مروری بر تحقیق و توسعه جهانی 6G

01بررسی اجمالی

فناوری ارتباطات سیار اکنون به نسل پنجم (5G) تکامل یافته است. در طول تاریخ توسعه خود، 2G/3G به ارتباطات سیار پایه دست یافته است، در حالی که 4G، که گسترده‌ترین نسل است، از طریق محبوبیت ترمینال‌های هوشمند، توان عملیاتی عظیمی را به ارمغان آورده و سبک زندگی کاربران را تغییر داده است. 5G حتی قبل از اینکه کاملاً تجاری شود، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. هدف آن نه تنها بهبود تجربه تجاری کاربران سنتی، بلکه ترکیب ارتباطات سیار با صنایع عمودی برای گسترش چشمگیر حوزه تجارت ارتباطات سیار است. اگرچه 5G هنوز در مرحله اولیه استقرار در سطح جهانی است و همکاری با صنایع عمودی تازه شروع به پیشرفت کرده است، اما در آینده، با ادامه استقرار و بلوغ خدمات، مطمئناً رونق را برای بازار ارتباطات سیار به ارمغان خواهد آورد و روند دیجیتالی شدن صنایع مختلف و حتی کل جامعه را تسریع خواهد کرد.

اگرچه شاخص‌ها و قابلیت‌های سیستم 5G به میزان زیادی بهبود یافته و سناریوهای کاربردی به طور فزاینده‌ای متنوع شده‌اند، اما هنوز محدودیت‌هایی وجود دارد. در مواجهه با آینده، هنوز نیروهای محرک بزرگی برای ارتقای تکامل مداوم شبکه‌های ارتباطات سیار وجود دارد. از یک سو، این تکامل توسط فناوری‌های نوظهور مانند هوش مصنوعی، بلاکچین، محاسبات ابری و سایر فناوری‌های فناوری اطلاعات و ارتباطات و همچنین مواد جدید، آنتن‌ها و سایر فرآیندها هدایت می‌شود. از سوی دیگر، به دلیل تکامل مداوم تقاضا، با توسعه ترمینال‌های متنوع و بهبود سطوح دیجیتالی شدن در صنایع مختلف، خدماتی مانند هولوگرافیک، واقعیت افزوده فراگیر (XR)، اینترنت لمسی و کارخانه‌های هوشمند پیشنهاد شده‌اند که نه تنها نیاز به بهبود در شاخص‌های عملکرد سنتی مانند سرعت، تأخیر، تعداد اتصالات و پوشش دارند، بلکه ابعاد جدیدی از تقاضا برای ادراک، موقعیت‌یابی و امنیت را نیز به همراه دارند. بنابراین، تحقیقات در مورد چشم‌انداز، نیازها و فناوری نسل بعدی ارتباطات سیار به تدریج انجام شده است. با توجه به تغییرات عظیم و ارزش اقتصادی اضافی که 5G برای جامعه به ارمغان می‌آورد، کشورهای رقابتی و زنجیره‌های صنعتی در سراسر جهان اهمیت زیادی به فناوری ارتباطات سیار می‌دهند. نه تنها سازمان‌های استانداردسازی بزرگ، دانشگاه‌ها و حتی بسیاری از مؤسسات و صنایع ملی مربوطه، پیش‌تحقیقات را آغاز کرده‌اند و هدفشان داشتن یک سیستم فنی بالغ در 10 سال آینده، یعنی سال 2030، است تا بتوانند یک سیستم فناوری بالغ برای پاسخگویی به نیازهای جدید کسب‌وکار داشته باشند و در عین حال رقابت‌پذیری خود را بهبود بخشند.

این مقاله با تمرکز بر نسل بعدی ارتباطات سیار، یعنی سیستم 6G، پیشینه تحقیقاتی و پیشرفت‌های مرتبط با سازمان‌های استاندارد جهانی، سازمان‌های منطقه‌ای و ملی و مؤسسات تحقیقاتی دانشگاهی را بررسی می‌کند، مسیرهای فناوری بالقوه فعلی در حوزه بی‌سیم و شبکه و مزایای فنی آنها را تجزیه و تحلیل می‌کند و در نهایت پیشرفت 6G را خلاصه کرده و نظراتی را در مورد چشم‌انداز 6G و جهت‌گیری کلی توسعه آن ارائه می‌دهد.

02وضعیت جهانی تحقیقات 6G

۲.۱ سازمان‌های بین‌المللی و منطقه‌ای

۲.۱.۱ اتحادیه بین‌المللی مخابرات (ITU)

گروه مطالعاتی بخش استانداردسازی مخابرات ۱۳ (ITU-T SG13) تحت نظر اتحادیه بین‌المللی مخابرات، به تحقیقات شبکه در آینده متعهد است و در ژوئیه ۲۰۱۸ گروه تمرکز شبکه NET-2030 را برای بررسی نیازهای خدمات شبکه برای سال ۲۰۳۰ و پس از آن تأسیس کرد. این گروه تمرکز دارای سه زیرگروه است که شامل سناریوها و الزامات کاربردی، خدمات و فناوری‌های شبکه و معماری و زیرساخت می‌شود. این گروه در سال ۲۰۱۹ دو گزارش رسمی منتشر کرد که بر سناریوهای کاربردی و قابلیت‌های جدید خدمات شبکه ۲۰۳۰ تمرکز داشتند. این گروه سناریوهای جدید متنوعی مانند اینترنت هولوگرافیک و لمسی و همچنین شکاف‌ها و خدمات فعلی شبکه را که بیشترین توجه را در شبکه‌های آینده نیاز دارند، پیشنهاد کرد.

