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6G em 2030: 5 grandes tendências, 13 tecnologias essenciais

2021-12-28 545

A tecnologia 5G já está totalmente comercializada. À medida que o 5G continua a penetrar em diversos setores, as ideias para o 6G ganham cada vez mais destaque. Com o objetivo de alcançar o futuro próximo (2030+), o 6G dará suporte integral à digitalização do mundo inteiro, com base no 5G, em conjunto com o desenvolvimento da inteligência artificial e outras tecnologias, para concretizar a disponibilidade ubíqua da inteligência, potencializar tudo, impulsionar a sociedade rumo a um mundo de "gêmeos digitais" que combine virtualidade e realidade, e realizar a bela visão de "gêmeos digitais, inteligência ubíqua".

Em torno dessa visão geral, as redes 6G irãoAproveite a vida de forma inteligente.,produção inteligente,Zhihuan SocietyEsses três aspectos deram origem a novos cenários de aplicação, como humanos digitais gêmeos, interação holográfica, supertransporte, interconexão sinestésica, interação inteligente, etc.

Esses cenários exigirão taxas de pico na ordem de terabits, latência inferior a um milissegundo, velocidades móveis superiores a 1,000 km/h e novas capacidades de rede, como segurança endógena, inteligência endógena e gêmeos digitais. Para atender às exigências mais elevadas dos novos cenários e serviços, a tecnologia e a arquitetura da interface aérea 6G requerem mudanças correspondentes.

01 tecnologia de rede futura

Atualmente, com a profunda integração das tecnologias de informação e comunicação, big data e inteligência artificial, a expansão da ubiquidade da rede, a melhoria contínua da experiência do usuário e das exigências de serviços personalizados, e o surgimento constante de muitas novas tecnologias habilitadoras, as redes do futuro também apresentam as seguintes características principais e tendências de desenvolvimento.

1. Comunicação de espectro completo

Com o aumento contínuo das necessidades de comunicação, as redes de comunicação móvel exigem mais espectro. Uma vez que o espectro abaixo de 6 GHz já foi alocado, as faixas de frequência de ondas milimétricas de 26 GHz e 39 GHz também foram destinadas ao 5G. Faixas de frequência mais altas, como THz e luz visível, precisam ser estudadas para atender às necessidades de maior capacidade e taxas de experiência ultrarrápidas.

A luz visível geralmente se refere à onda eletromagnética na faixa de frequência de 430 a 790 THz (comprimento de onda de 380 a 750 nm), que possui um espectro candidato de aproximadamente 400 THz. O terahertz se refere à onda eletromagnética na faixa de frequência de 0.1 a 10 THz (comprimento de onda de 30 a 3000 micrômetros), que possui um espectro candidato de aproximadamente 10 THz. Ambas possuem características de grande largura de banda, facilitando a comunicação em altíssima velocidade, e representam um potencial complemento para os futuros sistemas de comunicação móvel.

▲Frequency distribution

Tanto a luz visível quanto a frequência de terahertz apresentam grandes perdas na transmissão espacial, portanto não são adequadas para transmissão de longa distância em comunicações terrestres, mas são adequadas para fornecer maior capacidade e taxas mais altas em cenários locais e de curta distância.

Para melhorar a cobertura, a comunicação por luz visível pode aproveitar seu baixo consumo de energia, baixo custo, fácil implantação e outras características, combinando-a com funções de iluminação para alcançar uma cobertura mais ampla por meio de implantação ultradensa; a comunicação em terahertz, devido ao seu comprimento de onda curto, tamanho reduzido da matriz de antenas e baixa potência de transmissão, é mais adequada para uso em combinação com antenas de escala ultragrande para formar um feixe de terahertz com largura mais estreita e melhor diretividade, o que pode suprimir efetivamente a interferência e melhorar a distância de cobertura.

Do ponto de vista da implantação de toda a rede de comunicação móvel 6G, é necessário considerar de forma abrangente os custos, a demanda e a experiência do mercado, utilizando de forma eficaz todos os recursos de frequência disponíveis de acordo com os cenários. As faixas de frequência abaixo de 6 GHz ainda desempenharão um papel importante, especialmente no fornecimento de cobertura de rede contínua. As ondas milimétricas terão um papel ainda mais importante. As faixas de THz e de luz visível proporcionarão maior capacidade e taxas mais altas em cenários locais e de curta distância.

Portanto, após a introdução da luz visível e das comunicações em terahertz nas redes de comunicação móvel, torna-se necessário considerar a integração profunda em rede de todas as faixas de frequência abaixo de 6 GHz, ondas milimétricas, terahertz, luz visível, etc., para alcançar a complementação dinâmica de cada faixa de frequência, otimizando a qualidade geral do serviço em toda a rede e reduzindo o consumo de energia da rede.

2. Integração do céu, céu e terra

Ao mesmo tempo que aprimoram significativamente a experiência do usuário, as redes do futuro também devem atender às necessidades de serviço de internet a bordo de aeronaves, navios, etc., garantir a continuidade do serviço em veículos terrestres de alta velocidade, ferrovias de alta velocidade e outros terminais, suportar a implantação massiva de dispositivos IoT, como sistemas de resgate e socorro em desastres, monitoramento ambiental, prevenção de incêndios florestais, inspeções de terrenos desabitados, rastreamento de informações de contêineres marítimos, etc., e alcançar cobertura de baixo custo em áreas pouco povoadas. Portanto, a principal forma de expansão da rede no futuro será a criação de redes tridimensionais em espaços naturais, como o espaço sideral, montanhas profundas, mares profundos e terra. Assim, torna-se necessário construir uma rede integrada espacial, terrestre e terrestre para alcançar a "cobertura ubíqua" tridimensional das redes de comunicação em todo o mundo.

A rede integrada espaço-solo inclui principalmente três partes: bases espaciais compostas por satélites em diferentes órbitas, bases espaciais compostas por diversos veículos aéreos e bases terrestres compostas por estações terrestres de satélite e redes terrestres tradicionais.Ampla cobertura, implantação flexível, consumo de energia ultrabaixo, altíssima precisão e não suscetível a desastres terrestres.e outras características.

