جهان در راه 6G است

دانشمندان سخت مشغول کارند

مقدمه‌ای بر کاربردها، تکنولوژی‌ها، چالش‌ها و مسیرهای تحقیق

طی چند دهه گذشته تقاضا برای اتصال بی‌سیم به طور چشمگیری افزایش یافته است. ارتباطات نسل پنجم (5G) با ویژگی‌هایی بسیار بیشتر از ارتباطات نسل چهارم، به زودی در سراسر جهان توسعه خواهد یافت. انتظار می‌رود که الگوی جدیدی از ارتباطات بیسیم، به نام سیستم نسل ششم (6G) با پشتیبانی کامل از هوش مصنوعی بین سال‌های ۲۰۲۷ و ۲۰۳۰ پیاده‌سازی شود. ماورای 5G، برخی از مسائل اساسی که باید مورد توجه قرار گیرد عبارتند از؛ ظرفیت سیستم بالاتر، نرخ داده بالاتر، تأخیر کمتر، امنیت بیشتر و بهبود کیفیت سرویس (QoS) در مقایسه با سیستم 5G. این گزارش چشم‌اندازی از ارتباطات بیسیم 6G آینده و معماری شبکه آن را ارائه می‌دهد. فناوری‌های نوظهور مانند هوش مصنوعی، ارتباطات تراهرتز، فناوری نوری بیسیم، شبکه نوری فضای آزاد، بلاکچین، شبکه سه بعدی، ارتباطات کوانتوم، هواپیماهای بدون سرنشین، ارتباطات بدون سلول، یکپارچگی اطلاعات بیسیم و انتقال انرژی، سنجش و ارتباطات یکپارچه، شبکه‌های دسترسی بک هال یکپارچه، برش شبکه پویا، شکل‌دهی پرتو هولوگرافی، ارتباطات پس‌پراکنده، سطح بازتاب هوشمند، ذخیره‌سازی پیش‌گیرانه و تحلیل داده‌های بزرگ را توصیف می‌کند که می‌تواند به توسعه معماری 6G در تضمین کیفیت سرویس کمک کند. علاوه بر این، کاربردهای مورد انتظار با الزامات ارتباطات 6G و فناوری‌های ممکن ارائه می‌شود. همچنین چالش‌های بالقوه و مسیرهای تحقیقی برای رسیدن به این هدف شرح داده می‌شود.

