Ερευνητές και μηχανικοί σε όλο τον κόσμο εργάζονται ήδη σκληρά για την επόμενη γενιά ασύρματων επικοινωνιών, την 6G, η οποία θα πρέπει να είναι διαθέσιμη γύρω στο 2030. Ειδικά τα αυτοκίνητα θα μπορούσαν να επωφεληθούν από τους υψηλούς ρυθμούς δεδομένων και από τη συγχώνευση των επικοινωνιών και της ανίχνευσης του περιβάλλοντος.
Οι φορείς εκμετάλλευσης δικτύων αναπτύσσουν επί του παρόντος τα δίκτυα 5G με πλήρη ταχύτητα, γεγονός που τους επιτρέπει να εισάγουν έναν μεγάλο αριθμό νέων εφαρμογών κατά τη διαδικασία -όχι τουλάχιστον στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας, όπως αποδεικνύεται από την ανάπτυξη έξυπνων και συνδεδεμένων οχημάτων στο Τεχνικό Κέντρο Nardò της Porsche Engineering.
Διαβάστε Επίσης
Αλλά τα ερευνητικά ιδρύματα και οι εταιρείες σκέφτονται ακόμη πιο μπροστά και έχουν ήδη ξεκινήσει τον αγώνα δρόμου για την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς κινητών επικοινωνιών. Προς το τέλος της δεκαετίας, το νέο πρότυπο 6G αναμένεται να προσφέρει, μεταξύ άλλων, ακόμη υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων, χαμηλότερη καθυστέρηση και βελτιωμένη αξιοπιστία. "Υπάρχει έντονη δραστηριότητα σε αυτόν τον τομέα στις ΗΠΑ, την Κίνα και την Ευρώπη", αναφέρει ο Andreas Müller, επικεφαλής όλων των έργων 6G στην Bosch.
"Έχει γίνει κατανοητό σε όλες τις περιοχές του κόσμου ότι οι κινητές επικοινωνίες επόμενης γενιάς είναι ζήτημα στρατηγικής σημασίας". Ωστόσο, οι ερευνητές έχουν ακόμη πολύ δρόμο να καλύψουν προτού η 6G μπει στην καθημερινότητα των ιδιωτών και των εμπορικών χρηστών, καθώς τα μελλοντικά δίκτυα 6G θα απαιτήσουν σημαντική μετατόπιση των ορίων του τεχνικά εφικτού.
Για παράδειγμα, οι προγραμματιστές έχουν ανακαλύψει την τρίτη διάσταση για να εξασφαλίσουν την αδιάλειπτη ανταλλαγή δεδομένων σε όλο τον κόσμο. "Μέχρι τώρα, οι κινητές επικοινωνίες περιορίζονταν κυρίως στην επιφάνεια της γης", λέει ο Bernhard Niemann, επικεφαλής του τμήματος Broadband and Broadcast στο Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS. "Με το 6G, από την άλλη πλευρά, οι δορυφόροι θα ενσωματωθούν για πρώτη φορά στο δίκτυο από την αρχή".
Από δορυφόρο σε δορυφόρο
Οι δορυφόροι θα μπορούσαν να είναι σταθεροί σε γεωστατική τροχιά (GEO) σε υψόμετρο 36.000 χιλιομέτρων ή οι αντίστοιχοι δορυφόροι σε χαμηλότερη τροχιά, για παράδειγμα σε χαμηλή γήινη τροχιά (LEO), η οποία βρίσκεται σε ύψος 200 έως 2.000 χιλιομέτρων πάνω από την επιφάνεια της Γης. Ακόμη και τα μπαλόνια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως πλατφόρμες μεγάλου ύψους για σταθμούς βάσης 6G σε υψόμετρο 15 έως 20 χιλιομέτρων.
Στις υψηλότερες συχνότητες των 10 GHz ή περισσότερο, οι κεραίες των συσκευών 6G πρέπει να είναι στραμμένες προς την κατεύθυνση των δορυφόρων ή των μπαλονιών. Οι δορυφόροι LEO παρουσιάζουν μια πρόσθετη πρόκληση: επειδή κινούνται γρήγορα στον ουρανό, η σύνδεση πρέπει να μεταβιβάζεται τακτικά από τον ένα δορυφόρο στον επόμενο - χωρίς να το αντιληφθεί ο χρήστης. Οι επιδόσεις του 6G αναμένεται επίσης να βελτιωθούν με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης (AI).