▲Air, space and ground integrated network

A integração ar-espaço-solo orientada para o 6G considera as redes de comunicação via satélite como um importante complemento e extensão das redes de comunicação terrestres, integrando profundamente ambas para melhorar significativamente as capacidades de acesso à interface aérea do usuário e as capacidades de cobertura tridimensional. Através do agendamento colaborativo de recursos satélite-solo e do roaming contínuo satélite-solo da rede integrada espaço-espaço-solo, é possível fornecer aos usuários serviços consistentes e imperceptíveis, garantindo resiliência robusta da rede e recursos sustentáveis e de alta intensidade.

3. DOICT integration

O 6G é uma nova geração de sistema de comunicação móvel profundamente integrada com tecnologias de comunicação, tecnologia da informação, tecnologia de big data, inteligência artificial e tecnologia de controle. Apresenta fortes características de desenvolvimento interdisciplinar e transversal.A visão da 6G de "gêmeos digitais e inteligência ubíqua" exige um projeto de ponta a ponta, desde a coleta, transmissão, processamento e aplicação da informação. A integração DOICT será a tendência de desenvolvimento da arquitetura de serviços e processamento de informações de ponta a ponta da 6G.

A profunda integração das TIC promove a definibilidade multidimensional da rede, que é a base das redes flexíveis. A profunda integração das TIC digitais promove a penetração abrangente da inteligência artificial e do big data na rede, que é a base das redes inteligentes. A profunda integração das TIC digitais digitais promove o desenvolvimento de redes determinísticas e é a base dos sistemas de automação e dos sistemas de gêmeos digitais.

O DOICT promoverá a integração profunda de nuvem, rede, edge computing, terminais e indústria com base no fluxo de big data, criará um ambiente confiável por meio de blockchain, melhorará a eficiência da utilização de recursos de todas as partes e atualizará colaborativamente as capacidades de computação em nuvem e edge computing, as capacidades de rede, as capacidades de terminais e as capacidades de negócios.

4. Reconfigurabilidade da rede

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia de comunicação móvel, as necessidades e os cenários de negócios tornaram-se mais diversificados e personalizados. No futuro, as redes 6G adotarão um design de arquitetura reconfigurável mais flexível.

Por um lado, com base em recursos de hardware compartilhados, a rede aloca recursos de rede e de interface aérea correspondentes aos diferentes serviços de cada usuário, viabilizando serviços sob demanda de ponta a ponta. Ao mesmo tempo que oferece o melhor serviço, também permite o compartilhamento de recursos para maximizar sua utilização e reduzir os custos de construção da rede. Por outro lado, a arquitetura de rede minimalista e os recursos de rede flexíveis e escaláveis proporcionam grande conveniência para a manutenção, atualizações e otimizações subsequentes da rede, reduzindo ainda mais os custos operacionais da rede para as operadoras. Além disso, os requisitos característicos da inteligência 6G também exigem maior poder computacional e escalabilidade para a rede.

5. Integração percepção-comunicação-computação

A integração percepção-comunicação-computação refere-se a uma estrutura tecnológica de processamento de informações de ponta a ponta que executa simultaneamente a coleta e o processamento de informações durante o processo de transmissão. Ela rompe com a estrutura hierárquica de serviços de informação, que envolve coleta de informações no terminal, transmissão pela rede e processamento na borda da nuvem. Trata-se de um requisito técnico para o fornecimento de serviços altamente integrados de percepção, comunicação e computação, como os utilizados em sistemas autônomos, experiências imersivas e gêmeos digitais.

A integração entre percepção, comunicação e computação divide-se especificamente em dois níveis: colaboração funcional e fusão funcional. No âmbito da colaboração funcional, a informação sensorial pode aprimorar as capacidades de comunicação; a comunicação pode expandir a dimensão e a profundidade da percepção; a computação pode realizar fusão de dados multidimensionais e análise de big data; a percepção pode aprimorar o desempenho de modelos e algoritmos computacionais; a comunicação pode viabilizar a computação ubíqua; e a computação pode realizar comunicação em escala ultragrande.

No contexto da integração funcional, os sinais de sensoriamento e os sinais de comunicação podem integrar o projeto e a detecção de formas de onda, compartilhando um conjunto de equipamentos de hardware. Atualmente, a tecnologia de integração de comunicação por radar tornou-se um ponto crucial. A integração das capacidades de detecção em terahertz e de comunicação, bem como a integração de imagens e comunicação em luz visível, tornaram-se tendências potenciais para a tecnologia 6G. Percepção e computação são integradas em uma rede com capacidade computacional otimizada, e computação e rede são integradas para alcançar uma arquitetura de rede definível de ponta a ponta e de microsserviços.

No futuro, a computação de comunicação perceptual poderá alcançar a reconfiguração funcional com base no desenvolvimento da tecnologia de chips definidos por software.

▲Cenário de aplicação integrada de percepção-comunicação-computação

Application scenarios for sensing-communication-computing integration include unmanned services, immersive services and digital twin services. In the field of unmanned business, it provides intelligent agent interaction capabilities and collaborative machine learning capabilities; in the field of immersive business, it provides the sensing and rendering capabilities of interactive XR, and the sensing, modeling and display capabilities of holographic communication; in the field of digital twin business, it provides the sensing, modeling, reasoning and control capabilities of the physical world; in the field of body area network, it provides personnel monitoring, human parameter sensing and intervention capabilities.
02tecnologia habilitadora sem fio

Diante das novas exigências de índice trazidas por novos cenários de aplicação, como taxas de pico na ordem de terabps, taxas de experiência do usuário na ordem de gigabps e latência de conexão próxima à de conexões cabeadas, é difícil atender a esses requisitos confiando apenas na tecnologia 5G existente. Por esse motivo, o setor também está pesquisando ativamente novas tecnologias, novas arquiteturas e novos projetos, na esperança de alcançar novos avanços. Este capítulo analisará as principais tecnologias potenciais das futuras redes de acesso sem fio sob três aspectos: tecnologia básica de transmissão, projeto de protocolo e arquitetura e tecnologia de rede autônoma.