ضرورت بهبود سیستم‌های ارتباطی با توجه به افزایش حجم ترافیک تلفن همراه

توسعه سریع برنامه‌ها و کاربردهای در حال ظهور، مانند هوش مصنوعی (AI)، واقعیت مجازی (VR)، رسانه‌های سه‌بعدی (3D) و اینترنت هر چیز (IoE) منجر به حجم گسترده‌ای از ترافیک شده است. حجم ترافیک جهانی تلفن همراه، EB/month 7.462 در سال 2010 بود و این ترافیک در سال 2030 به 5016 EB/month پیش بینی شده است. این آمار، اهمیت بهبود سیستم‌های ارتباطی را نشان می‌دهد. ما به سمت جامعه‌ای از سیستم‌های مدیریت از راه دور کاملاً خودکار در حال حرکت هستیم. سیستم‌های خودمختار در همه زمینه‌های جامعه از جمله صنعت، بهداشت، جاده ها، اقیانوس‌ها و فضا محبوب هستند. در این راستا، میلیون‌ها سنسور در شهرها، وسایل نقلیه، خانه‌ها، صنایع، غذا، اسباب‌بازی‌ها و سایر محیط‌ها برای ایجاد یک زندگی هوشمند و سیستم‌های خودکار یکپارچه شده‌اند. از این رو، برای پشتیبانی از این برنامه‌ها به میزان بالایی از نرخ داده با اتصال قابل اعتماد نیاز داریم. در بخش‌های خاصی از جهان، شبکه‌های بیسیم نسل پنجم (5G) قبلاً توسعه داده شده است. انتظار می‌رود تا سال ۲۰۲۰ این سیستم 5G در سراسر جهان به طور کامل استفاده شود. شبکه‌های 5G ظرفیت ارائه یک شبکه کاملاً خودکار و هوشمند که هرچیزی را به عنوان سرویس و تجربه کاملاً همه‌جانبه ارائه بدهند، نخواهند داشت. اگرچه سیستم‌های ارتباطات 5G پیشرفت‌های چشمگیری نسبت به سیستم‌های موجود ارائه خواهند داد، اما آنها قادر به تحقق تقاضاهای سیستم‌های خودکار و هوشمند در حال ظهور آینده پس از ده سال نخواهند بود. شبکه 5G ویژگی‌های جدید را ارائه می‌دهد و کیفیت سرویس بهتری در مقایسه با ارتباطات نسل چهارم (4G) ارائه می‌دهد. فناوری 5G شامل چندین تکنیک اضافی جدید از جمله باندهای فرکانسی جدید (به عنوان مثال، موج میلیمتری (mmWave) و طیف نوری)، استفاده و مدیریت طیف پیشرفته و یکپارچه‌سازی باندهای مجاز و غیرمجاز می‌باشد. با این وجود، رشد سریع سیستم‌های داده محور و خودکار ممکن است از توانایی شبکه‌های بیسیم 5G فراتر رود. ارتباطات 5G به طور قابل توجهی ویژگی‌های همگرایی ارتباطات، هوش، سنجش، کنترل و محاسبه را نادیده می‌گیرد. با این حال، کاربردهای آینده IoE این همگرایی را ضروری خواهد کرد. دستگاه‌های خاص مانند دستگاه‌های VR، به فراتر از 5G (B5G) نیاز دارند زیرا آنها به حداقل نرخ‌های داده 10 گیگابیت بر ثانیه نیاز دارند. از این رو، با محدودیت‌های حاصل شده از 5G در سال ۲۰۳۰، اهداف طراحی برای گام بعدی آن، در ادبیات مورد بررسی قرار گرفته است. موارد جدیدی که ممکن است به سیستم نسل ششم (6G) نیاز داشته باشند عبارت‌اند از:

 ۱) ارتباط‌های ماشین-انسان عظیم،

 2) محاسبه فراگیر در میان دستگاه‌های محلی و ابر،

 ۳) ادغام داده‌های چند حسگری برای ایجاد نقشه‌ها و تجربه‌های مختلف واقعیت ترکیبی،

 ۴) دقت در سنجش و تحریک برای کنترل جهان فیزیکی.

برای رسیدن به هدف 6G و غلبه بر محدودیت‌های 5G به منظور پشتیبانی چالش‌های جدید، سیستم‌های بیسیم B5G با ویژگی‌های جدید جذاب باید توسعه داده شود. شبکه‌های ارتباطات 6G، کند بودن سیستم 5G را با معرفی سنتز جدید سرویس‌های آینده مانند هوش سنجش محیط و تعامل جدید انسان با انسان و انسان با ماشین، معرفی فراگیر AI و تلفیق فناوری‌های جدید مانند تراهرتز (THz)، شبکه‌های سه‌بعدی (3D)، ارتباطات کوانتومی، شکل‌دهی پرتوی هولوگرافیک، ارتباطات پس پراکنده، سطح بازتاب هوشمند (IRS) و ذخیره‌سازی پیش‌گیرانه تکمیل می‌کند. محرک‌های اصلی 6G، همگرایی تمام ویژگی‌های قبلی مانند تراکم شبکه، توان عملیاتی بالا، قابلیت اطمینان بالا، مصرف انرژی کم و اتصال عظیم خواهد بود. همچنین سیستم 6G روند نسل‌های قبلی که شامل خدمات جدید با اضافه کردن فناوری‌های جدید می‌باشد را ادامه می‌دهد. خدمات جدید شامل AI، پوشیدنی‌های هوشمند، کاشت، وسایل نقلیه خودمختار، دستگاه‌های واقعیت محاسباتی، سنجش و نگاشت سه‌بعدی می‌باشد. مهمترین نیاز برای شبکه‌های بیسیم 6G توانایی مدیریت حجم زیادی از داده‌ها و اتصال با سرعت بالا در هر دستگاه می‌باشد. الگوی 5G در 6G بیشتر توسعه و گسترش می‌یابد. با این حال، سیستم 6G عملکرد را افزایش می‌دهد و کیفیت سرویس کاربر را چندین برابر بیشتر از 5G با برخی از ویژگی‌های هیجان‌انگیز افزایش می‌دهد. این می‌تواند از سیستم محافظت کند، داده‌های کاربر را ایمن کند و خدمات راحت را فراهم کند. پیش‌بینی می‌شود سیستم ارتباطات 6G یک مرکز ارتباطی جهانی باشد. پیش‌بینی شده است که نرخ بیت هر کاربر در 6G در بسیاری موارد تقریباً 1 ترابیت بر ثانیه خواهد بود. انتظار می‌رود سیستم 6G اتصال بیسیم همزمان که 1000 برابر بیشتر از 5G می باشد را ارائه دهد.

