پیش به سوی نسل آینده‌ تکنولوژی

تفاوت‌های سیستم‌های ارتباطات سیار 6G و 5G

فناوری‌های 5G با سبک و سنگین کردن چندین موضوع مانند توان عملیاتی، تأخیر، بازدهی انرژی، هزینه‌های توسعه، قابلیت اطمینان و پیچیدگی سخت‌افزاری مرتبط است. احتمالاً 5G قادر به تأمین تقاضاهای بازار پس از سال 2030 نخواهد بود. آنگاه، 6G شکاف بین 5G و تقاضای بازار را پر خواهد کرد. بر اساس روندهای قبلی و پیش‌بینی نیازهای آینده، اهداف اصلی برای سیستم‌های 6G به شرح زیر است:

 1) نرخ‌های داده بسیار بالا به ازای هر دستگاه

 2) تعداد بسیار زیاد دستگاه‌های متصل

 3) اتصال جهانی

 4) تأخیر بسیار کم

 5) کاهش مصرف انرژی با دستگاه‌های اینترنت اشیاء بدون باتری

 6) اتصال فوق‌العاده قابل اطمینان

 7) هوش مرتبط با قابلیت یادگیری ماشین

جدول 1، مقایسه 6G با سیستم‌های ارتباطات 4G و 5G را نشان می‌دهد. پیش‌بینی می‌شود که 6G به محرک‌های جدید شاخص کلیدی عملکرد^[1] (KPI) علاوه بر KPI های سیستم‌های ارتباطات 5G نیاز دارد. بسیاری از KPI های سیستم 5G نیز برای 6G معتبر خواهد بود. با این حال، KPI های 5G باید بررسی شوند و KPI های جدیدی برای 6G در نظر گرفته شود. چندین مدل KPI وجود دارد که اخیراً برای تعریف 6G ناقص است و انتظار می‌رود که با تحقیقات آینده نهایی و تکمیل شود. سیستم‌های ارتباطات 5GB در بیشتر حوزه‌های فناوری یک بار دیگر برای افزایش قابلیت نسبی با فاکتور 10 تا 100 در مقایسه با سیستم‌های ارتباطات نسل قبلی مورد هدف قرار می‌گیرد. برخی محققان از دانشگاه و صنعت، KPI هایی را برای ارتباطات 6G مورد هدف قرار می‌دهند که به شرح زیر است:

• حداکثر سرعت داده 1 ترابیت بر ثانیه،
• تأخیر رادیویی 0.1 میلی ثانیه،
• عمر باتری 20 سال، اتصال دستگاه از 100/m³،
• افزایش ترافیک 1000 برابر، بازدهی انرژی 10 برابر،
• قطعی حداکثر 1 از 1 میلیون،
• دقت داخلی 10 سانتی‌متر و خارجی 1 متر در موقعیت‌یابی.

جدول 1: مقایسه 6G با سیستم‌های ارتباطات 4G و 5G

 KPI های اولیه 6G را می‌توان به طور کلی به دو دسته طبقه‌بندی کرد:

 1) فناوری و KPIهای بهره‌وری‌محور

 2) KPIهای جامعه‌محور و پایدار.

دسته اول شامل KPI هایی برای چندین پارامتر مانند جیتر، بودجه لینک، پوشش / دامنه گسترده، نگاشت سه‌بعدی، تلفن همراه پهن باند، دقت موقعیت‌یابی، هزینه و صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌باشد. دسته دوم شامل KPIهایی برای مواردی مانند استانداردسازی، حریم خصوصی/ امنیت/ اعتماد، هرچیز منبع باز، اصول رفتاری، هوش و موارد استفاده جهانی می‌باشد. KPI های مرتبط با ظرفیت، بازدهی طیفی، بازدهی انرژی، نرخ داده، تأخیر و اتصال از نیازهای اساسی تمام سیستم‌های ارتباطات سنتی می‌باشد. با این حال، KPI هایی مربوط به امنیت و هوش به تازگی برای 6G طراحی شده است. تمام KPI های بالقوه نسبت به سیستم‌های 6G همراه با تکامل سیستم‌های 5G بدست خواهد آمد.