Como todos sabemos, uma largura de banda maior pode aumentar a taxa de pico do sistema, mas a melhoria da eficiência espectral também depende do desenvolvimento da tecnologia de transmissão da camada física.

1. MIMO distribuído em escala ultralarga

Após a introdução do MIMO de ultra-grande escala, a capacidade das redes 4G/5G foi significativamente aprimorada. No entanto, devido à perda de percurso e à interferência intercelular, a experiência do usuário na borda da célula ainda precisa ser melhorada. O MIMO de ultra-grande escala distribuído estende o método tradicional de implantação centralizada para uma implantação distribuída, introduzindo a colaboração inteligente entre múltiplos nós distribuídos e realizando o agendamento conjunto de recursos e a transmissão conjunta de dados, conforme ilustrado na figura abaixo. Por meio da implantação distribuída e da colaboração inteligente, elimina-se efetivamente a interferência e melhora-se a qualidade da recepção do sinal; por outro lado, amplia-se a cobertura, proporcionando aos usuários uma experiência de desempenho sem fronteiras. Na futura rede 6G, especialmente em bandas de frequência mais altas e cenários de implantação densa, essa tecnologia demonstrará grande potencial de aplicação.

▲Diagrama MIMO distribuído em escala ultralarga

A indústria demonstrou teoricamente as vantagens do MIMO distribuído na melhoria da capacidade do canal. Análises teóricas mostram que, sob as mesmas condições de número total de antenas, potência total de transmissão e cobertura, o desempenho do sistema MIMO distribuído é mais uniforme do que o do MIMO centralizado, pois sempre há nós distribuídos mais próximos dos usuários e há uma colaboração inteligente no agendamento e na modelagem do sinal. Em particular, o ganho de desempenho para usuários de borda é mais significativo.

Devido ao aumento significativo na escala das antenas e no número de nós, o MIMO distribuído em ultra-grande escala apresenta desafios para as capacidades de troca de informações entre os nós, a seleção conjunta de nós de colaboração e o projeto de esquemas de modelagem, a complexidade dos algoritmos, o processamento de interferências, etc. Ao mesmo tempo, a transmissão conjunta coerente também impõe requisitos mais elevados para a consistência dos canais do transceptor entre os nós, sendo necessária mais pesquisa em soluções de calibração da interface aérea.

2. Metassuperfície inteligente

A Superfície Inteligente Reconfigurável (RIS) controla ondas eletromagnéticas por meio de unidades estruturais em sua superfície. Ajustando os parâmetros e a posição de cada unidade estrutural, é possível controlar a amplitude e a distribuição de fase da reflexão/emissão de ondas eletromagnéticas. Isso representa uma solução importante para os principais problemas da comunicação sem fio tradicional, como a transmissão sem visada direta e a redução de áreas sem cobertura.

A figura abaixo mostra um diagrama de sistema de comunicação sem fio assistida por RIS. A estação base controla o RIS, e o RIS ajusta a amplitude e a fase de suas próprias unidades estruturais com base no controle, realizando assim a reflexão controlada do sinal transmitido pela estação base. Comparado com a comunicação por retransmissão tradicional, o RIS pode operar em modo full-duplex e possui maior utilização do espectro. O RIS não requer enlaces de radiofrequência nem fontes de alimentação de grande escala, apresentando vantagens em termos de consumo de energia e custos de implantação.

▲Sistema de comunicação auxiliar RIS

O efeito prático da aplicação de RIS em comunicações móveis sem fio depende do nível de maturidade da pesquisa em metamateriais e da precisão e eficiência dos metamateriais controlados digitalmente. Ao mesmo tempo, o problema da dificuldade de estimativa dos canais da metasuperfície devido às suas características passivas, o esquema prático de pré-codificação conjunta de estações base e RIS, bem como a arquitetura de rede e o esquema de controle do RIS, necessitam de estudos adicionais.

3. Tecnologia de transmissão Super Nyquist

Nos sistemas de comunicação tradicionais, para evitar a interferência intersimbólica (ISI, Interferência Intersimbólica), geralmente utiliza-se o critério de Nyquist, limitando assim a taxa de transmissão de símbolos. A técnica de transferência Super Nyquist apresenta indícios de falha, conforme ilustrado na figura abaixo. Dessa forma, utiliza-se uma taxa de transmissão mais rápida para enviar os símbolos, introduzindo artificialmente ISI durante a transmissão e, em seguida, empregando um receptor mais avançado para eliminar a ISI por meio de sobreamostragem na extremidade receptora, melhorando assim a taxa de transmissão real e a utilização do espectro do enlace.

▲Diagrama esquemático do diagrama de blocos do transceptor do sistema de transmissão Super Nyquist

A densidade espectral de potência de um sinal de transmissão super-Nyquist está relacionada apenas à função de resposta em frequência do filtro de transmissão e não amplia a largura de banda. A figura abaixo compara a largura de banda do sistema de transmissão super-Nyquist com a do sistema Nyquist tradicional. A forma de onda no domínio do tempo da banda base é uma onda retangular, e o número de camadas sobrepostas do sistema de transmissão super-Nyquist é 4. Pode-se observar na figura que o sistema de transmissão super-Nyquist não altera o formato da distribuição do espectro, ou seja, não amplia a largura de banda.

▲Comparação da largura de banda entre o sistema super-Nyquist e o sistema Nyquist

Em um sistema de múltiplas antenas, a tecnologia de transmissão super-Nyquist é utilizada para gerar atrasos entre as antenas transmissoras, e a sobreamostragem é usada para criar antenas receptoras virtuais. Isso pode melhorar o ganho de multiplexação espacial e diversidade quando o número de antenas do lado do usuário é limitado. Portanto, mesmo usuários com uma única antena podem obter ganho de multiplexação espacial. Como pode ser visto na figura abaixo, quando a relação sinal-ruído é alta, o sistema de antenas virtuais baseado em transmissão super-Nyquist apresenta um ganho significativo em comparação com o MISO tradicional. Quando a relação sinal-ruído é de 10 dB, um ganho de capacidade superior a 40% pode ser obtido.