علاوه بر این، گروه کاری 5D بخش ارتباطات رادیویی (ITU-R WP5D) تحت نظر ITU، کار تحقیقاتی برای سال 2030 و آینده (6G) را در جلسه‌ای که در فوریه 2020 در ژنو، سوئیس برگزار شد، آغاز کرد. این جلسه یک برنامه تحقیقاتی اولیه 6G، شامل گزارش‌های تحقیقاتی روند فناوری آینده، پیشنهادهای چشم‌انداز فناوری آینده و سایر گره‌های مهم برنامه‌ریزی را تشکیل داد. در این جلسه، ITU نگارش "گزارش روند فناوری آینده" را آغاز کرد که قرار است در ژوئن 2022 تکمیل شود. این گزارش، جهت تکامل فناوری سیستم‌های IMT پس از 5G، از جمله فناوری تکامل IMT، فناوری راندمان طیفی بالا و استقرار آن را شرح می‌دهد. علاوه بر این، قرار است «طرح چشم‌انداز فناوری آینده» در نیمه اول سال ۲۰۲۱ راه‌اندازی و تا ژوئن ۲۰۲۳ تکمیل شود. این طرح شامل اهداف کلی سیستم IMT برای سال ۲۰۳۰ و آینده، مانند سناریوهای کاربردی، قابلیت‌های اصلی سیستم و غیره است. در حال حاضر، ITU هنوز برنامه توسعه استاندارد ۶G را تعیین نکرده است.

۲.۱.۲ موسسه مهندسان برق و الکترونیک (IEEE)

IEEE تحقیقات شبکه آینده را با هدف «تحقق 5G و فراتر از آن» در آگوست 2018 آغاز کرد. در 25 مارس 2019، اولین اجلاس بی‌سیم 6G جهان با حمایت IEEE در فنلاند برگزار شد. بسیاری از نمایندگان شرکت‌کننده از صنعت و دانشگاه، آخرین بینش‌ها و نوآوری‌ها در مورد 6G را منتشر کردند و چالش‌های نظری و عملی را که برای تحقق چشم‌انداز 6G باید مورد توجه قرار گیرند، مورد بحث قرار دادند. مقالات و گزارش‌های این کنفرانس، فناوری‌های بسیاری مانند تخیل سناریو 6G، امواج میلی‌متری و تراهرتز، اتصالات هوشمند، هوش مصنوعی لبه، ارتباطات بی‌سیم ماشین و غیره را پوشش می‌داد. دومین اجلاس بی‌سیم 6G نیز در سال 2020 به صورت آنلاین برگزار شد و شامل سخنرانی‌های کلیدی، جلسات فنی و نمایش‌های مرتبط توسط صنعت، اپراتورها، محققان موسسات تحقیقاتی و ذینفعان بود. اجلاس 6G یک رویداد فناوری جهانی است که هدف آن روشن کردن چشم‌انداز و جهت توسعه 6G از طریق تلاش‌های جمعی صنایع مختلف است.

۲.۱.۳ پروژه مشارکت نسل سوم (3GPP)

نسخه فعلی 3GPP که در حال توسعه است، R17، هنوز تکامل و بهبود ویژگی‌های 5G است، اما گروه تقاضا SA1 پروژه‌های مرتبطی را برای خدمات آینده، از جمله شبکه‌های هوشمند، ارتباطات لمسی و غیره آغاز کرده است که احتمالاً انتقالی روان به نسل بعدی سیستم‌های ارتباطی موبایل را رقم خواهد زد. طبق پیشرفت و برنامه‌های فعلی، 3GPP به احتمال زیاد کار بر روی چشم‌انداز، فناوری و الزامات 6G را در R19 (2023) آغاز خواهد کرد و کار استانداردسازی 6G را در R21 یا مراحل بعدی آغاز خواهد کرد.

۲.۱.۴ پرچمدار ۶G

پروژه پرچمدار 6G، که توسط یک کنسرسیوم فنلاندی و به رهبری دانشگاه اولو حمایت می‌شود، در سال ۲۰۱۹ تأسیس شد و متعهد به ارائه فناوری ارتباطات استاندارد با "اتصالات بی‌سیم تقریباً آنی و نامحدود" است. در سپتامبر ۲۰۱۹، این پروژه یک گزارش سفید با عنوان "محرک‌های کلیدی و چالش‌های تحقیقاتی برای هوش بی‌سیم فراگیر 6G" منتشر کرد که در ابتدا به سؤالاتی در مورد چگونگی تغییر زندگی مردم توسط 6G، ویژگی‌های فنی آن و مشکلات فنی که باید حل شوند، پاسخ می‌داد. این محتوا شامل چشم‌انداز 6G، نیروی محرکه، کاربردها و خدمات است. جهت‌گیری تحقیقات بی‌سیم بر هوش مصنوعی، دسترسی جدید بدون نیاز به مجوز، شکل‌دهی سیگنال، مدولاسیون آنالوگ، سطوح هوشمند در مقیاس بزرگ و غیره تمرکز دارد. پیشرفت و دشواری سخت‌افزار بی‌سیم نیز مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد. جهت‌گیری تحقیقات شبکه بر ایجاد زنجیره اعتماد متمرکز است.

