نظرة عامة على البحث والتطوير العالمي لتقنية الجيل السادس (6G)

01نظرة عامة

تطورت تكنولوجيا الاتصالات المتنقلة إلى الجيل الخامس (5G). وعلى مدار تاريخها، حققت تقنيتا الجيل الثاني والثالث (2G/3G) الاتصالات الأساسية، بينما حقق الجيل الرابع (4G)، الأكثر انتشارًا، نقلًا هائلًا للبيانات بفضل انتشار الأجهزة الذكية، وغير أنماط حياة المستخدمين. وقد حظي الجيل الخامس (5G) باهتمام كبير حتى قبل طرحه تجاريًا بشكل كامل. ولا يقتصر هدفه على تحسين تجربة المستخدمين التقليديين فحسب، بل يتعداه إلى دمج الاتصالات المتنقلة مع القطاعات الصناعية المختلفة لتوسيع نطاق أعمال الاتصالات المتنقلة بشكل كبير. ورغم أن الجيل الخامس (5G) لا يزال في مراحله الأولى من الانتشار عالميًا، وأن التعاون مع القطاعات الصناعية المختلفة بدأ للتو، فإنه سيساهم بلا شك في ازدهار سوق الاتصالات المتنقلة وتسريع عملية التحول الرقمي في مختلف القطاعات، بل وفي المجتمع ككل، مع استمرار نضوج خدماته.

على الرغم من التحسن الكبير الذي طرأ على مؤشرات وقدرات نظام الجيل الخامس، وتنوع سيناريوهات التطبيق بشكل متزايد، إلا أن هناك بعض القيود. ومع التطلع إلى المستقبل، لا تزال هناك قوى دافعة هائلة تُسهم في التطور المستمر لشبكات الاتصالات المتنقلة. فمن جهة، تُحفز هذه القوى التقنيات الناشئة، مثل الذكاء الاصطناعي، وتقنية سلسلة الكتل (البلوك تشين)، والحوسبة السحابية، وغيرها من تقنيات المعلومات والاتصالات، بالإضافة إلى المواد الجديدة، والهوائيات، وغيرها من العمليات. ومن جهة أخرى، ونظرًا للتطور المستمر في الطلب، ومع تطور الأجهزة الطرفية المتنوعة، وارتفاع مستويات الرقمنة في مختلف القطاعات، ظهرت خدمات مثل التصوير المجسم، والواقع الممتد الغامر، والإنترنت اللمسي، والمصانع الذكية، والتي لا تتطلب فقط تحسينات في مؤشرات الأداء التقليدية كالسرعة، والتأخير، وعدد الاتصالات، والتغطية، بل تُضيف أيضًا أبعادًا جديدة للطلب على الإدراك، وتحديد المواقع، والأمان. ولذلك، يجري البحث تدريجيًا في رؤية واحتياجات وتقنيات الجيل القادم من الاتصالات المتنقلة. ونظرًا للتغيرات الهائلة والقيمة الاقتصادية المضافة التي يُقدمها الجيل الخامس للمجتمع، تُولي الدول التنافسية وسلاسل التوريد الصناعية حول العالم أهمية بالغة لتقنية الاتصالات المتنقلة. لم تقتصر الجهود على منظمات المعايير الرئيسية فحسب، بل بدأت الأوساط الأكاديمية وحتى العديد من المؤسسات والصناعات الوطنية ذات الصلة في إجراء البحوث التمهيدية، بهدف الحصول على نظام تقني ناضج في السنوات العشر القادمة، أي عام 2030، وذلك من أجل امتلاك نظام تقني ناضج يلبي احتياجات الأعمال الجديدة مع تحسين القدرة التنافسية الخاصة بها.

يركز هذا المقال على الجيل القادم من الاتصالات المتنقلة، وتحديداً نظام 6G، حيث يستعرض خلفية البحث والتقدم ذي الصلة لدى منظمات المعايير العالمية الرئيسية، والمنظمات الإقليمية والوطنية، ومؤسسات البحث الجامعية، ويحلل اتجاهات التكنولوجيا الحالية المحتملة في الجانب اللاسلكي وجانب الشبكة والمزايا التقنية التي توفرها، ويلخص في النهاية التقدم المحرز في 6G ويطرح أفكاراً حول رؤية 6G واتجاه التطوير العام.

02الوضع العالمي لأبحاث الجيل السادس

2.1 المنظمات الدولية والإقليمية

2.1.1 الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU)

تلتزم المجموعة الدراسية الثالثة عشرة لقطاع توحيد معايير الاتصالات (ITU-T SG13)، التابعة للاتحاد الدولي للاتصالات، بأبحاث الشبكات المستقبلية، وقد أنشأت مجموعة التركيز على شبكة NET-2030 في يوليو 2018 لاستكشاف احتياجات خدمات الشبكة لعام 2030 وما بعده. تضم المجموعة ثلاث مجموعات فرعية، تشمل سيناريوهات التطبيقات ومتطلباتها، وخدمات الشبكة وتقنياتها، وهيكلية الشبكة وبنيتها التحتية. وقد أصدرت المجموعة ورقتين بحثيتين في عام 2019، تركزان على سيناريوهات التطبيقات وقدرات الخدمات الجديدة لشبكة 2030. واقترحت المجموعة مجموعة متنوعة من السيناريوهات الجديدة، مثل الإنترنت ثلاثي الأبعاد والإنترنت اللمسي، بالإضافة إلى الثغرات الحالية في الشبكة والخدمات التي تتطلب اهتمامًا أكبر في الشبكات المستقبلية.