▲Comparação da capacidade entre sistemas de transmissão super-Nyquist e sistemas de transmissão Nyquist tradicionais

O algoritmo de decodificação ideal para a tecnologia de transmissão super-Nyquist é o algoritmo de decodificação de Viterbi, baseado na estimativa de sequência de máxima verossimilhança. No entanto, sua complexidade aumenta exponencialmente com o aumento da sobreposição. Portanto, o projeto de receptores de baixa complexidade é crucial para o desenvolvimento prático desse sistema. Ao mesmo tempo, as tecnologias multicarridoras e de grande escala continuarão sendo predominantes no futuro. Como combiná-las com a tecnologia OFDM/MIMO e considerar o impacto dos canais de desvanecimento multicaminho reais no sistema requer uma discussão aprofundada.

4. Transformar forma de onda no domínio da transformação

A tecnologia de forma de onda desempenha um papel importante no projeto da interface aérea de sistemas de comunicação sem fio nas gerações passadas. O desempenho das formas de onda OFDM usadas em sistemas 4G e 5G depende da ortogonalidade entre suas subportadoras. Se a ortogonalidade entre as subportadoras for comprometida por fatores como o deslocamento de frequência Doppler, o desempenho geralmente diminui significativamente.

▲Diagrama esquemático do princípio da forma de onda no domínio da transformada

As formas de onda no domínio da transformada são projetadas para superar as deficiências mencionadas anteriormente nas formas de onda OFDM. Diferentemente do esquema de forma de onda tradicional, que considera os símbolos transmitidos como estando localizados no domínio tempo-frequência clássico, a forma de onda no domínio da transformada considera os símbolos transmitidos como estando localizados em outros domínios duais (como atraso-frequência, Doppler variável no tempo e outros domínios duais), conforme mostrado na figura abaixo. Através da transformação entre domínios duais, os símbolos no domínio da transformada podem alcançar um efeito de diversidade multidimensional, utilizando efetivamente fatores desfavoráveis, como o deslocamento de frequência Doppler nas formas de onda OFDM, como um grau de liberdade de diversidade para melhorar o desempenho da transmissão.

▲Comparação de desempenho entre forma de onda no domínio da transformada e OFDM

A figura acima mostra a comparação do desempenho da taxa de erro de bloco entre a forma de onda no domínio da conversão descendente, com a suposição de estimativa de canal ideal, e o OFDM em um ambiente móvel de 500 km/h. O modelo de canal CDL é considerado na simulação. O espaçamento entre subportadoras é de 60 kHz. A codificação do canal é um código convolucional com taxa de código de 1/3. O número de subportadoras é 128. A forma de onda no domínio da transformada considera o processamento conjunto de seis símbolos OFDM consecutivos no domínio do tempo. Os resultados mostram que as formas de onda no domínio da transformada podem lidar efetivamente com o deslocamento de frequência Doppler em ambientes móveis de alta velocidade e alcançar um melhor desempenho na taxa de erro de bloco.

Embora pesquisas relevantes demonstrem que o esquema de forma de onda no domínio da transformada pode alcançar ganhos significativos em comparação com o esquema tradicional baseado em OFDM em movimentos de alta velocidade e outros cenários, como recuperar com precisão o sinal transmitido a um custo menor é um tópico importante na pesquisa de formas de onda no domínio da transformada. Além disso, como projetar sinais de referência eficientes para adquirir com precisão canais com múltiplas antenas e com baixa sobrecarga requer mais pesquisas.

5. Conexões físicas impulsionadas por IA

Desde as comunicações 5G, a inteligência das redes sem fio tornou-se um tópico importante, visando alcançar uma alocação e utilização mais eficientes dos recursos de rede. Como uma das principais tecnologias habilitadoras para a inteligência de redes sem fio, a inteligência artificial (IA) está se infiltrando em todos os níveis da rede central, gerenciamento de rede e na camada física e pilha de protocolos de alto nível da rede de acesso. Dentre elas, a IA da camada física geralmente se refere a soluções técnicas que utilizam métodos de inteligência artificial/aprendizado de máquina para implementar ou aprimorar as funções da camada física das redes sem fio.

A IA pode ser aplicada principalmente ao processamento de CSI, ao projeto de receptores e ao projeto de enlaces de ponta a ponta na camada física. Por exemplo, a rede neural em aprendizado profundo é usada para aprender a representação comprimida de CSI de alta dimensionalidade em comunicações sem fio, reduzindo assim a sobrecarga de feedback de CSI; a rede neural artificial é usada para aprender o mapeamento inverso do sinal de interferência recebido para o sinal original, o que elimina a necessidade de estimativa e equalização explícitas do canal; a otimização conjunta do transmissor e do receptor em um ambiente de canal específico pode aprender efeitos não ideais no canal e melhorar o desempenho da transmissão.

No entanto, usar módulos de IA para substituir módulos tradicionais da camada física de forma isolada (como uma "caixa preta") dificilmente superará os projetos tradicionais em termos de desempenho. Em contrapartida, a ideia de combinar métodos de inteligência artificial com conhecimento especializado humano é uma escolha melhor, que pode aproveitar as vantagens de ambas as partes. Além disso, para explorar plenamente o potencial da IA na redução de sobrecarga e complexidade, os sinais de referência e a alocação de recursos da interface aérea precisam ser projetados adequadamente e até mesmo em conjunto entre módulos de múltiplos enlaces, o que pode ter um impacto maior na estrutura da interface aérea e no projeto de sinalização existentes.