2.2 دیدگاه و طرح ملی

2.2.1 欧盟

اتحادیه اروپا در سال ۲۰۱۷، مشاوره‌ای را در مورد پروژه تحقیق و توسعه فناوری ارتباطات سیار نسل ششم (6G) آغاز کرد که هدف آن تجاری‌سازی فناوری 6G در سال ۲۰۳۰ است. همزمان، اتحادیه اروپا یک پروژه تحقیقاتی سه ساله در مورد فناوری پایه 6G راه‌اندازی کرده است. وظیفه اصلی، مطالعه فناوری کدگذاری تصحیح خطای رو به جلو نسل بعدی، کدگذاری کانال پیشرفته و فناوری مدولاسیون کانال است که می‌تواند در شبکه‌های ارتباطی 6G مورد استفاده قرار گیرد. سازمان افق ۲۰۲۰ اتحادیه اروپا همچنین یک پروژه تحقیقاتی 6G در مورد "شبکه‌ها و خدمات هوشمند" راه‌اندازی خواهد کرد که در حال حاضر در مرحله نمایش اولیه و پیش از تحقیق است.علاوه بر این، اتحادیه اروپا به طور فعال دانشگاه‌ها و مؤسسات تحقیقاتی، از جمله مرکز ملی تحقیقات فنی فنلاند و دانشگاه اولو را تأمین مالی می‌کند و بر سناریوهای کاربردی آینده و مسیرهای فنی مانند تراهرتز، دسترسی به پهنای باند بی‌سیم، هوش لبه‌ای و کدک‌ها تمرکز دارد.

2.2.2

دولت ایالات متحده اهمیت زیادی برای فناوری 6G قائل است و همچنان در زمینه‌های تراهرتز و فناوری‌های ادغام هوا-فضا-زمین تلاش می‌کند. در مارس 2019، کمیسیون ارتباطات فدرال (FCC) تخصیص طیف در باند تراهرتز در ایالات متحده را اعلام کرد: 95 گیگاهرتز تا 3 تراهرتز. این کمیسیون معتقد است که 6G به سمت دوران فرکانس تراهرتز حرکت خواهد کرد. با متراکم‌تر شدن شبکه، سه فناوری اصلی، از جمله فناوری اشتراک‌گذاری پویای طیف و فناوری مالتی پلکس فضایی مبتنی بر تراهرتز و بلاکچین، به روندهای فناوری جدیدی تبدیل می‌شوند. دانشگاه نیویورک، دانشگاه کالیفرنیا و ویرجینیا تک در ایالات متحده، همگی در حال انجام کارهای پیش‌تحقیق در زمینه تراهرتز و سایر جهات 6G هستند. علاوه بر این، اسپیس-ایکس، وان‌وب، آمازون و غیره برنامه‌های اینترنت ماهواره‌ای را به عنوان فناوری‌های بالقوه توانمندساز برای 6G بعدی راه‌اندازی کرده‌اند.

2.2.3 日本

دولت ژاپن قصد دارد از طریق همکاری‌های دولتی و خصوصی، یک استراتژی توسعه جامع برای نسل ششم ارتباطات (6G) آینده تدوین کند. وزارت اقتصاد، تجارت و صنعت، صندوقی به ارزش ۲۲۰ میلیارد یوان برای ایجاد یک پروژه ملی با اولویت کلیدی و آغاز تحقیق و توسعه نسل ششم ارتباطات (6G) تأسیس کرده است. ریاست این صندوق بر عهده رئیس دانشگاه توکیو است و غول‌های فناوری مانند توشیبا پشتیبانی فنی ارائه می‌دهند. ژاپن در حال حاضر در زمینه تراهرتز از مزیت منحصر به فردی برخوردار است و فناوری تراهرتز را به عنوان اولین مورد در میان "ده هدف استراتژیک کلیدی فناوری‌های ستونی ملی" فهرست می‌کند. گروه NTT توسعه دو فناوری B5G و 6G، تراهرتز و تکانه زاویه‌ای مداری، را ارتقا داده است. علاوه بر این، ژاپن از "نیمه‌هادی‌های نوری" به عنوان فناوری پردازش اطلاعات برای پشتیبانی از نسل ششم ارتباطات (6G) نیز استفاده خواهد کرد. NTT اعلام کرد که با ۶۵ شرکت همکاری خواهد کرد و تلاش خواهد کرد تا سال ۲۰۳۰ به تولید انبوه نیمه‌هادی‌های نوری برای نسل ششم ارتباطات (6G) دست یابد.