بالإضافة إلى ذلك، أطلق فريق العمل المعني بالبعد الخامس لقطاع الاتصالات الراديوية (ITU-R WP5D) التابع للاتحاد الدولي للاتصالات، أعمالًا بحثية حول تقنية الجيل السادس (6G) لعام 2030 وما بعده، وذلك خلال اجتماع عُقد في جنيف، سويسرا، في فبراير 2020. وقد وضع الاجتماع جدولًا زمنيًا أوليًا لأبحاث الجيل السادس، يتضمن تقارير بحثية حول اتجاهات التكنولوجيا المستقبلية، ومقترحات لرؤية التكنولوجيا المستقبلية، وغيرها من عناصر التخطيط المهمة. وفي هذا الاجتماع، بدأ الاتحاد الدولي للاتصالات بكتابة "تقرير اتجاهات التكنولوجيا المستقبلية"، والمقرر إنجازه في يونيو 2022. ويصف التقرير اتجاه التطور التكنولوجي لأنظمة الاتصالات المتنقلة الدولية (IMT) بعد الجيل الخامس، بما في ذلك تكنولوجيا تطوير أنظمة الاتصالات المتنقلة الدولية، وتكنولوجيا الكفاءة الطيفية العالية، ونشرها. بالإضافة إلى ذلك، من المخطط أيضاً إطلاق "مقترح رؤية التكنولوجيا المستقبلية" في النصف الأول من عام 2021 وإكماله بحلول يونيو 2023. ويتضمن هذا المقترح الأهداف العامة لنظام الاتصالات المتنقلة الدولية (IMT) لعام 2030 وما بعده، مثل سيناريوهات التطبيق، والقدرات الرئيسية للنظام، وما إلى ذلك. في الوقت الحالي، لم يحدد الاتحاد الدولي للاتصالات بعد خطة تطوير معيار الجيل السادس (6G).

2.1.2 معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)

أطلق معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) أبحاثًا مستقبلية حول الشبكات بهدف "تحقيق الجيل الخامس وما بعده" في أغسطس 2018. وفي 25 مارس 2019، عُقدت أول قمة عالمية للجيل السادس اللاسلكي برعاية المعهد في فنلندا. وقد نشر العديد من المشاركين من قطاعي الصناعة والأوساط الأكاديمية أحدث الرؤى والابتكارات المتعلقة بالجيل السادس، وناقشوا التحديات النظرية والعملية التي يجب معالجتها لتحقيق رؤية الجيل السادس. غطت أوراق وتقارير المؤتمر العديد من التقنيات، مثل تصور سيناريوهات الجيل السادس، وموجات المليمتر والترددات تيراهيرتز، والاتصالات الذكية، والذكاء الاصطناعي على الحافة، والاتصالات اللاسلكية بين الآلات، وغيرها. كما عُقدت القمة الثانية للجيل السادس اللاسلكي عبر الإنترنت في عام 2020، وتضمنت كلمات رئيسية واجتماعات فنية وعروضًا توضيحية من قِبل ممثلين عن الصناعة ومشغلي الشبكات وباحثي المؤسسات البحثية والجهات المعنية. تُعد قمة الجيل السادس حدثًا تقنيًا عالميًا، يهدف إلى توضيح رؤية الجيل السادس واتجاه تطويره من خلال الجهود الجماعية لمختلف القطاعات.

2.1.3 مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP)

لا يزال الإصدار الحالي قيد التطوير من مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP)، وهو الإصدار R17، يُمثل تطورًا وتحسينًا لميزات الجيل الخامس (5G)، إلا أن مجموعة الطلب SA1 قد بدأت مشاريع ذات صلة بخدمات مستقبلية، تشمل الشبكات الذكية والاتصالات اللمسية، مما يُرجح أن يُسهّل الانتقال السلس إلى الجيل التالي من أنظمة الاتصالات المتنقلة. ووفقًا للتقدم والخطط الحالية، من المرجح أن يبدأ مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP) العمل على رؤية وتقنية ومتطلبات الجيل السادس (6G) في الإصدار R19 (2023)، وأن يبدأ العمل على توحيد معايير الجيل السادس (6G) في الإصدار R21 أو في مراحل لاحقة.