6. Controle de link plug and play

A rede de acesso sem fio 6G precisa ter recursos de expansão automática de cobertura para melhor completar a cobertura tridimensional em todos os cenários. Quando um novo serviço de rede se conecta à rede, ele pode rapidamente estabelecer uma conexão, conectar-se e usar o recurso "plug and play", expandindo a cobertura. A tecnologia de controle de link "plug and play" inclui os seguintes aspectos:
Consciência do processo:Detectar vários tipos de solicitações de acesso e iniciar os processos de handshake e sinalização de controle apropriados. É necessário identificar e acessar com precisão diferentes tipos de pontos de acesso para alcançar uma expansão flexível da cobertura.

Cloud-to-edge control and coordination:A nuvem proporciona gerenciamento e controle flexíveis e precisos de pontos de acesso de borda, incluindo controle de acesso, alocação automática de recursos de largura de banda e coordenação entre links. O processamento em nuvem pode introduzir recursos de IA para dar suporte às funções acima.

Pontos de acesso gerados automaticamente e otimizados de forma autônoma:Utilize digital twin/AI and other technologies to conduct fully automated, full life cycle management and monitoring of various access points. When the access point is newly added to the network, it can automatically complete the configuration and realize self-generation; when the access point is running, it can adjust parameters and automatically optimize according to real-time scenarios, and improve services as needed to better meet the needs of users.

▲Controle de link plug and play

Canais de transmissão de alta velocidade e eficiência, bem como largura de banda ampla e alta capacidade de transmissão em tempo real, são necessários entre a nuvem e a borda para garantir a interação de informações em tempo real entre interfaces plug-and-play. Gêmeos digitais robustos e suporte a algoritmos de IA também são necessários para completar o gerenciamento e controle automatizados de pontos de acesso remotos.

7. Controle adaptativo de QoS da interface aérea

A era do 6G será uma era altamente baseada em dados e inteligência artificial. Novos serviços, como imagens holográficas, serviços de realidade estendida (XR) e percepção e interação em espaços virtuais, impuseram requisitos ainda mais rigorosos para a garantia da qualidade de serviço das redes 6G.

O controle adaptativo de QoS na interface aérea baseia-se em restrições de QoS de ponta a ponta. Ele garante a QoS dos dados transmitidos pela interface aérea considerando as características de transmissão em tempo real, os recursos limitados da interface aérea e as restrições de tempo de resposta. Trata-se de uma tecnologia fundamental para serviços de interface aérea sob demanda e para a eficiência da rede.

O controle adaptativo de QoS da interface aérea inclui os seguintes aspectos:
1. Flexible QoS detection mechanism:Combinada com tecnologia de IA/big data, ela pode realizar a detecção e modelagem da QoS dos serviços transmitidos, bem como o ajuste adaptativo.
2. Integração profunda de recursos de QoS empresarial e de interface aérea:Explore um novo mecanismo de QoS que combina QoS empresarial e recursos de serviço de interface aérea. Com base nos requisitos precisos do serviço, a rede de acesso sem fio ajusta esses requisitos ao status da interface aérea em tempo real por meio de agendamento e gerenciamento de recursos sem fio.
3. AS layer end-to-end QoS mechanism:The terminal combines the QoS information provided by the access network to perform more refined QoS management to achieve accurate and efficient transmission of uplink and downlink data over the air interface.
Olhando para o futuro, os requisitos de negócios das redes 6G estão em constante evolução. O mecanismo de QoS envolve a rede central, a rede de transmissão e a rede de acesso. Um mecanismo de QoS unificado e coordenado entre a rede central, a camada de transporte e a rede de acesso é uma questão que precisa ser considerada no futuro.
03tecnologias habilitadoras de rede

1. Solução de sinalização leve

Do ponto de vista do processo de desenvolvimento do 2G, 3G, 4G ao 5G, a expansão contínua da escala da rede e o aumento da complexidade levaram a uma arquitetura de rede complexa e redundante. De acordo com as tendências atuais de desenvolvimento de redes, a complexidade da rede 6G, que suporta a Internet de Todas as Coisas (IoT), aumentará exponencialmente. Soluções de sinalização leves são uma escolha inevitável para o projeto do 6G.

A rede de acesso sem fio 6G precisa ser projetada de acordo com um esquema de sinalização unificado e integrar múltiplas tecnologias de acesso à interface aérea sob controle de sinalização unificado para alcançar o controle unificado da interface aérea e reduzir a complexidade do acesso do terminal à rede. Em termos de projeto de função da pilha de protocolos, pode-se considerar o projeto de função de protocolo diferenciado, a distribuição de função de protocolo e o projeto de interface podem ser otimizados, e a tecnologia de IA pode ser combinada para aprimorar ainda mais as funções do protocolo.

Em termos de funções de rede, as redes 6G podem ser divididas emWide coverage of signaling layereOn-demand data layerPor meio do mecanismo de separação do plano de sinalização e do plano de usuário, uma sobreposição de sinalização unificada é utilizada para garantir gerenciamento de mobilidade confiável e acesso rápido ao serviço; através do carregamento dinâmico sob demanda da camada de dados, as necessidades de negócios dos usuários da rede são atendidas. Os dois trabalham juntos de forma flexível para reduzir o número de estações base implantadas e melhorar a experiência de percepção de serviço dos usuários.

▲Controle de sinalização leve

Soluções de sinalização leves exigem alta confiabilidade, baixa latência e suporte de rede de transmissão de baixo custo. A rede de transmissão requer topologia flexível e largura de banda suficiente. É necessário um projeto integrado de centro de controle sem fio, rede de transmissão e ponto de acesso à rede. Além disso, a separação entre sinalização e serviços exige a coordenação das bandas de frequência disponíveis do 6G para aproveitar ao máximo as vantagens de ampla cobertura e carregamento flexível de serviços.