2.2.4 韩国

تحقیقات 6G کره جنوبی عمدتاً در شرکت‌ها و مؤسسات تحقیقاتی دانشگاهی، از جمله سامسونگ، SK، LG Electronics، موسسه پیشرفته علوم و فناوری کره و غیره متمرکز است. در میان آنها، LG Electronics با موسسه پیشرفته علوم و فناوری کره برای ایجاد یک مرکز تحقیقاتی 6G همکاری کرده است. موسسه الکترونیک و مخابرات با دانشگاه اولو در فنلاند تفاهم‌نامه‌ای برای توسعه فناوری شبکه 6G امضا کرده است. SK Telecom قراردادهایی را با نوکیا فنلاند و اریکسون سوئد برای تقویت همکاری در تحقیق و توسعه شبکه 6G امضا کرده است. در ژوئن 2019، سامسونگ یک مرکز تحقیقات ارتباطات پیشرفته تأسیس کرد و تحقیقات در مورد شبکه‌های 6G را آغاز کرد. در ژوئیه 2020، سامسونگ یک گزارش رسمی از چشم‌انداز 6G با عنوان "6G: تجربه فوق متصل بعدی برای همه" منتشر کرد که چشم‌انداز 6G سامسونگ، روندهای تکامل، سناریوهای کاربردی، الزامات شاخص، فناوری‌های کاندید و برنامه استانداردسازی مورد انتظار را پوشش می‌دهد.

2.2.5 中国

در نوامبر ۲۰۱۹، وزارت علوم و فناوری جلسه‌ای برای آغاز کار تحقیق و توسعه فناوری ۶G برگزار کرد و از ایجاد یک گروه کاری ملی ترویج تحقیق و توسعه فناوری ۶G و یک گروه کارشناسی عمومی خبر داد. در میان آنها، گروه کاری ترویج مسئول ترویج اجرای کار تحقیق و توسعه فناوری ۶G است؛ گروه کارشناسی عمومی مسئول ارائه پیشنهادات طرح تحقیقاتی فناوری ۶G و نمایش‌های فنی و ارائه مشاوره و پیشنهاد برای تصمیمات مهم است. وزارت صنایع و فناوری اطلاعات نیز در سال ۲۰۱۹ یک گروه تحقیقاتی ۶G تأسیس کرد که بعداً به IMT-2030 تغییر نام داد. این گروه نیروهایی را از صنعت و دانشگاه‌ها گرد هم آورد، تقاضا، فناوری‌های بی‌سیم و شبکه را پوشش داد و الزامات چشم‌انداز آینده‌نگر و تحقیقات فناوری را با هدف شفاف‌سازی ایده‌های ترویج ۶G و جهت‌گیری‌های کلیدی تقویت کرد.

03مسیرهای تحقیقاتی بالقوه

تحقیق در مورد ارتباطات سیار نسل بعدی از بحث فناوری‌های جدید و معماری‌های شبکه جدید جدایی‌ناپذیر است. این فصل اولویت‌های تحقیقاتی فعلی سازمان‌های بزرگ، دانشگاه‌ها و مؤسسات تحقیقاتی را دسته‌بندی کرده و آنها را به سه دسته تقسیم می‌کند: طیف جدید، فناوری جانبی بی‌سیم جدید و معماری شبکه و قابلیت‌های شبکه جدید. این فصل عمدتاً ویژگی‌های فنی و ضرورت سیستم‌های نسل ششم جهت‌دار را معرفی می‌کند و مرجعی اساسی برای کارهای تحقیقاتی فراوان‌تر و سیستماتیک‌تر بعدی فراهم می‌کند.

3.1 طیف جدید
در آینده، انواع کسب‌وکارها و کاربران متنوع‌تر خواهند شد و الزامات عملکرد شبکه بیشتر و بیشتر خواهد شد. در حال حاضر، منابع فرکانس پایین به تدریج به طور کامل اشغال شده‌اند، بنابراین گسترش طیف به باندهای بالاتر به جهت تحقیقاتی 6G تبدیل خواهد شد. طیفی که در حال حاضر توجه بیشتری را از صنعت به خود جلب می‌کند، شامل باندهای فرکانسی تراهرتز و نور مرئی است.

تراهرتز به باند فرکانسی از ۱۰۰ گیگاهرتز تا ۱۰ تراهرتز با محدوده طول موج ۰.۰۳ تا ۳ میلی‌متر اشاره دارد. این تابش الکترومغناطیسی بین امواج رادیویی و امواج نوری است. این امواج دارای ویژگی‌هایی مانند حمل اطلاعات غنی، پهنای پالس زیر پیکوثانیه، انسجام مکانی-زمانی بالا، انرژی فوتون کم، نفوذ قوی، ایمنی بالا در استفاده، جهت‌گیری خوب و پهنای باند بالا هستند. کاربردهای ارتباطی تراهرتز را می‌توان بر اساس فاصله پوشش به دو دسته تقسیم کرد. کاربردهای پوشش در مسافت‌های طولانی شامل fronthaul/backhaul بی‌سیم با ظرفیت بالا، مراکز داده بی‌سیم، کاربردهای فضایی و غیره است. فاصله پوشش در حدود صدها متر تا کیلومتر است. کاربردهای پوشش در مسافت‌های کوتاه شامل ارتباطات نقطه به نقطه کوتاه برد، ارتباطات تراشه، نظارت بر سلامت و اینترنت اشیاء در مقیاس نانو و غیره با پوشش در محدوده میلی‌متر تا متر است. مسائل کلیدی در تحقیقات فعلی تراهرتز، توسعه دستگاه‌های اصلی و طراحی رابط هوایی انعطاف‌پذیر و پویا است.