"Με το 6G, οι δορυφόροι θα ενσωματωθούν για πρώτη φορά στο δίκτυο από την αρχή".
Bernhard Niemann, επικεφαλής του τμήματος ευρυζωνικότητας και εκπομπής, Fraunhofer IIS.
Οι αλγόριθμοι τεχνητής νοημοσύνης θα μπορούσαν, για παράδειγμα, να δώσουν στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας την ευελιξία να προσαρμόζονται στις τρέχουσες συνθήκες και έτσι να βελτιστοποιούν τη λειτουργία τους. "Η μηχανική μάθηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό της τυπικής χρήσης κατά τη διάρκεια μιας ημέρας", εξηγεί ο ερευνητής της Fraunhofer Niemann. "Αυτές οι πληροφορίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη λειτουργία των δικτύων 6G με την ελάχιστη δυνατή εισροή ενέργειας".
Ο εμπειρογνώμονας της Bosch Müller μπορεί επίσης να φανταστεί βασικές υπηρεσίες υποστηριζόμενες από τεχνητή νοημοσύνη, τις οποίες το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας θέτει στη διάθεση των χρηστών του: "Θα μπορούσε το δίκτυο 6G να προσφέρει υπηρεσίες όπως η ταξινόμηση αντικειμένων σε εγγραφές βίντεο".
Διαβάστε Επίσης
Ο Müller πιστεύει ακόμη ότι είναι πιθανό η μετάδοση δεδομένων να μην τυποποιείται πλέον με τον συμβατικό τρόπο, καθορίζοντας επακριβώς τον τρόπο με τον οποίο παράγεται ένα σήμα, και ότι τα νευρωνικά δίκτυα στα άκρα του πομπού και του δέκτη θα αφεθούν αντίθετα να επιλέξουν την καλύτερη μέθοδο σε κάθε περίπτωση υπό τις τρέχουσες συνθήκες.
Η Rohde & Schwarz και η κατασκευάστρια εταιρεία τσιπ NVIDIA έχουν ήδη κάνει τα πρώτα βήματα προς το υλικό με υποστήριξη ΤΝ: πρόσφατα παρουσίασαν έναν νευρωνικό δέκτη στον οποίο ένα μοντέλο ΤΝ παρουσιάζει σημαντικά καλύτερες επιδόσεις από έναν ισχυρό τυπικό αλγόριθμο. "Αυτή η μέθοδος μπορεί επίσης να ενσωματωθεί σε μελλοντικά smartphones 6G", εξηγεί ο Taro Eichler, υπεύθυνος τεχνολογίας για τις ασύρματες επικοινωνίες και τη φωτονική της Rohde & Schwarz.
Επέλαση στην περιοχή των terahertz
Απαιτούνται επίσης πολλές καινοτομίες για να επιτευχθούν οι προβλεπόμενοι υψηλοί ρυθμοί δεδομένων: "Μέχρι και ένα terabit ανά δευτερόλεπτο θα πρέπει να είναι εφικτό στο μέλλον", όπως λέει ο Niemann. "Για να γίνει αυτό, πρέπει να αξιοποιήσετε υψηλότερες περιοχές συχνοτήτων, επειδή μόνο εκεί είναι διαθέσιμα τα απαραίτητα εύρη ζώνης για γρήγορη μετάδοση δεδομένων".
Το σχέδιο είναι επομένως να χρησιμοποιηθούν συχνότητες στην περιοχή των υπο-τεραχέρτζ μεταξύ 90 και 300 gigahertz και, ενδεχομένως, και αυτές στην περιοχή των τεραχέρτζ πάνω από τα 300 gigahertz.