2.1.4 الرائد 6G

تأسست مبادرة الجيل السادس الرائدة، برعاية اتحاد فنلندي وبقيادة جامعة أولو، عام 2019، وهي ملتزمة بتوفير تقنية اتصالات موحدة مع "اتصالات لاسلكية شبه فورية وغير محدودة". في سبتمبر 2019، أصدرت المبادرة ورقة بحثية بعنوان "المحركات الرئيسية وتحديات البحث في مجال الذكاء اللاسلكي الشامل للجيل السادس"، والتي أجابت مبدئيًا على تساؤلات حول كيفية تأثير الجيل السادس على حياة الناس، وما هي خصائصه التقنية، وما هي الصعوبات التقنية التي يجب حلها. يتضمن المحتوى رؤية الجيل السادس، وقوته الدافعة، وتطبيقاته وخدماته. يركز اتجاه البحث اللاسلكي على الذكاء الاصطناعي، والوصول الجديد بدون ترخيص، وتشكيل الإشارة، والتعديل التناظري، والأسطح الذكية واسعة النطاق، وغيرها. كما تم تحليل التقدم المحرز والصعوبات التي تواجه تطوير الأجهزة اللاسلكية. أما اتجاه البحث الشبكي فيركز على بناء سلسلة الثقة.

2.2 المنظور والتخطيط الوطنيان

2.2.1 البصمة

أطلق الاتحاد الأوروبي في عام 2017 مشروعًا استشاريًا حول البحث والتطوير في مجال تكنولوجيا الاتصالات المتنقلة من الجيل السادس (6G)، بهدف تسويق هذه التكنولوجيا بحلول عام 2030. وفي الوقت نفسه، أطلق الاتحاد مشروعًا بحثيًا أساسيًا لتكنولوجيا 6G يمتد لثلاث سنوات. وتتمثل المهمة الرئيسية في دراسة تقنيات تصحيح الأخطاء الأمامية من الجيل التالي، وتقنيات ترميز القنوات المتقدمة، وتقنيات تعديل القنوات التي يمكن استخدامها في شبكات اتصالات 6G. كما سيطلق برنامج "هورايزون 2020" التابع للاتحاد الأوروبي مشروعًا بحثيًا حول "الشبكات والخدمات الذكية" في مجال 6G، وهو حاليًا في مرحلة العرض التوضيحي الأولي والبحث التمهيدي.بالإضافة إلى ذلك، يقوم الاتحاد الأوروبي بتمويل الجامعات ومؤسسات البحث بنشاط، بما في ذلك المركز الوطني للبحوث التقنية في فنلندا وجامعة أولو، مع التركيز على سيناريوهات التطبيق المستقبلية والاتجاهات التقنية مثل الترددات التيراهيرتزية، والوصول اللاسلكي عريض النطاق، والذكاء الطرفي، وبرامج الترميز.

2.2.2 美国

تولي الحكومة الأمريكية أهمية بالغة لتقنية الجيل السادس (6G)، وتواصل جهودها في مجالات الترددات التيراهيرتزية وتقنيات التكامل بين الفضاء الجوي والأرضي. في مارس 2019، أصدرت لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) قرارًا بتخصيص الطيف الترددي في نطاق الترددات التيراهيرتزية في الولايات المتحدة، من 95 جيجاهرتز إلى 3 تيراهيرتز. وتعتقد اللجنة أن تقنية الجيل السادس ستتجه نحو عصر الترددات التيراهيرتزية. ومع ازدياد كثافة الشبكة، تبرز ثلاث تقنيات رئيسية، تشمل تقنية المشاركة الديناميكية للطيف الترددي وتقنية التعدد المكاني القائمة على الترددات التيراهيرتزية وتقنية سلسلة الكتل (البلوك تشين)، كاتجاهات تكنولوجية جديدة. وتجري جامعة نيويورك وجامعة كاليفورنيا وجامعة فرجينيا للتكنولوجيا في الولايات المتحدة أبحاثًا تمهيدية في مجال الترددات التيراهيرتزية وغيرها من مجالات تقنية الجيل السادس. إضافةً إلى ذلك، أطلقت شركات مثل سبيس إكس وون ويب وأمازون وغيرها خططًا للإنترنت عبر الأقمار الصناعية كتقنيات تمكينية محتملة لتقنية الجيل السادس.

2.2.3 اليابانية

تعتزم الحكومة اليابانية وضع استراتيجية تطوير شاملة لتقنية الجيل السادس (6G) من خلال التعاون بين القطاعين العام والخاص. وقد أنشأت وزارة الاقتصاد والتجارة والصناعة صندوقًا بقيمة 220 مليار يوان لإنشاء مشروع وطني ذي أولوية قصوى وإطلاق أبحاث وتطوير تقنية الجيل السادس. ويرأس هذا الصندوق رئيس جامعة طوكيو، وتُقدم شركات تكنولوجية عملاقة مثل توشيبا الدعم التقني. وتتمتع اليابان حاليًا بميزة فريدة في مجال الترددات التيراهيرتزية، وتُصنف هذه التقنية في المرتبة الأولى ضمن "أهم عشرة أهداف استراتيجية للتقنيات الوطنية الأساسية". وقد عززت مجموعة NTT تطوير تقنيتين من تقنيات الجيل الخامس (B5G) والجيل السادس (6G)، وهما الترددات التيراهيرتزية والزخم الزاوي المداري. إضافةً إلى ذلك، ستستخدم اليابان أيضًا "أشباه الموصلات الضوئية" كتقنية لمعالجة المعلومات لدعم تقنية الجيل السادس. وأعلنت NTT أنها ستتعاون مع 65 شركة وتسعى جاهدةً لتحقيق الإنتاج الضخم لأشباه الموصلات الضوئية لتقنية الجيل السادس بحلول عام 2030.