الزامات خدمات

انتظار می‌رود سیستم‌های ارتباطات 6G از ویژگی‌های مرتبط با انواع سرویس‌های مرتبط با KPI زیر برخوردار باشد:

• پهنای باند فوق‌العاده تلفن همراه در همه جا^[2] (uMUB)
• سرعت فوق‌العاده بالا با ارتباطات با تأخیر کم^[3] (uHSLLC)
• ارتباطات نوع ماشین عظیم^[4] (mMTC)
• چگالی داده فوق‌العاده بالا^[5] (uHDD)

عوامل کلیدی زیر، سیستم ارتباطات 6G را مشخص می‌کند؛

• ارتباطات تلفیقی هوش مصنوعی
• اینترنت لمسی
• بازدهی انرژی بالا
• ازدحام کم شبکه دسترسی و بک‌هال
• امنیت داده پیشرفته

تخمین زده می‌شود که سیستم 6G بی‌سیم به طور همزمان ظرفیتی بالاتر از هزار برابری نسبت به سیستم 5G داشته باشد. در مقایسه با پهن باند تلفن همراه ارتقاء یافته^[6] (eMBB) در 5G، انتظار می‌رود که 6G شامل خدمات در همه‌جا باشد، یعنی uMUB. ارتباطات با تأخیر پایین فوق‌العاده قابل اعتماد که یک ویژگی کلیدی 5G می‌باشد، یک محرک اصلی در ارتباطات 6G می‌باشد که uHSLLC را با اضافه کردن ویژگی‌هایی مانند تأخیر E2E کمتر از 1 میلی‌ثانیه، بیش از 99.99999 درصد قابلیت اطمینان و حداکثر نرخ داده 1 ترابیت بر ثانیه فراهم می‌کند. دستگاه‌های متصل انبوه (حدود 10 میلیون بر کیلومتر مربع) در سیستم ارتباطات 6G فراهم می‌شود. انتظار می‌رود که 6G هدف خود را پوشش گیگابیت بر ثانیه در همه جا با پوشش محیط‌های جدید مانند آسمان (10000 کیلومتر) و دریا (20 مایل دریایی) قرار دهد. بازدهی طیفی حجم در مقایسه با بازدهی طیفی منطقه‌ای که اغلب استفاده می‌شود، در 6G بسیار بهتر خواهد بود. سیستم 6G عمر باتری فوق‌العاده طولانی و فناوری باتری پیشرفته‌ای برای برداشت انرژی فراهم می‌کند. در سیستم‌های 6G، دستگاه‌های تلفن همراه نیازی به شارژ (بار) جداگانه ندارند.

ویژگی‌های جدید شبکه

شبکه یکپارچه ماهواره‌ای: ارتباطات ماهواره‌ای یک ضرورت برای ایجاد اتصال فراگیر می‌باشد. این تقریباً می‌تواند شرایط جغرافیایی محدود نشده باشد و می‌تواند از پوشش جهانی یکپارچه مکان‌های مختلف جغرافیایی مانند زمین، دریا، هوا و آسمان برای خدمت به اتصال فراگیر کاربر پشتیبانی کند.

هوش متصل: برخلاف نسل قبلی سیستم‌های ارتباطات بیسیم، 6G تحول آفرین خواهد بود و ارتقای بیسیم از «اشیاء متصل» به «هوش متصل» را به‌روزرسانی می‌کند. هوش مصنوعی در هر مرحله از فرایند ارتباطات و همچنین مدیریت منابع رادیویی معرفی خواهد شد. معرفی فراگیر هوش مصنوعی، یک الگوی جدید از سیستم‌های ارتباطی تولید خواهد کرد. در مقایسه با 5G، سیستم هوش مصنوعی کامل باید برای سناریوهای شبکه پیچیده فوق‌العاده متراکم مورد نیاز باشد و دستگاه‌های ارتباطی هوشمند را برای دستیابی و انجام فرایند تخصیص منابع مجاز کند.

ادغام یکپارچه اطلاعات بیسیم و انتقال انرژی؛ شبکه‌های بیسیم 6G نیز برق را برای شارژ دستگاه‌های باتری مانند تلفن‌های هوشمند و سنسورها انتقال می‌دهند. از این رو، اطلاعات بیسیم و انتقال انرژی^[7] (WIET) یکپارچه خواهد شد. اتصال سوپر سه‌بعدی فراگیر؛ دسترسی به شبکه و ویژگی‌های اصلی شبکه در هواپیماهای بدون سرنشین و ماهواره‌های مدار بسیار نزدیک زمین، یک اتصال سوپر سه‌بعدی در 6G جهانی ایجاد می‌کند.

چند شرط عمومی در مشخصات شبکه

شبکه‌های سلولی کوچک؛ ایده شبکه‌های سلولی کوچک برای بهبود کیفیت سیگنال دریافتی به عنوان اثر توان عملیاتی، بازدهی انرژی و افزایش بازدهی طیفی در سیستم‌های سلولی معرفی شده است. در نتیجه، شبکه‌های سلولی کوچک یک ویژگی اساسی برای سیستم‌های ارتباطی 5G و فراتر از 5G (5GB) می‌باشد. بنابراین، سیستم‌های ارتباطات 6G نیز این ویژگی شبکه را اتخاذ می‌کنند.