Συγκριτικά: Το 4G λειτουργεί κάτω από τα έξι gigahertz, και ενώ το 5G προβλέπει θεωρητικά τη μετάδοση δεδομένων σε συχνότητα έως και 71 gigahertz, επί του παρόντος χρησιμοποιείται σπάνια για κινητές ευρυζωνικές υπηρεσίες. Οι συχνότητες στην περιοχή των τριψήφιων gigahertz προσφέρουν μεγάλο εύρος ζώνης, αλλά η φυσική εκεί δυσκολεύει τη ζωή των προγραμματιστών του 6G.
Τα ραδιοκύματα χάνουν γρήγορα την ενέργειά τους στον αέρα και επομένως ταξιδεύουν μόνο μερικά μέτρα. Για να αυξήσουν την εμβέλεια, οι ερευνητές βασίζονται στο "Massive MIMO" (massive multiple-input multiple-output): Εκατοντάδες μικροσκοπικές κεραίες συνδέονται μεταξύ τους και χρησιμοποιείται λογισμικό για την ευθυγράμμιση της ασύρματης δέσμης μεταξύ πομπού και δέκτη.
"Αυτή η διαδικασία διαμόρφωσης δέσμης με τη χρήση 512 ή 1.024 κεραιών, για παράδειγμα, καθιστά δυνατή τη σημαντική αύξηση της εμβέλειας των ραδιοκυμάτων ακόμη και σε τόσο υψηλές συχνότητες", εξηγεί ο καθηγητής Ivan Ndip, ο οποίος είναι επικεφαλής του Τμήματος RF & Smart Sensor Systems στο Ινστιτούτο Fraunhofer για την Αξιοπιστία και τη Μικροολοκλήρωση. "Η διαμόρφωση δέσμης επιτρέπει υψηλή κινητικότητα και ευελιξία στην επικοινωνία, αλλά αυξάνει επίσης την πολυπλοκότητα του υλικού, καθώς απαιτούνται πολυάριθμα κανάλια πομποδέκτη. Αυξάνει επίσης την κατανάλωση ενέργειας και το κόστος. Για επικοινωνίες από σημείο σε σημείο, οι κεραίες φακών προσφέρουν μια εναλλακτική λύση. Μπορούν να επιτρέψουν εμβέλειες έως και αρκετές εκατοντάδες μέτρα σε συχνότητες 6G άνω των 100 GHz.
Για να εξασφαλιστεί μια οικονομικά αποδοτική και ενεργειακά αποδοτική λύση 6G, η αρχιτεκτονική του πομποδέκτη, οι διαμορφώσεις των κεραιών και ο αριθμός των κεραιών θα πρέπει επομένως να καθορίζονται ανάλογα με την εφαρμογή".
Μια άλλη μέθοδος αύξησης της εμβέλειας αναμένεται επίσης να χρησιμοποιηθεί για πρώτη φορά στο 6G: οι αναδιαμορφώσιμες έξυπνες επιφάνειες. "Μέχρι τώρα, τα χαρακτηριστικά διάδοσης και το κανάλι για τα ραδιοκύματα θεωρούνταν αμετάβλητα, προκαθορισμένα, για παράδειγμα, από τους τοίχους στο εσωτερικό των κτιρίων", εξηγεί ο Eichler. "Στο μέλλον, ωστόσο, τα σήματα θα μπορούσαν να ανακλώνται από τις επιφάνειες, προκειμένου να τα κατευθύνουν προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και έτσι να επιτυγχάνεται καλύτερη κάλυψη. Αυτή είναι μια εντελώς νέα προσέγγιση".
Διαβάστε Επίσης
Οι αναδιαμορφώσιμες έξυπνες επιφάνειες είναι επίπεδες δομές με ενσωματωμένα ηλεκτρονικά κυκλώματα, για παράδειγμα ειδικές διόδους ή δομές υγρών κρυστάλλων σε συνδυασμό με μικροσκοπικά στοιχεία κεραίας. Μπορούν να προγραμματιστούν ώστε να ανακατευθύνουν τα εισερχόμενα ραδιοκύματα με στοχευμένο τρόπο και έτσι να τα επαναδρομολογούν με ακρίβεια στον προβλεπόμενο δέκτη. Τ
Το πλεονέκτημα της νέας τεχνολογίας: Λέγεται ότι είναι σημαντικά πιο ενεργειακά αποδοτική και λιγότερο δαπανηρή από τους κλασικούς ραδιοεπαναλήπτες, καθένας από τους οποίους περιέχει έναν πλήρη πομπό και δέκτη.