طیف باند نور مرئی ۴۲۰ تا ۷۸۰ تراهرتز و محدوده طول موج ۳۸۰ تا ۷۸۰ نانومتر است. می‌توان بدون مجوز از آن استفاده کرد. ارتباط نور مرئی مزایای ترکیب روشنایی و ارتباط، عدم تداخل الکترومغناطیسی و سبز و سازگار با محیط زیست بودن را دارد. بنابراین، VLC وسیله‌ای مهم برای حل مشکل دخالت در نزدیکی خانه است و به عنوان یک فناوری اختیاری برای سیستم‌های ارتباطی آینده در نظر گرفته می‌شود. سناریوهای اصلی کاربرد VLC شامل دسترسی بی‌سیم داخلی، موقعیت‌یابی داخلی، ناوبری داخلی، حمل و نقل هوشمند، کاربردها در حوزه هوانوردی، اشتراک‌گذاری داده‌ها بین دستگاه‌ها، انتقال اطلاعات با سرعت بالا، ارتباطات زیر آب، امنیت اطلاعات و غیره است. با این حال، زنجیره صنعت ارتباط نور مرئی فعلی به اندازه کافی بالغ نیست و گلوگاه در دستگاه‌های فرستنده و گیرنده نور مرئی ترمینال‌های تلفن همراه قرار دارد.

3.2 فناوری جانبی بی‌سیم جدید

۳.۲.۱ سطوح هوشمند بزرگ

در سیستم‌های سیار قبلی، بسیاری از فناوری‌های بی‌سیم منفرد به سازگاری بهتر با محیط کانال بی‌سیم در حال تغییر و استفاده از طرح‌های فرستنده-گیرنده بهینه‌شده (مانند طرح‌های شکل موج، طرح‌های کدگذاری، مکانیسم‌های انتقال زمان-فرکانس و فضا و غیره) برای بهبود ظرفیت سیستم اختصاص داده شده بودند. در گذشته، کنترل امواج الکترومغناطیسی به فرستنده‌ها و گیرنده‌ها محدود می‌شد. با این حال، در سال‌های اخیر، ظهور متاسطح‌های هوشمند، امکان کنترل انعطاف‌پذیر ویژگی‌های الکترومغناطیسی محیط کانال را فراهم کرده است که توجه گسترده‌ای را از سوی دانشگاه و صنعت به خود جلب کرده است. متاسطح هوشمند یک ساختار سطحی الکترومغناطیسی مصنوعی با خواص الکترومغناطیسی قابل برنامه‌ریزی است که معمولاً از متامواد قابل برنامه‌ریزی جدید تشکیل شده است. متاسطح‌های هوشمند می‌توانند امواج الکترومغناطیسی را از طریق کدگذاری دیجیتال به طور فعال و هوشمندانه تنظیم کنند و یک میدان الکترومغناطیسی با دامنه، فاز، قطبش و فرکانس قابل کنترل تشکیل دهند. این مکانیسم رابطی بین دنیای الکترومغناطیسی فیزیکی متاسطح‌های هوشمند و دنیای دیجیتال علوم اطلاعات فراهم می‌کند. مزایای فناوری متاسطح هوشمند همچنین شامل مصرف انرژی کم، هزینه سخت‌افزاری کم، عدم تداخل خودکار، پیکربندی انعطاف‌پذیر و کاربرد گسترده است. این می‌تواند پرتوهای الکترومغناطیسی را در زمان واقعی از طریق انعکاس، انتقال، پراکندگی و غیره مطابق با سناریوهای مختلف کاربردی کنترل کند، محیط بی‌سیم را تغییر دهد، کیفیت سیگنال مفید را افزایش دهد و از این طریق به هدف افزایش پوشش، بهبود ظرفیت سیستم و ساده‌سازی طراحی دست یابد. این امر به ویژه برای توسعه ارتباطات سیار آینده جذاب است.

۳.۲.۲ کدگذاری و شکل موج‌های جدید

در تکامل قبلی سیستم‌های تلفن همراه، از 4G به 5G، نرخ اوج بیش از 10 برابر افزایش یافت. می‌توان پیش‌بینی کرد که در نسل بعدی سیستم‌های تلفن همراه، روند رشد نرخ همچنان حفظ یا حتی تسریع خواهد شد. نیاز به توان رمزگشایی به بیش از 100 گیگابیت بر ثانیه می‌رسد و الگوریتم رمزگشایی و کد تصحیح خطا باید برای بهبود موازی‌سازی رمزگشایی، دوباره طراحی شوند. در عین حال، الزامات قابلیت اطمینان به تدریج در حال افزایش است و نیاز به کدگذاری با سطح خطای پایین‌تر و بهینه‌سازی طرح‌های مرتبط را ایجاب می‌کند. فناوری‌های کدگذاری که در حال حاضر بیشتر مورد مطالعه قرار می‌گیرند شامل فناوری کدگذاری ستون فقرات، فناوری مدولاسیون شاخص و پیش‌کدگذاری غیرخطی هستند. در عین حال، هوش مصنوعی نیز به تدریج در کدگذاری توجه را به خود جلب می‌کند. علاوه بر این، در سیستم‌های 5G، طراحی شکل موج می‌تواند به صورت انعطاف‌پذیر با سناریوهای کاربردی مختلف سازگار شود. در آینده، 6G از سناریوها و خدمات پیچیده‌تری پشتیبانی می‌کند و شاخص‌های عملکرد نیز تا حد زیادی بهبود خواهند یافت. طراحی و معرفی شکل موج‌های جدید ضروری است. تحقیقات فعلی شامل طراحی مبتنی بر شکل موج‌های غیر متعامد، طراحی شکل موج در حوزه تبدیل و غیره است. کدگذاری و شکل موج‌های جدید نقش مهمی در سیستم‌های آینده ایفا خواهند کرد و مسیرهای فنی هستند که باید بررسی شوند.

