haberleşmeden söz ettiğimizde iki yaklaşıma atıfta bulunuruz, bunlar: serbest-uzay optik (FSO:Free Space Optics) ve görünür ışık haberleşmesidir (Visible Light Communications: VLC). FSO lazer hüzmeleri kullanarak bir kaç km’ye kadar bağlantı sağlayabilirken, VLC tipik olarak bina içi ortamlarda 10 m’nin altında kısa-alan kablosuz haberleşmeyi simgeler.

İkinci seçenek, 0.1 Thz'den 30 Thz'ye uzanan bir radyasyon bandı olan terahertz bandıdır. Dalga boyları bir milimetreden az olduğu için bunlar alt-milimetre dalgalar olarak da adlandırılırlar. Terahertz bandı, elektromanyetik ailenin karanlık kısmıdır. Bu band sadece radyo veya mikrodalgalardan daha az bilinmez değil, aynı zamanda bu dalgaları üretebilen veya modüle edebilen daha az cihaz vardır. Terahertz bandı teknolojik olarak oldukça durgundur, öyle ki bu bant genellikle "terahertz boşluğu" olarak anılır.

Terahertz sistemler daha az gelişmiştir ve sonuç olarak daha pahalıdırlar. Diğer yandan, Thz süper bir alternatiftir. Bu iki grubun kötü hava koşullarındaki performansı birbirlerinin bütünleyicisidir: THz yağmur ya da siste daha iyidir, ancak FSO muhtemelen karda daha iyidir.

Son yıllarda terahertz’i aktif bir araştırma alanı yapan nedenler bunlardır. Özellikle, bu ortamda teknolojik gereksinimleri karşılamak için dalga kılavuzları, filtreler, kanal çoklayıcılar ve ayırıcıları, modülatörler, antenler ve fotodetektörler gibi silikon bazlı bir dizi fotonik teknoloji geliştirilmiştir.

Örneğin, foto-karıştırıcısı, tek bir adımda optik radyasyonu terahertz dalgalarına dönüştürür. Burada farklı frekanslarda iki lazer ışınının birbirleriyle çakışması sağlanır. Sonuçta, terahertz bölgesine giren temel frekansların farkına eşit frekanslı bir dalga elde edilir. Böylece bir antenle birleştiğinde, foto-karıştırıcılar, özel terahertz frekansları üretebilen mükemmel bir terahertz jeneratörü haline gelir.

Terahertz sinyallerini üreten diğer fotonik teknoloji “kuantum kademeli lazerdir.” Elektronun daha yüksek bir enerji seviyesinden daha düşük bir enerji seviyesine düştüğü tipik bir lazerin aksine, bu lazerdeki elektronlar, temel duruma ulaşmadan önce bir dizi enerji seviyesinde "kademeli" hale gelir.

Fotonikler, terahertz bandında elektroniklerin üzerinde belirli bir iyileştirme sağlar. Fransız Lille Üniversitesi profesörü ve THz kablosuz iletişim faaliyetinin lideri Guillaume Ducournau'nun açıkladığı gibi, "Fotonik, THz / 6G için itici teknolojilerden biridir. Bu teknoloji şimdiye kadarki en yüksek veri hızlarını sunarken, 6G sistemlerinin aktif devreleri gibi gelişmiş cihazların tanımlanmasını mümkün kılar.” Guillaume’nin ekibi 2018'de, bir silikon fotonik vericisi kullanarak ilk kablosuz terahertz linkinin sunumunu yaptı. Gömülü bir Ge (Germanyum) fotodiyot 10 Gbps veri hızında 300 GHz sinyal üretti bu sinyal ticari bir GaAs Schottky diyot tarafından alındı.

Silikon fotonik için bir başka olumlu yanda mevcut CMOS fabrikasyon tesisleri ile uyumlu olmasıdır. Singapur’un NTU Universitesinde çalışan Dr. Ranjan Singh, "Bu, yarı iletken tesislerinde büyük bir revizyon yapmadan 6G cihazlarının toplu olarak üretmelerine olanak tanıyor" diye ekliyor.Buradaki temel hedef yonga seviyesinde terahertz sinyallerini üretmek ve modüle etmektir.

Bu yıl, Singh'in NTU'daki ekibi, Masayuki Fujita'nın Japonya'daki Osaka Üniversitesi'ndeki ekibiyle işbirliği içinde, şimdiye kadar kaydedilen en yüksek yonga üzerinde terahertz kablosuz veri aktarım hızına ulaştı: 16 Gbps.