2. Projeto de serviço de ponta a ponta

Com a profunda integração da tecnologia DOICT e o surgimento de um grande número de novos serviços, as operadoras precisam que a rede tenha a capacidade de responder rapidamente a novas demandas para fornecer serviços de rede com agilidade. A tecnologia de serviços nativa da nuvem é uma tecnologia importante que viabiliza essas capacidades e impulsiona a evolução das funções de protocolo em direção a uma arquitetura orientada a serviços. A função de protocolo baseada na arquitetura orientada a serviços tem a capacidade de executar a função de protocolo de acordo com as necessidades de negócios. As características técnicas se refletem nos seguintes aspectos:

1. Funções de protocolo impulsionadas pela tecnologia de serviços nativos da nuvem:Partindo do pressuposto de que as relações de restrição lógica de cada camada do protocolo são respeitadas, as entidades funcionais do protocolo são reconstruídas em módulos flexíveis e combináveis. Cada módulo pode ser combinado, implementado e operado de forma flexível, conforme necessário, para viabilizar novas funcionalidades de serviços de rede.
2. Interfaces baseadas em tecnologia de serviços nativa da nuvem:The internal and external interfaces of the access network are reconstructed based on the cloud-native service-oriented interface form and interface protocols, which already support the flexible combination of protocol function modules and the opening of network capabilities;
3. Capability opening driven by cloud native service technology:Provide third parties with a convenient, fast and unified access network information exchange mechanism and policy adjustment mechanism to achieve a win-win situation through intelligence integration.

▲Protocol based on service-oriented architecture

As funções do protocolo reconstruído incluem duas categorias: funções básicas e funções incrementais:

1. As funções básicas incluem funções a nível comunitário., tais como gerenciamento de conexão, gerenciamento do plano de usuário, gerenciamento de economia de energia do UE e outras funções, bem como os serviços de rede correspondentes.
2. As funções incrementais incluem o registro de serviços de rede de acesso, coleta e armazenamento de dados, exposição de capacidades, análise e tomada de decisões por IA e serviços de rede correspondentes.
A alta capacidade de processamento em tempo real e a grande flexibilidade das funções da rede de acesso impõem altas exigências ao armazenamento, à capacidade de processamento e à interação de informações em tempo real da plataforma. A capacidade da tecnologia de integração profunda DOICT de atender a essa demanda requer mais pesquisas e verificações. Ao mesmo tempo, as funções da rede de acesso são fortemente acopladas, e alcançar "alta coesão e baixo acoplamento" com funções adequadas é um projeto de sistema complexo. Além disso, em comparação com as soluções tradicionais, a tecnologia de servitização atual acarreta um aumento no custo de um único dispositivo. Encontrar o equilíbrio entre custos e benefícios é um problema sistêmico.

O protocolo baseado na arquitetura orientada a serviços é executado na plataforma em nuvem, utilizando recursos nativos da nuvem para alcançar desenvolvimento, implantação e gerenciamento baseados em microsserviços. As plataformas nativas da nuvem precisam se adaptar às características da rede para obter uma implantação eficiente, aberta e entre nuvens.

▲Tendência de evolução da tecnologia em nuvem

Nos últimos 20 anos, a tecnologia da computação passou por um rápido desenvolvimento, desde servidores físicos até máquinas virtuais e contêineres, e a arquitetura nativa em nuvem tornou-se a prática técnica mais adequada para o design de aplicações em nuvem. A arquitetura nativa em nuvem é um conceito fundamental para o projeto de aplicações em nuvem. É o caminho ideal para explorar ao máximo o desempenho da nuvem. Ela auxilia os operadores a construir sistemas de rede elásticos, confiáveis, com baixo acoplamento, fáceis de gerenciar e observáveis, melhorando a eficiência de entrega e reduzindo a complexidade de operação e manutenção. Tecnologias representativas incluem infraestrutura imutável, service mesh, APIs declarativas, Serverless, etc. A arquitetura de tecnologia nativa em nuvem possui as seguintes características típicas:

A elasticidade máxima permite respostas em nível de segundos ou até mesmo de milissegundos;

O mecanismo de agendamento altamente automatizado pode alcançar fortes capacidades de autorrecuperação;

O alto grau de adaptabilidade permite capacidades de implantação em larga escala e replicáveis em diferentes regiões, plataformas e até mesmo provedores de serviços.

A computação nativa em nuvem reduz significativamente as barreiras de entrada para a computação em nuvem, possibilita a colaboração interdisciplinar entre P&D e operação e manutenção, aumenta a velocidade de iteração aberta e impulsiona a inovação nos negócios. Atualmente, as tecnologias nativas em nuvem estão em plena expansão, incluindo orquestração de contêineres em multicloud, servidores nativos em nuvem, armazenamento nativo em nuvem, redes nativas em nuvem, bancos de dados nativos em nuvem, filas de mensagens nativas em nuvem, grids de serviços, contêineres sem servidor, Função como Serviço (FaaS), Backend como Serviço (BaaS), etc.

Os serviços de telecomunicações têm requisitos mais elevados em termos de desempenho, baixa latência, confiabilidade, segurança e custos de equipamentos. Isso exige que a tecnologia nativa da nuvem evolua de acordo com as características dos serviços de telecomunicações para atender aos altos padrões exigidos.

3. Função de detecção inteligente

Há cada vez mais serviços interativos baseados em nuvem com latência ultrabaixa e alta largura de banda para 6G. O design atual em camadas e em "chaminé" da camada de aplicação, camada de transmissão de negócios e camada de rede móvel resulta em tempos de transmissão de pacotes de dados mais longos e em uma diminuição da experiência do usuário.

Para alcançar uma correspondência precisa e em tempo real entre as capacidades de transmissão de negócios e as capacidades da rede, é necessário introduzir medições e feedbacks de alta precisão e em tempo real em cada camada do protocolo da rede de ponta a ponta, permitindo a otimização colaborativa. Além disso, é preciso introduzir funções de processamento inteligente no lado da rede, incluindo estimativa e previsão inteligentes. Por um lado, os dados de medição e interação são pré-processados para reduzir a dimensionalidade e comprimir os dados. Por outro lado, a assinatura e a notificação são realizadas de acordo com as necessidades da camada de aplicação e da camada de transmissão de negócios, a fim de reduzir o custo da transmissão na rede.