3.3 معماری شبکه جدید و قابلیت‌های شبکه

۳.۳.۱ ادغام فضا، زمین، هوا و دریا

ارتباطات ماهواره‌ای نقش حیاتی در بهبود زندگی در اقتصاد دیجیتال امروزی ایفا می‌کنند. در مقایسه با شبکه‌های زمینی، شبکه‌های ماهواره‌ای پوشش کامل سطح زمین، تحرک پیشرفته، امنیت و قابلیت اطمینان بالا و تضمین تأخیر در انتقال در مسافت‌های طولانی را دارند. ترکیب ماهواره‌ها، هواپیماها و شبکه‌های زمینی برای دستیابی به اتصال شبکه‌ای سه‌بعدی و ناهمگن می‌تواند به توزیع و تعامل اطلاعات با برد وسیع، ظرفیت بالا و اتصال عظیم دست یابد، سناریوهای خاصی مانند اتصالات محدود مناطق روستایی، اتصالات فضای هوایی و دریایی و مدیریت بحران را برآورده کند، به پوشش یکپارچه جهانی و تحویل بی‌معنی دست یابد و تضمین‌هایی برای پوشش ارتباطات سیار نسل بعدی و الزامات اتصال ارائه دهد. چالش‌های فنی پیش روی سیستم فنی فعلی شامل تغییرات بسیار پویا در لینک‌های انتقال، رفتار پیچیده مکانی-زمانی شبکه و تفاوت‌های زیاد در مقیاس‌های تجاری ناهمگن است. پیشرفت‌های فنی در شبکه‌های یکپارچه همزمان هوایی، فضایی و زمینی، نظریه انتقال، برنامه‌ریزی بهینه و همکاری هوشمند نیز نیازمند پیشرفت‌های بزرگ فناوری است.

۳.۳.۲ شبکه قطعی

شبکه قطعی (DetNet - شبکه قطعی) در ابتدا فناوری‌ای بود که به تحقق تبدیل شبکه‌های IP از "بهترین تلاش" به "به‌موقع، دقیق و سریع" کمک کرد و تأخیر انتها به انتها را کنترل و کاهش داد. در ابتدا، این فناوری صنایع عمودی مانند صنعت، انرژی و اینترنت وسایل نقلیه را که الزامات بسیار بالایی برای تأخیر کم شبکه، قابلیت اطمینان و پایداری دارند، هدف قرار داد. استاندارد فعلی TSN که توسط IEEE توسعه داده شده است، قطعیت اترنت را ارائه می‌دهد و گروه کاری شبکه قطعی که توسط IETF تأسیس شده است، متعهد به گسترش فناوری توسعه یافته در TSN به روترها و گسترش مقیاس شبکه است. در آینده، با متنوع‌تر شدن ترمینال‌های تلفن همراه و انواع خدماتی که ارائه می‌دهند، الزامات "قطعی" مانند هماهنگ‌سازی زمانی با دقت بالا، تأخیر حد بالای مطلق انتها به انتها و تحویل بسته داده با اتلاف صفر فوق‌العاده قابل اعتماد، به الزامات نسل بعدی سیستم‌های تلفن همراه تبدیل خواهد شد. جنبه بی‌سیم کلید دستیابی به قطعیت انتها به انتها در سیستم‌های تلفن همراه است. انتقال بی‌سیم به راحتی تحت تأثیر محیط قرار می‌گیرد و تضمین کیفیت انتقال دشوار است. در دوران 5G، استانداردهای 3GPP طرحی را برای ادغام TSN و 5G تدوین کرده‌اند. سیستم 5G به عنوان یک پل TSN استفاده می‌شود و معماری آن به صورت جعبه سیاه ادغام شده است. با این حال، این دو هنوز سیستم‌های مستقلی هستند و تضمین کامل عملکرد TSN دشوار است. در آینده، در سیستم ارتباطات سیار نسل بعدی، ویژگی‌های کسب‌وکار به طور کامل در نظر گرفته خواهد شد تا پشتیبانی بومی 6G قطعی شود. راه‌حل‌های فنی و سیستم معماری مربوطه باید بیشتر بهبود یابند.