2.2.4 韩国

South Korea's 6G research is mainly concentrated in enterprises and university research institutions, including Samsung, SK, LG Electronics, Korea Advanced Institute of Science and Technology, etc. Among them, LG Electronics has cooperated with Korea Advanced Institute of Science and Technology to establish a 6G research center; the Institute of Electronics and Telecommunications has signed a memorandum with the University of Oulu in Finland to develop 6G network technology. SK Telecom has signed agreements with Finland's Nokia and Sweden's Ericsson to strengthen cooperation in 6G network research and development. In June 2019, Samsung established an Advanced Communications Research Center and began research on 6G networks. In July 2020, Samsung released a 6G vision white paper "6G: The Next Hyper Connected Experience for All", which covers Samsung's 6G vision, evolution trends, application scenarios, indicator requirements, candidate technologies and expected standardization schedule.

2.2.5 الصينية

في نوفمبر 2019، عقدت وزارة العلوم والتكنولوجيا اجتماعًا افتتاحيًا لأعمال البحث والتطوير في مجال تقنية الجيل السادس (6G)، وأعلنت عن إنشاء فريق عمل وطني لتعزيز البحث والتطوير في هذا المجال، بالإضافة إلى فريق خبراء شامل. يتولى فريق العمل المعني بتعزيز تنفيذ أعمال البحث والتطوير في تقنية الجيل السادس، بينما يتولى فريق الخبراء الشامل مسؤولية اقتراح خطط البحث والتطوير، وتقديم العروض التوضيحية التقنية، وتقديم الاستشارات والتوصيات اللازمة لاتخاذ القرارات الرئيسية. كما أنشأت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات في عام 2019 فريقًا بحثيًا متخصصًا في تقنية الجيل السادس، والذي أعيدت تسميته لاحقًا إلى IMT-2030. وقد جمع هذا الفريق جهودًا من قطاع الصناعة والجامعات، وغطى مجالات الطلب، والتقنيات اللاسلكية، وشبكات الاتصالات، وعزز متطلبات الرؤية المستقبلية والبحث التكنولوجي، بهدف توضيح أفكار تعزيز تقنية الجيل السادس وتوجهاتها الرئيسية.

03اتجاهات البحث المحتملة

لا ينفصل البحث في مجال اتصالات الجيل القادم عن مناقشة التقنيات الجديدة وهياكل الشبكات الحديثة. يصنف هذا الفصل أولويات البحث الحالية لدى المنظمات والجامعات ومراكز الأبحاث الكبرى، ويقسمها إلى ثلاث فئات: الطيف الترددي الجديد، وتقنية الاتصال اللاسلكي الجديدة، وهيكل الشبكات وقدراتها. ويركز بشكل أساسي على الخصائص التقنية وضرورة أنظمة الجيل السادس الموجهة، ويوفر مرجعًا أساسيًا لأعمال بحثية لاحقة أكثر شمولًا ومنهجية.

3.1 طيف جديد
في المستقبل، ستتنوع أنواع الأعمال والمستخدمين بشكل أكبر، وسترتفع متطلبات أداء الشبكة باستمرار. في الوقت الحالي، استُنفدت موارد الترددات المنخفضة تدريجيًا، لذا سيصبح توسيع نطاق الترددات إلى نطاقات أعلى اتجاهًا بحثيًا رئيسيًا لتقنية الجيل السادس. تشمل نطاقات الترددات التيراهيرتزية والضوء المرئي حاليًا نطاقات التردد التي تحظى باهتمام متزايد من قطاع الاتصالات.

يشير مصطلح تيراهيرتز إلى نطاق الترددات من 100 جيجاهرتز إلى 10 تيراهيرتز، بطول موجي يتراوح بين 0.03 و3 مليمترات. وهو عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي يقع بين موجات الراديو وموجات الضوء. يتميز هذا الإشعاع بقدرته على نقل كميات كبيرة من المعلومات، وعرض نبضات دون البيكوثانية، وتماسك مكاني-زماني عالٍ، وطاقة فوتونية منخفضة، وقدرة اختراق قوية، وأمان عالٍ أثناء الاستخدام، وتوجيه جيد، وعرض نطاق ترددي عالٍ. يمكن تقسيم تطبيقات اتصالات تيراهيرتز إلى فئتين بناءً على مسافة التغطية. تشمل تطبيقات التغطية بعيدة المدى شبكات النقل الأمامية/الخلفية اللاسلكية ذات السعة الكبيرة، ومراكز البيانات اللاسلكية، والتطبيقات الفضائية، وغيرها. وتتراوح مسافة التغطية فيها من مئات الأمتار إلى الكيلومترات. أما تطبيقات التغطية قصيرة المدى فتشمل الاتصالات قصيرة المدى من نقطة إلى نقطة، واتصالات الرقائق الإلكترونية، ومراقبة الصحة، وإنترنت الأشياء النانوي، وغيرها، وتتراوح مسافة التغطية فيها من المليمترات إلى الأمتار. وتتمثل القضايا الرئيسية في أبحاث تيراهيرتز الحالية في تطوير الأجهزة الأساسية وتصميم واجهة هوائية مرنة وديناميكية.