▲Cross-layer joint architecture design

Ao mesmo tempo, realiza uma percepção inteligente e aprofundada dos requisitos de transmissão da camada de aplicação, possibilita a percepção e previsão em tempo real dos requisitos de transmissão em nível de pacote, protegendo integralmente a privacidade do usuário, e fornece orientação precisa para o controle de congestionamento da camada de transmissão de negócios e o agendamento de recursos da camada de rede móvel.
O sistema de serviço de rede de sensores inteligentes requer a colaboração entre múltiplas camadas de protocolo, múltiplos elementos de rede e múltiplas áreas técnicas. Ele enfrenta muitos desafios, como a dificuldade na verificação de soluções técnicas e a introdução de funções potencialmente não padronizadas. Ao mesmo tempo, como o projeto conjunto de cada camada de protocolo e a padronização das interações envolvem múltiplas organizações de padronização e grupos de trabalho, o avanço de novas tecnologias em termos de padronização enfrenta grandes desafios.

4. Sistema de autonomia de rede baseado em gêmeos digitais

A tecnologia de gêmeos digitais refere-se à criação de uma entidade virtual a partir da entidade do mundo físico no mundo digital, por meio de recursos digitais, permitindo assim a observação, análise, simulação, controle e otimização dinâmicos da entidade do mundo físico. A tecnologia de redes de gêmeos digitais inclui modelagem funcional, modelagem de elementos de rede, modelagem de rede, simulação de rede, modelos de parâmetros e desempenho, testes automatizados, coleta de dados, processamento de big data, análise de dados, aprendizado de máquina com inteligência artificial, previsão de falhas, otimização de topologia e roteamento. Dessa forma, problemas complexos em cada etapa da rede podem ser transferidos para o mundo digital para serem solucionados, e a autonomia da rede pode ser alcançada por meio de monitoramento, previsão, otimização e simulação.

▲Gêmeos digitais concretizam a autonomia da rede

Baseada em tecnologia de gêmeos digitais e inteligência artificial, a rede 6G será uma rede autônoma com capacidades de auto-otimização, autoevolução e autodesenvolvimento. A rede auto-otimizada prevê a tendência do estado futuro da rede e intervém antecipadamente em caso de possível degradação de desempenho. O domínio digital otimiza e simula continuamente o estado ideal da rede física e emite antecipadamente as operações de manutenção e operação correspondentes para corrigir automaticamente a rede física.

A rede autoevolutiva analisa e toma decisões sobre o caminho de evolução das funções de rede com base em inteligência artificial, incluindo a otimização e o aprimoramento das funções de rede existentes, bem como o projeto, a implementação, a verificação e a implantação de novas funções. A rede autoconstruída identifica e prevê diferentes necessidades de negócios, orquestra e implanta automaticamente funções de rede em cada domínio e gera fluxos de serviço de ponta a ponta que atendem às necessidades de negócios; ela expande automaticamente sites com capacidade insuficiente e realiza planejamento automático, inicialização automática de hardware e carregamento automático de software para áreas sem cobertura de rede.

Como um novo conceito aplicado na área de redes, a tecnologia de gêmeos digitais precisa de maior consenso no setor. A julgar pelo processo em diversos setores, isso leva tempo. Ao mesmo tempo, a tecnologia de gêmeos digitais depende da coleta de uma grande quantidade de dados, o que aumenta os custos de equipamentos, e o método de coleta de dados também exige inovações revolucionárias.

5. Transmissão de dados determinística

O conceito de determinismo foi proposto e padronizado inicialmente pelo IEEE. O Grupo de Trabalho IEEE 802.1 criou o Grupo de Trabalho de Ponte de Áudio e Vídeo (AVB) em 2007 com o objetivo de substituir HDMI, alto-falantes e cabos coaxiais em residências por Ethernet. Com a aplicação bem-sucedida do padrão IEEE 802.1AVB em estúdios, locais de eventos esportivos e de entretenimento, essa tecnologia começou a atrair a atenção das indústrias automotiva e industrial.
Em 2012, o Grupo de Trabalho IEEE 802.1AVB foi renomeado para Grupo de Trabalho de Redes Sensíveis ao Tempo (TSN). O padrão TSN estende a tecnologia AVB, possui sincronização de tempo, garantia de atraso e outros mecanismos para assegurar desempenho em tempo real, além de suportar agendamento e modelagem de tráfego, confiabilidade, gerenciamento de configuração e outros protocolos relacionados. Em 2015, o IETF estabeleceu o Grupo de Trabalho de Redes Determinísticas (DetNet), que se dedica a estender a tecnologia determinística baseada em Ethernet para redes IP de longa distância, a fim de fornecer limites de pior caso para atraso, perda de pacotes e jitter, permitindo a transmissão de dados determinística.
Como se pode observar acima, a transmissão determinística para redes fixas vem sendo proposta há 10 anos, mas a pesquisa sobre transmissão determinística para redes móveis está apenas começando. Isso se deve principalmente a: 1. A interface aérea é facilmente afetada pelo ambiente e a qualidade da transmissão é difícil de prever; 2. A falta de um mecanismo de garantia determinística de ponta a ponta.
Na era do 6G, a transmissão de dados determinística se tornará a capacidade representativa das redes 6G, alcançando características como atraso limitado, baixo jitter, alta confiabilidade e sincronização de tempo de alta precisão. As dificuldades que precisam ser superadas incluem os seguintes aspectos:
1. How to achieve flexible resource reservation and real-time scheduling on wireless air interfaces.The unpredictability of the air interface is the main bottleneck in achieving end-to-end deterministic transmission. This requires that in the 6G era, first of all, air interface resources are sufficient and unrestricted, and data packets can be flexibly scheduled in real time within the access network to ensure that packets can be processed and sent out within the specified time.
2. Como implementar um mecanismo de transmissão determinístico de área ampla.A tecnologia IEEE TSN é difícil de aplicar em grandes áreas. Isso ocorre principalmente porque o CNC (Controlador Navegador Computadorizado) no sistema TSN não consegue realizar cálculos de trajetória em larga escala e agendamento preciso em tempo real, e a precisão da sincronização de tempo diminui progressivamente à medida que o percurso se estende.
3. Como alcançar a integração de mecanismos determinísticos entre camadas e domínios.In the 5G era, mobile networks are still a layer of networks carried on top of IP, which poses severe challenges to deterministic transmission scheduling for cross-domain collaboration. In the 6G era, from the beginning of network design, it is hoped to achieve heterogeneous access, fixed-mobile integration, and collaborative management. Mobile networks need to absorb the second- and third-layer deterministic transmission protocols of existing fixed networks to achieve deployment integration, protocol support, and collaborative scheduling, thereby achieving end-to-end cross-layer and cross-domain deterministic data transmission.