۳.۳.۳ بومی ابری

منظور از بومی ابری این است که برنامه‌ها روی سرورهای ابری مستقر می‌شوند و ویژگی‌های کانتینرسازی، میکروسرویس‌ها، تحویل مداوم و DevOps را دارند. این فناوری‌ها می‌توانند یک سیستم با اتصال آزاد ایجاد کنند که تحمل خطا، مدیریت آسان و مشاهده آسان داشته باشد. در عصر 5G، شبکه اصلی مبتنی بر معماری سرویس‌گرا است که پیاده‌سازی توابع شبکه را با استفاده از سرورهای عمومی و دستیابی به اثرات ابری‌سازی در مراکز داده آسان‌تر می‌کند. با این حال، استقرار فعلی شبکه اصلی 5G هنوز ویژگی‌هایی مانند کانتینرسازی و میکروسرویس‌ها را ندارد. در آینده، برای ساخت خدمات شبکه آنلاین، نوآوری سریع، مقیاس‌پذیر و انعطاف‌پذیر، بومی ابری می‌تواند یک راه‌حل مناسب باشد. اگرچه دستگاه‌های بی‌سیم سنتی در شبکه‌های تلفن همراه همیشه بسیار بسته بوده‌اند و توابع شبکه الزامات بسیار بالایی برای عملکرد در زمان واقعی دارند، تحقیقات و کاوش‌های مربوط به شبکه‌های تلفن همراه بومی ابری در حال پیشرفت بوده است. اعتقاد بر این است که با ادامه بلوغ فناوری و صنعت، از مزایای آن در آینده به طور کامل برای ساخت یک معماری شبکه جدید انعطاف‌پذیر و الاستیک استفاده خواهد شد.

۳.۳.۴ هوش فراگیر

رونق مداوم هوش مصنوعی، انقلابی در هر شاخه‌ای از فناوری ایجاد می‌کند و ترکیب هوش مصنوعی با شبکه‌های تلفن همراه نسل بعدی به یک روند غیرقابل توقف تبدیل شده است. در حال حاضر، اکثر روش‌های ترکیب هوش در حوزه ارتباطات، استفاده از جمع‌آوری داده‌ها و الگوریتم‌های هوش مصنوعی برای بهینه‌سازی کسب‌وکار پس از استقرار سیستم است، اما درجه و دامنه کاربرد آن کم است. در آینده، با تکامل مداوم معماری شبکه و توسعه اتصالات فراگیر، هوش مصنوعی می‌تواند با هر جنبه‌ای از شبکه بیشتر ادغام شود. این فناوری نه تنها در فضای ابری مستقر خواهد شد، بلکه به لبه‌ها و سمت‌های ترمینال نیز نفوذ خواهد کرد. این فناوری نه تنها برای بهینه‌سازی هوشمند سرویس‌های خاص استفاده می‌شود، بلکه به طور گسترده‌تری با طراحی سیستم، از جمله استقرار شبکه، طراحی الگوریتم و تخصیص توان محاسباتی، ادغام خواهد شد. هوش به طور گسترده‌تری در شبکه تعبیه خواهد شد تا به فراگیری هوشمند واقعی دست یابد و قابلیت‌های شبکه تلفن همراه آینده به طور جامع افزایش یابد.

۳.۳.۵ امنیت درون‌زا

چشم‌اندازهای تجاری جدید آینده و معماری‌های شبکه، از جمله XR فراگیر، هولوگرافی، اتصالات فراگیر یکپارچه هوا-فضا-زمین، هوش مصنوعی و غیره، نقاط حمله بیشتری را معرفی کرده و چالش‌های بیشتری را برای امنیت به همراه خواهند داشت. مدل سنتی دفاع امنیتی از نوع وصله است، یعنی پس از ساخت سیستم، از طریق طراحی امنیتی ایزوله، انباشت و تقویت، یک مدل حفاظت غیرفعال است که ناکارآمد و غیراقتصادی است. بنابراین، شبکه‌های تلفن همراه آینده باید مدل‌های امنیتی جدیدی را بررسی کنند. امنیت درون‌زا مبتنی بر ویژگی‌هایی مانند انسجام، همکاری و بومی بودن است که امنیت را با ایجاد بومی و تکامل همزیستی مشخص می‌کند. امنیت شبکه از طریق تجمیع پروتکل‌های امنیتی و مکانیسم‌های امنیتی مختلف مدیریت می‌شود. در عین حال، قابلیت‌های حفاظت امنیتی نیروی محرکه مستقلی برای انطباق با تغییرات شبکه به صورت همزمان یا حتی آینده‌نگر دارند تا دفاع قوی ذاتی شبکه را به دست آورند. این دیگر یک پاسخ غیرفعال به تهدیدات امنیتی نیست و می‌تواند نقش مهمی در شبکه 6G آینده ایفا کند.