يتراوح طيف نطاق الضوء المرئي بين 420 و780 تيراهيرتز، ويتراوح طول موجته بين 380 و780 نانومتر. ويمكن استخدامه دون ترخيص. تتميز تقنية الاتصالات الضوئية المرئية بمزايا الجمع بين الإضاءة والاتصالات، وانعدام التداخل الكهرومغناطيسي، فضلًا عن كونها صديقة للبيئة. لذا، تُعد هذه التقنية وسيلة مهمة لحل مشكلة التداخلات المنزلية، وتُعتبر خيارًا واعدًا لأنظمة الاتصالات المستقبلية. تشمل أبرز تطبيقاتها الوصول اللاسلكي الداخلي، وتحديد المواقع الداخلية، والملاحة الداخلية، والنقل الذكي، وتطبيقات في مجال الطيران، ومشاركة البيانات بين الأجهزة، ونقل المعلومات عالي السرعة، والاتصالات تحت الماء، وأمن المعلومات، وغيرها. مع ذلك، لا تزال سلسلة صناعة الاتصالات الضوئية المرئية الحالية غير ناضجة تمامًا، ويكمن العائق الرئيسي في أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المرئية الخاصة بالأجهزة المحمولة.

3.2 تقنية جانبية لاسلكية جديدة

3.2.1 الأسطح الذكية الكبيرة

في أنظمة الاتصالات المتنقلة السابقة، خُصصت العديد من التقنيات اللاسلكية الفردية لتحسين التكيف مع بيئة القنوات اللاسلكية المتغيرة، واستخدام تصميمات مُحسّنة لأجهزة الإرسال والاستقبال (مثل مخططات شكل الموجة، ومخططات الترميز، وآليات الإرسال الزمني-الترددي والمكاني، وما إلى ذلك) لزيادة سعة النظام. في الماضي، كان التحكم في الموجات الكهرومغناطيسية مقتصرًا على أجهزة الإرسال والاستقبال. مع ذلك، في السنوات الأخيرة، أتاح ظهور الأسطح الفائقة الذكية التحكم بمرونة في الخصائص الكهرومغناطيسية لبيئة القناة، مما جذب اهتمامًا واسعًا من الأوساط الأكاديمية والصناعية. السطح الفائق الذكي هو بنية سطحية كهرومغناطيسية اصطناعية ذات خصائص كهرومغناطيسية قابلة للبرمجة، ويتكون عادةً من مواد فائقة جديدة قابلة للبرمجة. تستطيع الأسطح الفائقة الذكية تنظيم الموجات الكهرومغناطيسية بشكل فعال وذكي من خلال الترميز الرقمي، مُشكلةً مجالًا كهرومغناطيسيًا بسعة وطور واستقطاب وتردد قابلة للتحكم. توفر هذه الآلية واجهة بين العالم الكهرومغناطيسي المادي للأسطح الفائقة الذكية والعالم الرقمي لعلوم المعلومات. تشمل مزايا تقنية الأسطح الفائقة الذكية انخفاض استهلاك الطاقة، وانخفاض تكلفة الأجهزة، وانعدام التداخل الذاتي، ومرونة التكوين، وتعدد التطبيقات. فهي قادرة على التحكم في الحزم الكهرومغناطيسية في الوقت الفعلي من خلال الانعكاس، والإرسال، والتشتت، وغيرها، وفقًا لسيناريوهات التطبيق المختلفة، مما يُغير بيئة الاتصالات اللاسلكية، ويُحسّن جودة الإشارة المفيدة، وبالتالي يُحقق هدف توسيع التغطية، وزيادة سعة النظام، وتبسيط التصميم. وتُعد هذه التقنية جذابة بشكل خاص لتطوير اتصالات الهاتف المحمول في المستقبل.