علاوه بر این، ارتباطات فوق‌العاده بُرد بلند با کمتر از 1 میلی‌ثانیه تأخیر نیز انتظار می‌رود. مهیج‌ترین ویژگی 6G، شامل هوش مصنوعی کاملاً حمایت شده برای تحریک سیستم‌های خودمختار می‌باشد. ترافیک نوع ویدئویی احتمالاً در میان سیستم‌های مختلف ترافیک داده در ارتباطات 6G غالب است. مهم‌ترین فناوری‌هایی که نیروی محرکی برای 6G می‌باشند، عبارتند از؛ باند تراهرتز، هوش مصنوعی، ارتباطات بی‌سیم نوری^[1] (OWC)، شبکه سه‌بعدی، وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین^[2] (UAV)، IRS و انتقال توان بی‌سیم. این گزارش سعی دارد نمای کلی از سیستم ارتباطات 6G آینده را با در نظر گرفتن روندهای فعلی و تلاش محققان در سراسر جهان ارائه دهد. در شکل 1 معماری 6G را نمایش میدهد.

شکل 1: معماری 6G

با این حال، ما مروری بر فناوری‌ها، موارد استفاده، الزامات و موضوعات چالش برانگیز را در این گزارش ارائه می‌دهیم. اگرچه این گزارش برای شناسایی جزئیات 6G در طول چارچوب زمانی اخیر کاملاً مناسب است اما معتقدیم که این مسیر درستی برای محققان آینده خواهد بود.

روندهای ارتباطات تلفن همراه

از آغاز اولین سیستم ارتباطی آنالوگ در دهه 1980، تقریباً هر ده سال یک بار نسل جدیدی از سیستم‌های ارتباطات معرفی شده است. انتقال از یک نسل به نسل بعدی باعث بهبود متریک‌های کیفیت سرویس از جمله خدمات جدید و ارائه ویژگی‌های جدید شده است. هدف B5G و 6G افزایش توانایی نسبی با فاکتور 10 تا 100 در مقایسه با ارتقاء‌های نسل قبلی تلفن همراه می‌باشد. در طول ده سال گذشته، ترافیک داده تلفن همراه به دلیل معرفی دستگاه‌های هوشمند و ارتباطات ماشین به ماشین^[3] (M2M) رشد فوق‌العاده‌ای کرده است. شکل 2 رشد نمایی اتصال تلفن همراه را نشان می‌دهد. انتظار می‌رود که حجم ترافیک تلفن همراه جهانی در سال 2030 در مقایسه با ترافیک تلفن همراه در سال 2010، 670 برابر افزایش یابد. با پایان سال 2030، اتحادیه بین‌المللی مخابرات^[4] (ITU) پیش‌بینی می‌کند که ترافیک داده تلفن همراه بیش از 5ZB در هر ماه خواهد بود. تعداد اشتراک‌های تلفن همراه به 17.1 میلیارد در مقایسه با 5.32 میلیارد در سال 2010 خواهد رسید. علاوه بر این، استفاده از اتصال M2M نیز به صورت نمایی افزایش خواهد یافت. حجم ترافیک برای هر دستگاه تلفن همراه نیز افزایش خواهد یافت. حجم ترافیک دستگاه تلفن همراه در سال 2010، 5.3 گیگابیت در هر ماه بود. با این حال، این حجم در سال 2030، 50 برابر رشد خواهد کرد. تعداد اشتراک‌های M2M در سال 2020، 33 برابر و در سال 2030، 455 برابر در مقایسه با سال 2010 افزایش خواهد یافت. جدول 2 چند مقایسه از استفاده اتصال تلفن همراه در سال‌های 2010، 2020 و 2030 ارائه می‌دهد.