04خلاصه کردن

شبکه 6G شبکه‌ای است که برای سال 2030 و پس از آن طراحی شده است. اگرچه در حال حاضر در مراحل اولیه تحقیق است، اما هنوز هم می‌توان آن را از روند تکامل تجارت و فناوری به طور اجمالی مشاهده کرد. شبکه 6G باید از پهنای باند بالاتر، قطعیت بیشتر، پوشش گسترده‌تر و عمیق‌تر خدمات آینده پشتیبانی کند و در عین حال، ارائه خدمات شبکه‌ای هوشمندتر، ایمن‌تر و انعطاف‌پذیرتر را نیز در نظر بگیرد. این مقاله پیشرفت و جهت‌گیری‌های فنی بالقوه موسسات تحقیقاتی برای 6G را بررسی می‌کند. اگرچه مسیر فعلی 6G هنوز مشخص نیست و جهت‌گیری‌های بالقوه نیز در تئوری، پیاده‌سازی فیزیکی و شبکه‌سازی مشکلاتی دارند. با این حال، با سرمایه‌گذاری مداوم در تحقیقات علمی و پیشرفت مداوم صنعت، اعتقاد بر این است که نسل بعدی سیستم‌های ارتباطی سیار قطعاً تغییرات ابعادی بیشتر و براندازی عمیق‌تری را به همراه خواهد داشت!

منابع

【1】دانگ اس، امین او، شهدا بی، و همکاران. 6G باید چه باشد؟ [J]. Nature Electronics، 2020 (3): 20-29.
[2]کلاوس دی، هندریک بی. چشم‌انداز و الزامات 6G: آیا نیازی به فراتر از 5G وجود دارد؟ [J]. مجله فناوری خودرو IEEE، 2018، 13(3):72-80.
[3]یاستربوا آ، کیریچک آر، کوچریاوی ی و همکاران. شبکه‌های آینده ۲۰۳۰: معماری و الزامات[C]// کنگره بین‌المللی سیستم‌های مخابراتی و کنترل فوق مدرن و کارگاه‌ها. ۲۰۱۹.
[4]گزارش رسمی. محرک‌های کلیدی و چالش‌های تحقیقاتی برای هوش بی‌سیم فراگیر 6G. 2019
[5]گائو فانگ، لی منگوی. دانشگاه اولو در فنلاند، در ابتدا گزارشی منتشر کرد که در آن چشم‌انداز و چالش‌های 6G را پیشنهاد می‌کرد [J]. علم و فناوری چین، 2019(12).
[6]لیو جونفنگ، لیو شو، فو شیائوجیان و همکاران. متامواد و متاسطوح اطلاعات تراهرتز [J]. مجله رادار، 2018.
[7]لیو یانگ، پنگ موگن. امنیت درون‌زای نسل ششم: معماری و فناوری‌های کلیدی [J]. علوم ارتباطات، 2020(1):11-20.
[8]ژانگ ایکس، وانگ جی، پور اچ‌وی. مدل‌سازی تداخل و حداکثرسازی اطلاعات متقابل روی نانوشبکه‌های بی‌سیم موردی 6G THz[C]// GLOBECOM 2020 - کنفرانس جهانی ارتباطات IEEE 2020. IEEE، 2020.
[9]شیه شا، لی هاوران، لی لینگشیانگ و همکاران. مروری بر تحقیقات در مورد فناوری ارتباطات تراهرتز برای شبکه‌های 6G [J]. ارتباطات سیار، 2020(6):36-43.
[10]یو ام، تانگ ای، وانگ ایکس و همکاران. زمان‌بندی مشترک و تخصیص توان برای شبکه‌های مش تراهرتز 6G[C]// کنفرانس بین‌المللی محاسبات، شبکه و ارتباطات (ICNC) 2020. 2020.
[11]Li Xin, Wang Qiang. Discussion on 6G research progress and application prospects of key candidate technologies [J]. Telecommunications Express, 2020, No.593(11):10-13.
[12]یو ایکس، وانگ سی ایکس، هوانگ جی و همکاران. به سوی شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم نسل ششم: چشم‌انداز، فناوری‌های توانمندساز و تغییرات پارادایم جدید [J]. علوم چین. علوم اطلاعات، 2021، 64(1).
[13]چن اس، لیانگ وای سی، سان اس و همکاران. چشم‌انداز، الزامات و روند فناوری نسل ششم: چگونگی مقابله با چالش‌های پوشش سیستم، ظرفیت، نرخ داده کاربر و سرعت حرکت [J]. ارتباطات بی‌سیم IEEE، 2020.
[14]گوانگ وای، لیو وای، هوانگ ان و همکاران. چشم‌انداز، الزامات و معماری شبکه شبکه تلفن همراه 6G پس از سال 2030 [J]. 中国通信، 2020، 17(9):100-112.
[15]Rout SP. ارتباطات بی‌سیم نسل ششم: چشم‌انداز، قابلیت اجرا، کاربرد، الزامات، فناوری‌ها، مواجهه‌ها و تحقیقات آن[C]// یازدهمین کنفرانس بین‌المللی فناوری‌های محاسبات، ارتباطات و شبکه (ICCCNT) 2020.
[16]ژانگ زد، شیائو وای، ما زد و همکاران. شبکه‌های بی‌سیم نسل ششم: چشم‌انداز، الزامات، معماری و فناوری‌های کلیدی [J]. مجله فناوری خودرو IEEE، 2019 (99): 1-1.
[17]چادوری ام‌زد، شاه‌جلال ام، احمد اس و همکاران. سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم نسل ششم: کاربردها، الزامات، فناوری‌ها، چالش‌ها و مسیرهای تحقیقاتی [J]. مجله آزاد انجمن ارتباطات IEEE، 2020، صفحات 99: 1-1.