3.2.2 الترميز الجديد والأشكال الموجية

في التطور السابق لأنظمة الاتصالات المتنقلة، من الجيل الرابع إلى الجيل الخامس، زاد معدل البيانات الأقصى بأكثر من عشرة أضعاف. ومن المتوقع أن يستمر هذا النمو، بل وربما يتسارع، في الجيل القادم من هذه الأنظمة. يصل معدل نقل البيانات المطلوب لفك التشفير إلى أكثر من 100 جيجابت في الثانية، مما يستدعي إعادة تصميم خوارزمية فك التشفير ورمز تصحيح الأخطاء لتحسين التوازي في عملية فك التشفير. في الوقت نفسه، تتزايد متطلبات الموثوقية تدريجيًا، مما يستلزم خفض مستوى الخطأ في التشفير وتحسين التصاميم ذات الصلة. تشمل تقنيات التشفير التي يجري دراستها حاليًا تقنية التشفير الالتفافي، وتقنية تعديل المؤشر، والتشفير المسبق غير الخطي. كما يكتسب الذكاء الاصطناعي اهتمامًا متزايدًا في مجال التشفير. بالإضافة إلى ذلك، في أنظمة الجيل الخامس، يمكن تكييف تصميم شكل الموجة بمرونة مع مختلف سيناريوهات التطبيق. في المستقبل، سيدعم الجيل السادس سيناريوهات وخدمات أكثر تعقيدًا، كما ستشهد مؤشرات الأداء تحسنًا كبيرًا. لذا، يُعد تصميم أشكال موجية جديدة واستخدامها أمرًا بالغ الأهمية. تشمل الأبحاث الحالية التصميم القائم على أشكال الموجات غير المتعامدة، وتصميم شكل الموجة في مجال التحويل، وما إلى ذلك. ستلعب تقنيات الترميز وأشكال الموجات الجديدة دورًا مهمًا في الأنظمة المستقبلية، وهي اتجاهات تقنية تحتاج إلى استكشاف.

3.3 بنية شبكات جديدة وقدرات شبكية متطورة

3.3.1 تكامل الفضاء والأرض والجو والبحر

تلعب الاتصالات عبر الأقمار الصناعية دورًا حيويًا في تحسين جودة الحياة في الاقتصاد الرقمي المعاصر. فمقارنةً بالشبكات الأرضية، تتميز شبكات الأقمار الصناعية بتغطية شاملة لسطح الأرض، وقدرة فائقة على التنقل، ومستوى عالٍ من الأمان والموثوقية، وضمانات دقيقة لتقليل تأخير الإرسال لمسافات طويلة. ويتيح دمج الأقمار الصناعية والطائرات والشبكات الأرضية لتحقيق ترابط شبكي ثلاثي الأبعاد ومتنوع توزيع المعلومات والتفاعل على نطاق واسع وبسعة كبيرة، مما يلبي احتياجات سيناريوهات خاصة مثل محدودية الاتصالات في المناطق الريفية، والاتصالات في المجال الجوي والبحري، وإدارة الكوارث، وتحقيق تغطية عالمية سلسة وانتقال سلس بين الشبكات، وتوفير ضمانات لتلبية متطلبات التغطية والاتصال لجيل الاتصالات المتنقلة القادم. وتشمل التحديات التقنية التي يواجهها النظام التقني الحالي التغيرات الديناميكية العالية في روابط الإرسال، والسلوك المكاني والزماني المعقد للشبكة، والاختلافات الكبيرة في أحجام الأعمال المتباينة. كما تتطلب الإنجازات التقنية في مجال الشبكات المتكاملة المتزامنة في الجو والفضاء والأرض، ونظرية الإرسال، والجدولة المُحسّنة، والتعاون الذكي، إنجازات تقنية هائلة.

3.3.2 الشبكة الحتمية

كانت تقنية الشبكات الحتمية (DetNet - Deterministic Networking) في الأصل تقنية ساهمت في تحويل شبكات بروتوكول الإنترنت (IP) من "أفضل جهد" إلى "في الوقت المحدد، بدقة، وسرعة"، وذلك من خلال التحكم في زمن الاستجابة الشامل وتقليله. استهدفت هذه التقنية في البداية قطاعات محددة، مثل الصناعة والطاقة وإنترنت المركبات، التي تتطلب مستويات عالية للغاية من زمن الاستجابة المنخفض للشبكة، والموثوقية، والاستقرار. يوفر معيار TSN الحالي، الذي طوره معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)، حتمية الإيثرنت، وتلتزم مجموعة عمل الشبكات الحتمية، التي أنشأتها فرقة عمل هندسة الإنترنت (IETF)، بتوسيع نطاق التقنية المطورة في TSN لتشمل أجهزة التوجيه، وزيادة حجم الشبكة. في المستقبل، ومع ازدياد تنوع الأجهزة الطرفية المتنقلة وأنواع الخدمات التي تقدمها، ستصبح المتطلبات "الحتمية"، مثل مزامنة الوقت عالية الدقة، والحد الأقصى المطلق لزمن الاستجابة الشامل، وتسليم حزم البيانات بموثوقية فائقة دون فقدان، من متطلبات الجيل القادم من أنظمة الاتصالات المتنقلة. ويُعد الجانب اللاسلكي هو المفتاح لتحقيق اليقين الشامل في أنظمة الاتصالات المتنقلة. تتأثر عمليات الإرسال اللاسلكي بسهولة بالبيئة المحيطة، ويصعب ضمان جودة الإرسال. في عصر الجيل الخامس، وضعت معايير 3GPP خطة لدمج تقنيتي TSN و5G. يُستخدم نظام 5G كجسر TSN، ويتم دمج بنيته بطريقة الصندوق الأسود. مع ذلك، لا يزال النظامان مستقلين، ويصعب ضمان أداء TSN بشكل كامل. في المستقبل، في أنظمة الاتصالات المتنقلة من الجيل التالي، ستُؤخذ خصائص الأعمال بعين الاعتبار بشكل كامل لجعل دعم الجيل السادس (6G) الأصلي أمرًا حتميًا. لذا، يلزم تحسين الحلول التقنية وبنية النظام ذات الصلة.