شبکه‌های ناهمگن فوق‌العاده متراکم؛ شبکه‌های ناهمگن فوق‌العاده متراکم، یکی دیگر از ویژگی‌های حیاتی سیستم‌های ارتباطی 6G می‌باشد. شبکه‌های چند لایه متشکل از شبکه‌های ناهمگن، QoS کلی را بهبود می‌بخشند و هزینه را کاهش می‌دهند.

بک‌هال با ظرفیت بالا؛ اتصال بک‌هال باید توسط شبکه‌‌های بک‌‌هال ظرفیت بالا به منظور پشتیبانی از حجم قابل توجهی ترافیک داده 6G مشخص شود. فیبر نوری سرعت بالا و سیستم‌های نوری فضای آزاد^[8] (FSO) راه‌حل‌های احتمالی برای این مسئله می‌باشند.

یکپارچگی فناوری رادار با فناوری‌های تلفن همراه؛ محلی‌سازی دقت بالا با ارتباطات نیز یکی از ویژگی‌های سیستم ارتباطات بیسیم 6G می‌باشد. از این رو، سیستم‌های رادار با شبکه‌های 6G یکپارچه می‌شوند.

نرم‌افزاری‌سازی و مجازی‌سازی؛ نرم‌افزاری‌سازی و مجازی‌سازی دو ویژگی مهم می‌باشند که پایه و اساس فرایند طراحی در شبکه‌های 5GB برای اطمینان از انعطاف‌پذیری، قابلیت پیکربندی مجدد و قابلیت برنامه‌ریزی می‌باشند. علاوه بر این، آنها به میلیاردها دستگاه اجازه می‌دهند که روی زیرساخت فیزیکی مشترک به اشتراک گذاشته شوند.

چشم‌اندازها و کاربردها

هوش مصنوعی کامل در سیستم‌های ارتباطات 6G یکپارچه خواهد شد. تمام ابزار شبکه، مدیریت، پردازش سیگنال لایه فیزیکی، مدیریت منابع، ارتباطات مبتنی بر خدمات و غیره با استفاده از هوش مصنوعی یکپارچه می‌شوند. این نسل، انقلاب صنعتی چهارم می‌باشد که تحول دیجیتال ‌تولید صنعتی می‌باشد. شکل 1 سناریوی معماری ارتباطات پیش‌بینی سیستم‌های ارتباطات 6G را نشان می‌دهد. کاربردهای 6G می‌تواند تحت سرویس‌های uMUB ،uHLSLLC ،mMTC و uHDD مشخص شود. برخی از چشم‌اندازها و کاربردهای ارتباطات بیسیم 6G به طور خلاصه در زیر شرح داده شده است.

شکل1: سناریوهای احتمالی معماری ارتباطات 6G

جامعه سوپر هوشمند؛ ویژگی‌های برتر 6G ایجاد جوامع هوشمند را تسریع می‌بخشد و منجر به بهبودهای کیفیت زندگی، نظارت محیطی و اتوماسیون با استفاده از ارتباطات M2M مبتنی بر هوش مصنوعی و برداشت انرژی می‌شود. این کاربرد می‌تواند تحت تمام سرویس‌های uMUB، uHLSLLC، mMTC، و uHDD مشخص شود. اتصال بیسیم 6G جامعه ما را از طریق استفاده از دستگاه های تلفن همراه هوشمند، وسایل نقلیه خودمختار، و غیره بسیار هوشمند خواهد کرد. علاوه بر این، بسیاری از شهرهای جهان بر اساس فناوری بیسیم 6G، تاکسی های پرنده را توسعه خواهند داد. خانه های هوشمند به واقعیت تبدیل می شوندزیرا هر دستگاهی در یک مکان دور می تواند با استفاده از فرمان داده شده از یک دستگاه هوشمند کنترل شود.