Ωστόσο, απαιτείται ακόμη μεγάλη έρευνα σε αυτόν τον τομέα. Οι σχεδιαστές τσιπ και συστημάτων υψηλής συχνότητας αντιμετωπίζουν επίσης μεγάλες προκλήσεις. Από τη μία πλευρά, πρέπει να χρησιμοποιούν ειδικούς ημιαγωγούς όπως το πυρίτιο-γερμανίου ή το νιτρίδιο του γαλλίου σε συχνότητες στην υψηλή περιοχή των gigahertz- από την άλλη πλευρά, η ενσωμάτωση όλων των εξαρτημάτων σε ένα σύστημα παίζει επίσης καθοριστικό ρόλο.
"Εδώ πρέπει να ξανασκεφτείτε τα πάντα", δήλωσε ο Ndip. "Είναι πολύ δύσκολο να μεταφέρεις την ενέργεια από τον πομπό στην κεραία με όσο το δυνατόν λιγότερες απώλειες και ταυτόχρονα να αποβάλλεις τη θερμότητα από τα τσιπ".
Και πάλι, τα νέα υλικά, μαζί με την τεχνολογία συναρμολόγησης και σύνδεσης, είναι το κλειδί της επιτυχίας: Υποστρώματα από πολυμερή, γυαλιά ή κεραμικά θα μπορούσαν να αποτελέσουν τη βάση για ολοκληρωμένες συσκευασίες τσιπ και κεραιών 6G. Εκτός από τους υψηλούς ρυθμούς δεδομένων, η χρήση υψηλών συχνοτήτων ανοίγει μια άλλη νέα δυνατότητα: τη συγχώνευση της επικοινωνίας και της ανίχνευσης του περιβάλλοντος. Στο μέλλον, τα ραδιοκύματα 6G θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση κοντινών αντικειμένων, επιφανειών και κινήσεων με τη χρήση ανακλώμενης ακτινοβολίας, όπως στην τεχνολογία ραντάρ.
Διαβάστε Επίσης
"Τα οχήματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιούν τα 6G για να ανταλλάσσουν δεδομένα μεταξύ τους, για παράδειγμα, και ταυτόχρονα να λαμβάνουν τις ανακλάσεις που προκύπτουν για να αποκτήσουν μια ιδέα για το περιβάλλον τους", εξηγεί ο εμπειρογνώμονας της Bosch Müller. "Ενώ οι επικοινωνίες και τα ραντάρ είναι ακόμα εντελώς ξεχωριστά σήμερα, σε λίγα χρόνια θα μπορούσαμε να χρησιμοποιούμε τις ίδιες συχνότητες, τα ίδια τσιπ και τις ίδιες κεραίες και για τα δύο".
Στο πλαίσιο του ερευνητικού έργου 6G-ICAS4Mobility, η Bosch συνεργάζεται με εταίρους για να ενσωματώσει στενότερα τα επί του παρόντος ξεχωριστά συστήματα επικοινωνιών και ραντάρ σε ένα ενιαίο σύστημα 6G. Για το σκοπό αυτό, τα δεδομένα αισθητήρων σε πραγματικό χρόνο από διάφορα κινητά οχήματα θα συντονίζονται και θα συνδυάζονται μέσω της τεχνολογίας 6G για να παρέχουν μια πιο ακριβή εικόνα του περιβάλλοντος του οχήματος.
Στόχος είναι η αύξηση της οδικής ασφάλειας και της αποτελεσματικότητας. Ο εμπειρογνώμονας Ndip βλέπει επίσης πολλές πιθανές εφαρμογές 6G στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας, όπως η αυτόνομη οδήγηση: "Ένα αυτόνομο όχημα πρέπει να είναι σε θέση να επικοινωνεί τη θέση του σε άλλους χρήστες του δρόμου σε πραγματικό χρόνο, να μετρά με ακρίβεια τις αποστάσεις και να έχει ταυτόχρονα εικόνα 360° του περιβάλλοντός του". Επίσης, όπως είπε, απαιτούνται λήψεις μεγάλου όγκου δεδομένων, όπως χάρτες πόλεων υψηλής ανάλυσης, εικόνες βίντεο από άλλα οχήματα και ταινίες υψηλής ευκρίνειας για ψυχαγωγία κατά την οδήγηση.