3.3.3 الحوسبة السحابية الأصلية

Cloud native means that applications are deployed on cloud servers and have the characteristics of containerization, microservices, continuous delivery and DevOps. These technologies can build a loosely coupled system that is fault-tolerant, easy to manage and easy to observe. In the 5G era, the core network is based on a service-oriented architecture, which makes it easier to implement network functions using general-purpose servers and achieve cloudification effects in data centers. However, the current 5G core network deployment still does not have features such as containerization and microservices. In the future, in order to build flexible, scalable, rapid innovation and online network services, cloud native can be a suitable solution. Although traditional wireless devices in mobile networks have always been highly closed, and network functions have extremely high requirements for real-time performance, research and exploration related to cloud-native mobile networks have been advancing. It is believed that as the technology and industry continue to mature, its advantages will be fully utilized in the future to build a flexible and elastic new network architecture.

3.3.4 الذكاء المنتشر

يُحدث التطور المتواصل للذكاء الاصطناعي ثورةً في جميع فروع التكنولوجيا، وأصبح دمج الذكاء الاصطناعي مع شبكات الجيل التالي للهواتف المحمولة اتجاهًا لا مفر منه. حاليًا، تعتمد معظم طرق دمج الذكاء في مجال الاتصالات على جمع البيانات وخوارزميات الذكاء الاصطناعي لتحسين الأعمال بعد نشر النظام، إلا أن نطاق تطبيقها ودرجته لا يزالان محدودين. في المستقبل، ومع التطور المستمر لبنية الشبكات وانتشار الاتصالات، سيُمكن دمج الذكاء الاصطناعي بشكل أوثق مع جميع جوانب الشبكة. لن يقتصر نشره على الحوسبة السحابية فحسب، بل سيمتد ليشمل الحوسبة الطرفية والمحطات الطرفية. ولن يقتصر استخدامه على التحسين الذكي لخدمات محددة، بل سيُدمج على نطاق أوسع في تصميم الأنظمة، بما في ذلك نشر الشبكات، وتصميم الخوارزميات، وتخصيص قوة الحوسبة. سيُدمج الذكاء على نطاق أوسع في الشبكة لتحقيق انتشار ذكي حقيقي وتعزيز قدرات شبكات الهاتف المحمول المستقبلية بشكل شامل.

3.3.5 الأمن الداخلي

ستُؤدي رؤى الأعمال الجديدة وهياكل الشبكات المستقبلية، بما في ذلك الواقع الممتد الغامر، والتصوير المجسم، والاتصالات الشاملة المتكاملة بين الجو والفضاء والأرض، والذكاء الاصطناعي، وغيرها، إلى ظهور المزيد من نقاط الضعف وتحديات أكبر للأمن. يعتمد نموذج الدفاع الأمني ​​التقليدي على الترقيع، أي أنه بعد بناء النظام، ومن خلال تصميم أمني منفصل، وتكديس، وتعزيز، يُعد نموذج حماية سلبيًا، وهو غير فعال وغير اقتصادي. لذلك، يجب على شبكات الهاتف المحمول المستقبلية استكشاف نماذج أمنية جديدة. يعتمد الأمن الداخلي على سمات مثل التماسك والتعاون والأصالة، مما يجعل الأمن يتميز بالإنشاء الذاتي والتطور التكافلي. تتم إدارة أمن الشبكة من خلال تجميع بروتوكولات وآليات أمنية مختلفة. في الوقت نفسه، تتمتع قدرات الحماية الأمنية بقوة دافعة مستقلة للتكيف مع تغيرات الشبكة بشكل متزامن أو حتى استباقي، وذلك لاستخلاص دفاع قوي متأصل في الشبكة. لم يعد الأمر مجرد استجابة سلبية للتهديدات الأمنية، بل يمكن أن يلعب دورًا مهمًا في شبكة الجيل السادس المستقبلية.

04تلخيص

شبكة الجيل السادس (6G) هي شبكةٌ مُصممةٌ لتلبية احتياجات عام 2030 وما بعده. ورغم أنها لا تزال في مراحلها البحثية الأولى، إلا أنه يُمكن استشراف ملامحها من خلال تطورات قطاعي الأعمال والتكنولوجيا. تحتاج شبكة الجيل السادس إلى دعم نطاق ترددي أعلى، وموثوقية أكبر، وتغطية أوسع وأعمق للخدمات المستقبلية، مع مراعاة توفير خدمات شبكية أكثر ذكاءً وأمانًا ومرونة. تُسلط هذه المقالة الضوء على التقدم المُحرز والاتجاهات التقنية المُحتملة لمؤسسات البحث في مجال الجيل السادس. ورغم أن مسار الجيل السادس الحالي لا يزال غير واضح، وأن الاتجاهات المُحتملة تُعاني من تحدياتٍ في الجوانب النظرية والتطبيقية والشبكية، إلا أنه مع استمرار الاستثمار في البحث العلمي والتطور المُستمر في هذا القطاع، يُعتقد أن الجيل القادم من أنظمة الاتصالات المتنقلة سيُحدث بلا شك تغييراتٍ جذرية وتغييراتٍ عميقة.