واقعیت تعمیم‌یافته: سرویس های واقعیت تعمیم یافته (که از این پس به صورت XR بیان می‌شود) از جمله واقعیت افزوده^[9] (AR)، واقعیت ترکیبی^[10] (MR) و VR از ویژگی های اساسی سیستم های ارتباطات 6G می باشند. تمام این ویژگی ها از اشیاء سه بعدی و هوش مصنوعی به عنوان عناصر مهم محرک استفاده می کنند. علاوه بر فراهم کردن الزامات ادراکی محاسبات، شناخت، ذخیره سازی، درک های انسانی و فیزیولوژی، 6G تجربه واقعا همه جانبه AR/MR/VR را با تلفیق طراحی یکپارچه و کیفیت بالای اتصال بیسیم 6G فراهم می کند. ویژگی های پیشرفته دستگاه های پوشیدنی مانند دستگاه های XR، تصاویر و هولوگرام های کیفیت بالا و پنج حس ارتباطی، فرصت انجام ارتباطات اشیاء و انسان با انسان را تسریع می بخشد. خدمات سرمایه گذاری و سرگرمی نوآورانه مانند بازی، تماشا و ورزش ها بدون محدودیت زمانی و مکانی ارائه می‌شود. VR یک تجربه سه بعدی شبیه سازی شده رایانه ای است که در آن فناوری های رایانه ای از هدست های واقعی برای ایجاد احساسات واقعی و تکرار محیط واقعی یا ایجاد جهان خیالی استفاده می کنند. محیط واقعی VR هر پنج حس را درگیر می کند. AR نمایی زنده از جهان فیزیکی واقعی است که عناصر آن توسط ورودی های سنسورهای مختلف تولید شده توسط رایانه مانند داده های صوتی، تصویری و سیستم موقعیت یابی جهانی^[11] (GPS) تقویت می‌شود. MR جهان واقعی و مجازی را برای ایجاد تجسم ها و جو های جدید برای تعامل در زمان واقعی ادغام می کند. همچنین گاهی از آن به عنوان واقعیت هیبریدی (ترکیبی) نام برده می‌شود. یک ویژگی مهم MR این است که محتوای دنیای واقعی و مصنوعی بتوانند در زمان واقعی به یکدیگر پاسخ بدهند. XR به تمام محیط های ترکیبی واقعی و مجازی و تعاملات انسان و ماشین که توسط فناوری رایانه ای و پوشیدنی تولید می‌شود اشاره کند. و شامل تمام اشکال توصیفی آن از جمله AR، VR و MR می باشد. همه AR، VR و MR با هم تحت یک اصطلاح  نام برده می شوند.  نرخ داده بالا، تاخیر کم و اتصال بیسیم بسیار قابل اعتماد فراهم شده در سیستم 6G برای تجربه واقعی XR (یعنی AR، VR و MR) بسیار مهم است. سرویس uHLSLLC در 6G، امکان توسعه کاربردهای XR در آینده را با موفقیت فراهم می کند.

نتیجه‌گیری

تحقیق در مورد 6G هنوز در مراحل ابتدایی و مرحله مطالعاتی می باشد. این گزارش چشم اندازها و روش های رسیدن به هدف ارتباطات 6G را ارائه داد. در اینجا، کاربردهای احتمالی و فناوری هایی که برای ارتباطات 6G توسعه داده می‌شود ارائه شد. همچنین چالش های احتمالی و مسیرهای تحقیقاتی برای رسیدن به اهداف 6G را شرح دادیم. علاوه بر روشن کردن چشم انداز و هدف ارتباطات 6G، انواع مختلفی از فناوری هایی که می توانند برای ارتباطات 6G استفاده شوند را بیان کردیم.

منابع

[1] W. Saad, M. Bennis, and M. Chen, “A vision of 6G wireless systems: Applications, trends, technologies, and open research problems,” IEEE Netw., vol. 34, no. 3, pp. 134–142, May/Jun. 2020.

[2] K. Chen et al., “Ultra-Low Latency Mobile Networking,” IEEE Network, vol. 33, Mar. 2018, pp. 181–87.

[3] K. David and H. Berndt, “6G Vision and Requirements: Is There Any Need for Beyond 5G?,” IEEE Veh. Technol. Mag., vol. 13, Sept. 2018, pp. 72–80.

[4] T. S. Rappaport et al., “Wireless Communications and Applications above 100 GHz: Opportunities and Challenges for 6G and Beyond,” IEEE Access, vol. 7, July 2019, pp. 78729–57.

[5] O. Esrafilian, R. Gangula, and D. Gesbert, “Learning to Communicate in UAV-Aided Wireless Networks: Map-Based Approaches,” IEEE Internet Things J., vol. 6, Apr. 2019, pp. 1791–1802.

[6] N. Kato et al., “Optimizing Space-Air-Ground Integrated Networks by Artificial Intelligence,” IEEE Wireless Commun., Jan. 2019, pp. 1–8.

[7] N. C. Luong et al., “Applications of Deep Reinforcement Learning in Communications and Networking: A Survey,” IEEE Commun. Surveys Tuts., May 2019.

[8] X. Yu, J. Zhang, and K. B. Letaief, “A Hardware-Efficient Analog Network Structure for Hybrid Precoding in Millimeter Wave Systems,” IEEE J. Sel. Topics Signal Process., vol. 12, May 2018, pp. 282–97.

---

پی‌نوشت

[1] Key Performance Indicator

[2] Ubiquitous Mobile Ultra-Broadband

[3] Ultra-High-Speed with Low-Latency Communication

[4] Massive Machine-Type Communication

[5] Ultra-High Data Density

[6] Enhanced Mobile Broadband

[7] Wireless Information And Energy Transfer

[8] Free-Space Optical

[9] augmented reality

[10] Mixed reality

[11] global positioning system