اخیراً، علایق تحقیق به روش‌های هوشمند و تطبیقی داده محور تغییر یافته است. شبکه‌های بیسیم 5G، پایه و اساس شبکه‌های هوشمند که عملیات هوش مصنوعی را فراهم می‌کند، می‌باشند. تخمین زده می‌شود که تا سال 2030، ظرفیت 5G به حد خود خواهد رسید. آن‌گاه، تطبیق و مدیریت شبکه کاملاً هوشمند برای ارائه سرویس‌های پیشرفته فقط با استفاده از شبکه‌های 6G تحقق می‌یابد.

از این رو، ارتباطات بی‌سیم 6G حاصل رشد نیازهای کاربر بیش از آنچه که شبکه 5G می‌تواند ارائه دهد می‌باشد. محققان در سراسر جهان در حال مطالعه ارتباطات 6G مانند سال 2030 می‌باشند. آنها همچنین در حال بررسی محرک‌های احتمالی برای موفقیت ارتباطات بیسیم 6G می‌باشند. تعدادی از روندهای انگیزشی مهم در پشت تکامل سیستم‌های ارتباطات 6G به شرح زیر است؛ نرخ بیت بالا، قابلت اطمینان بالا، تأخیر کم، بازده انرژی بالا، بازده طیفی بالا، طیف‌های جدید، ارتباطات سبز، شبکه‌های هوشمند، دسترس‌پذیری شبکه، همگرایی ارتباطات، محلی‌سازی، محاسبات، کنترل و سنجش. بنابراین، 6G دنیایی از اتصالات کاملاً دیجیتال خواهد بود.

شکل 2: رشد پیش‌بینی شده اتصال جهانی تلفن همراه در طی سال‌های 2020 تا 2030. a) حجم ترافیک جهانی کل، b) حجم ترافیک به ازای هر مشترک

جدول 1: روندهای جهانی اتصال بی‌سیم

نتیجه‌گیری

هر نسل از سیستم ارتباطی ویژگی های جدید و مهیجی را به همراه دارد. سیستم ارتباطی 5G که به‌طور رسمی در سراسر جهان در سال 2020 راه اندازی می‌شود دارای ویژگی‌های چشمگیری می باشد. با این حال، 5G قادر به پشتیبانی کامل از رشد تقاضا برای ارتباطات بی‌سیم در سال 2030 نخواهد بود. بنابراین، 6G باید راه‌اندازی شود. تحقیق در مورد 6G هنوز در مراحل ابتدایی و مرحله مطالعاتی می‌باشد.

منابع

[1] S. Mumtaz et al., “Terahertz communication for vehicular networks,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 66, no. 7, pp. 5617–5625, Jul. 2017.

[2] S. J. Nawaz, S. K. Sharma, S. Wyne, M. N. Patwary, and M. Asaduzzaman, “Quantum machine learning for 6G communication networks: State-of-the-art and vision for the future,” IEEE Access, vol. 7, pp. 46317–46350, 2019.

[3] M. Giordani, M. Polese, M. Mezzavilla, S. Rangan, and M. Zorzi, “Toward 6G networks: Use cases and technologies,” IEEE Commun. Mag., vol. 58, no. 3, pp. 55–61, Mar. 2020.

[4] M. Shafi et al., “5G: A tutorial overview of standards, trials, challenges, deployment, and practice,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 35, no. 6, pp. 1201–1221, Jun. 2017.

[5] H. Viswanathan and P. E. Mogensen, “Communications in the 6G era,” IEEE Access, vol. 8, pp. 57063–57074, 2020.

---

پی‌نوشت

[1] Optical Wireless Communication

[2] Unmanned Aerial Vehicle

[3] Machine-To-Machine

[4] International Telecommunication Union