مراجع حسابات

【1】Dang S، Amin O، Shihada B، وآخرون. ماذا ينبغي أن يكون 6G؟ [J]. Nature Electronics، 2020 (3): 20-29.
【】 2كلاوس د، هندريك ب. رؤية ومتطلبات الجيل السادس: هل هناك حاجة إلى ما هو أبعد من الجيل الخامس؟ [J]. مجلة تكنولوجيا المركبات التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، 6، 5(2018):13-3.
【】 3Yastrebova A و Kirichek R و Koucheryavy Y وآخرون. شبكات المستقبل 2030: الهندسة المعمارية والمتطلبات[C]// المؤتمر الدولي حول أنظمة الاتصالات والتحكم الحديثة للغاية وورش العمل. 2019.
【】 4ورقة بيضاء. المحركات الرئيسية والتحديات البحثية للذكاء اللاسلكي الشامل 6G. 2019
【】 5غاو فانغ، لي مينغوي. أصدرت جامعة أولو في فنلندا ورقة بيضاء تقترح في البداية رؤية وتحديات الجيل السادس [J]. العلوم والتكنولوجيا في الصين، 2019 (12).
【】 6ليو جونفينغ، ليو شو، فو شياوجيان، وآخرون. مواد فائقة وأسطح فائقة معلوماتية تيراهيرتز [J]. مجلة الرادار، 2018.
【】 7ليو يانغ، بينغ موغن. الأمن الداخلي لشبكات الجيل السادس: البنية والتقنيات الرئيسية [J]. علوم الاتصالات، 2020(1):11-20.
【】 8Zhang X، Wang J، Poor HV. نمذجة التداخل وتعظيم المعلومات المتبادلة عبر شبكات النانو اللاسلكية المخصصة 6G THz[C]// GLOBECOM 2020 - مؤتمر IEEE العالمي للاتصالات 2020. IEEE، 2020.
【】 9شي شا، لي هاوران، لي لينغشيانغ، وآخرون. مراجعة للأبحاث المتعلقة بتقنية الاتصالات تيراهيرتز لشبكات الجيل السادس [J]. الاتصالات المتنقلة، 2020(6):36-43.
【】 10يو إم، تانج إيه، وانج إكس، وآخرون. الجدولة المشتركة وتخصيص الطاقة لشبكات 6G Terahertz Mesh[C]// المؤتمر الدولي لعام 2020 حول الحوسبة والشبكات والاتصالات (ICNC). 2020.
【】 11لي شين، وانغ تشيانغ. مناقشة حول التقدم البحثي في ​​مجال الجيل السادس وآفاق تطبيق التقنيات المرشحة الرئيسية [J]. مجلة الاتصالات السريعة، 2020، العدد 593 (11): 10-13.
【】 12أنت إكس، وانغ سي إكس، هوانغ جي، وآخرون. نحو شبكات الاتصالات اللاسلكية 6G: الرؤية والتقنيات التمكينية والتحولات النموذجية الجديدة [J]. علوم الصين. علوم المعلومات، 2021، 64(1).
【】 13تشن إس، ليانج واي سي، صن إس، وآخرون. الرؤية والمتطلبات والاتجاه التكنولوجي لشبكة الجيل السادس: كيفية مواجهة تحديات تغطية النظام والسعة ومعدل بيانات المستخدم وسرعة الحركة[J]. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) للاتصالات اللاسلكية، 6.
【】 14Guang Y, Liu Y, Huang N, et al. رؤية ومتطلبات وهندسة الشبكة لشبكة الهاتف المحمول 6G بعد عام 2030 [J]. 中国通信، 2020، 17 (9): 100-112.
【】 15توجيه SP . الاتصالات اللاسلكية 6G: رؤيتها وقدرتها على الاستمرار وتطبيقها ومتطلباتها وتقنياتها ومواجهاتها وأبحاثها [C] // المؤتمر الدولي الحادي عشر لعام 2020 لتقنيات الحوسبة والاتصالات والشبكات (ICCCNT). 11.
【】 16تشانغ زد، شياو واي، ما زد، وآخرون. شبكات الجيل السادس اللاسلكية: الرؤية والمتطلبات والهندسة المعمارية والتقنيات الرئيسية [J]. مجلة IEEE لتكنولوجيا المركبات، 6 (2019):99-1.
【】 17شودري إم زي، شاه جلال إم، أحمد إس، وآخرون. أنظمة الاتصالات اللاسلكية 6G: التطبيقات والمتطلبات والتقنيات والتحديات واتجاهات البحث [J]. مجلة IEEE المفتوحة لمجتمع الاتصالات، 2020، ص(99):1-1.