Ekip bunu, fotonik topolojik yalıtkan (PTI) (aşağıdaki şekilde) adı verilen yeni bir konsept kullanarak başarmış. Bu, içte bir yalıtkan görevi gören ancak yüzeyde elektron veya foton ileten bir malzemedir.

 

Bir silikon yonga üzerinde alternatif olarak büyük ve küçük üçgen deliklerin oyulmasıyla yapılan topolojik bir fotonik yalıtkan. Credit: Ranjan Singh, NTU

Bir fotonik topolojik yalıtkan elde etmek oldukça basittir. Bir silikon çip, grafitteki karbon atomlarına çok benzer şekilde, kendilerini altıgen bir kafes şeklinde düzenleyebilmeleri için iki farklı boyutta değişen üçgen deliklerle oyulmuştur. Bu çipi kullanarak NTU ve Osaka Üniversitesi ekipleri, 11 Gbps hızında sıkıştırılmamış bir 4K videoyu gerçek zamanlı olarak iletti. Kanal frekansı, 6G terahertz bandında 335 Ghz idi.

Dörtlü genlik modülasyonu (QAM) olarak bilinen daha karmaşık bir şifreleme tekniğini kullanarak ve birlikte işbirliği ile NTU, Osaka ve Lille ekipleri, yakın zamanda bunu 25 Ghz bant genişliğinde 75 Gbps'a kadar çıkardılar. Kullanılan kristalin geometrisini değiştirerek, oranları daha da yükselteceklerinden emin olan bu ekibin nihai amacı, fotonik topolojik yalıtkan kullanarak 100 Gbps'yi geçmek.

Terahertz iletişim yeni sınırlara doğru ilerlerken, bazı eski zorluklar devam ediyor. Terahertz dalgaları havadaki su ve oksijen molekülleri tarafından absorbe edilir ve serbest uzayda enerji kaybetmeleri nedeniyle uygulama alanları ciddi şekilde kısıtlanır. Bunların üstesinden gelmek için yüksek kazançlı antenler ve çoklu-giriş-çoklu-çıkış (MIMO) uygulamalarının kullanılması gerekir.

Terahertz heberleşmesi için diğer bir engel ise maliyettir. THz bileşenlerinin, tasarımları karmaşık ve zaman alıcı olduğu için oldukça pahalı olabilirken, optik bileşenler ise daha iyi biliniyor, üzerinde çalışılıyor ve nispeten de düşük maliyetlidirler.

Yukarıda ismini verdiğim Oulu Üniversitesinden Profesör Marcos Katz’ın ekibi, insan vücudunun her yerinden bilgi toplamak ve veri alış-verişi için tasarlanmış ışık tabanlı bir sensör şebekesine öncülük edecek çalışmalar yürütüyor. Vücudun İnterneti (IoB) adı verilen bu uygulama ile insanın kalp atış hızı, enzim seviyeleri ve diğer hayati sinyaller gibi önemli vücut işlevleri takip edilebilecek. Bu sayede kalp pilleri, mide-bağırsak ve beyin içi cihazlar gibi implant cihazları güvenli ve emniyetli bir şekilde birbirine bağlanacaktır. Yakın-kızılötesi sinyaller vücudun içinde 5 cm’ye kadar nüfuz edebilir-bu da göğüs implantlarına erişim için yeterlidir ve veri hızı da 100 Kbps’dır.

Işık temelli Nesnelerin İnterneti (LIoT) konusunda diğer gruplar da araştırmalarını sürdürüyorlar. Buradaki fikir, ışık sinyallerinin bir odadaki cihazları birbirine ve WiFi'ye bağlayabilmesidir. Uygulamanın etkili olması için, bu sinyallerin doğrudan kaynaktan alıcıya hedeflenmesi gerekecektir. Sistemin avantajı, bu cihazların ucuz ve kolay ulaşılabilir olmasından kaynaklanmaktadır. Uçaklarda, LiFi (Light Fidelity) olarak da bilinen görünür ışık iletişiminin, kalkış ve iniş sırasında bile etkili ve güvenli olduğu gösterilmiştir.

Sonunda 6G geldiğinde hem terahertz ve hem de görünür ışık kullanımı büyük bir ihtimalle gerçek olacaktır. Prof. Katz, "Nihayetinde, optik kablosuz iletişim ve THz iletişimi 6G'de pekala bir arada var olabilir" diyor. Galiba 6G için önümüzdeki on yıllık süreçte, her iki yaklaşım arasında kesin bir üstünlük olmayabilecek ama her iki uygulama için de kullanım açısında farklı yerler bulunacak, muhtemelen bizler her iki seçeneği de isteyebileceğiz.