6. Rede programável

A rede 6G precisa suportar a programabilidade da rede e viabilizar a colaboração entre redes de acesso, borda, núcleo, longa distância e dados, para que a rede de telecomunicações possua capacidades de personalização completas em múltiplos serviços, múltiplas áreas e ao longo de todo o ciclo de vida. A programabilidade da rede se reflete em diversos níveis, de baixo para cima: programação de chips (como P4, POF), programação de FIB (como OpenFlow), programação de RIB (como BGP, PCEP), programação do sistema operacional do dispositivo, programação da configuração do dispositivo (como CLI, NETCONF/YANG, OVSDB), programação do controlador e programação de serviços (como GBP, NEMO).
As redes do futuro precisam atender aos requisitos de programabilidade em quatro dimensões: elementos de rede, protocolos, serviços e gerenciamento:
1. Os elementos da rede de equipamentos são programáveis:À medida que os tipos de serviços de dados se tornam mais diversificados e personalizados, e os usuários têm demandas cada vez maiores por novas funções de rede, as pilhas de protocolos dos elementos de rede dos equipamentos suportam funções de rede limitadas, e os chips das placas de rede utilizadas não conseguem prever todas as funções de rede possíveis nos próximos anos. Como componente básico da rede, o elemento de rede precisa de uma arquitetura de hardware que permita aos usuários redefinir funções e executar diferentes tipos de protocolos, processamento de encapsulamento e desencapsulamento conforme necessário.
Ao mesmo tempo, a arquitetura de software superior é composta por módulos ou APIs com funções claramente divididas, permitindo que os usuários reorganizem esses módulos ou chamem interfaces para atingir objetivos personalizados, como classificação, modelagem de tráfego, QoS, etc. Os elementos de rede do equipamento suportam programabilidade, possibilitando o suporte eficiente à personalização pelo usuário e à evolução contínua de novos protocolos.
2. O protocolo de rede é programável:A divisão funcional entre redes de telecomunicações e redes de dados está se tornando cada vez mais tênue, e os protocolos e arquiteturas de rede também estão se interpenetrando. À medida que os cenários de aplicação continuam a evoluir, novas demandas por funções da pilha de protocolos de rede surgem sucessivamente, e a evolução e inovação dos protocolos de rede continuam a emergir (como NewIP, SRv6, QUIC, etc.). Diante da coexistência a longo prazo de protocolos antigos e novos, é inevitável que os protocolos dentro e entre as redes de ponta a ponta suportem comutação síncrona, e até mesmo que os protocolos de rede de ponta a ponta para fatiamento de rede possam ser selecionados sob demanda com base nos tipos de serviço do usuário e nos requisitos de qualidade. Isso possibilitará uma transição suave da rede pós-5G+ para a rede 6G.
3. Os caminhos de negócio são programáveis:À medida que as redes de ponta a ponta transportam cada vez mais serviços, precisamos garantir que haja uma sequência temporal para que a rede ou seus elementos concluam as atualizações de novos serviços. Isso permite a configuração sob demanda de diferentes dados de usuário e o uso de diferentes caminhos de processamento de negócios. A solução não só adota o esquema de reutilização e transformação, como também possibilita a migração gradual para arquiteturas de rede inovadoras, comutação suave e atendimento à expansão ilimitada das necessidades do usuário com custos limitados. Além disso, o caminho de encaminhamento do terminal, rede de acesso, rede central, rede de longa distância e toda a rede do data center é mensurável e ajustável, permitindo que a colaboração de ponta a ponta entre negócios, rede e borda seja verdadeiramente concretizada, e a segurança da rede de ponta a ponta seja alcançada.
4. The management method is programmable:À medida que as redes de telecomunicações se tornam cada vez mais complexas, os custos de operação e manutenção dentro da rede permanecem elevados, e as barreiras de operação e manutenção entre redes ainda não foram superadas, resultando em capacidades insuficientes de monetização comercial e retardando o lançamento de novos serviços. A programação de métodos de gestão significa que, em termos de métodos de monitoramento e gestão, os elementos da rede devem suportar métodos de gestão múltiplos ou personalizados para promover três melhorias: eficiência de recursos, eficiência energética e eficiência de operação e manutenção, e alcançar um sistema de rede autônomo de circuito fechado orientado à experiência do usuário.
Já relatamos anteriormente a aplicação do 5G em 21 setores verticais. À medida que o 5G se torna cada vez mais popular, a demanda por comunicações voltadas para o futuro se torna ainda mais evidente. Novos negócios, aplicações, serviços e materiais relacionados estão se desenvolvendo rapidamente, e novas tecnologias como computação em nuvem, big data, blockchain e inteligência artificial estão se integrando constantemente às tecnologias de comunicação. Essas necessidades urgentes, combinadas com as últimas mudanças e tendências de desenvolvimento, impulsionam continuamente o projeto e a pesquisa do 6G. Embora as ideias atuais para o 6G possam parecer um tanto fantasiosas, a velocidade de desenvolvimento dessa tecnologia frequentemente supera as expectativas.

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