"Η διαμόρφωση δέσμης με χρήση 512 ή 1.024 κεραιών καθιστά δυνατή τη σημαντική αύξηση της εμβέλειας των ραδιοκυμάτων, ακόμη και σε υψηλές συχνότητες".
Prof. Ivan Ndip, επικεφαλής του τμήματος RF & Smart Sensor Systems στο Fraunhofer IZM.
Χάρη στους υψηλούς ρυθμούς δεδομένων 6G, αυτό δεν θα αποτελούσε πρόβλημα - βίντεο 4K ή εκτεταμένες ενημερώσεις χαρτών, για παράδειγμα, θα μπορούσαν να μεταφορτωθούν στο όχημα σε σύντομο χρονικό διάστημα μέσω ενός σταθμού βάσης σε μια διασταύρωση ή ένα βενζινάδικο. Ο ερευνητής Fraunhofer Niemann αποκαλεί αυτή τη διαδικασία ντους δεδομένων.
Εκτός από τον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας, το 6G αναμένεται επίσης να επιτρέψει νέες εφαρμογές σε τομείς όπως η βιομηχανική παραγωγή, η τηλεϊατρική και η ρομποτική. Η κυβερνητική υποστήριξη για αυτή την ευέλικτη τεχνολογία είναι αντίστοιχα υψηλή: Μόνο στη Γερμανία, το Υπουργείο Έρευνας χρηματοδοτεί την τεχνολογία κινητών επικοινωνιών του μέλλοντος με περίπου 700 εκατομμύρια ευρώ μέχρι το 2025. "Το 5G ήταν λίγο παραμελημένο σε αυτή τη χώρα", λέει ο Eichler.
"Προκειμένου να είμαστε τεχνολογικά αυτάρκεις, και όχι μόνο λόγω της τρέχουσας γεωπολιτικής κατάστασης, μακροπρόθεσμα θέλουμε να γίνουμε πιο ανεξάρτητοι με το 6G και να δημιουργήσουμε το δικό μας ασύρματο οικοσύστημα στη Γερμανία ή την Ευρώπη".
Τέσσερις "κόμβοι 6G" που αποτελούνται από πανεπιστήμια και ερευνητικά ινστιτούτα, μεταξύ άλλων μέτρων, και ο καθένας από τους οποίους λαμβάνει χρηματοδότηση 70 εκατομμυρίων ευρώ για τρία χρόνια, θα αποτελέσουν μέρος αυτής της προσπάθειας. Έχουν επίσης πραγματοποιηθεί περίπου 20 βιομηχανικά έργα που υποστηρίζονται από το Υπουργείο Έρευνας και έχουν δρομολογηθεί σε συνεργασία με διάφορους εταίρους από τα 6G hubs.
Η ανάπτυξη δεν έχει τέλος
Οι πρώτες εφαρμογές των δικτύων 6G θα μπορούσαν να είναι σε λειτουργία μέχρι το τέλος της δεκαετίας, αλλά πιθανότατα ακόμη με μειωμένο εύρος λειτουργιών. Μετά το 2030, όλες οι νέες λειτουργίες θα πρέπει να εισαχθούν σταδιακά. Αλλά ακόμη και τότε, λέει ο εμπειρογνώμονας της Fraunhofer Niemann, το 6G δεν θα είναι το τέλος του δρόμου για την τεχνολογία κινητής τηλεφωνίας.
"Είμαι βέβαιος ότι κάτι νέο θα εμφανιστεί ξανά στο μέλλον", λέει. "Ακριβώς όπως η τεχνητή νοημοσύνη εισέρχεται σήμερα για πρώτη φορά στις κινητές επικοινωνίες, οι διαδικασίες και οι αλγόριθμοι που βασίζονται σε κβάντες θα μπορούσαν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην επόμενη γενιά, για παράδειγμα για την κρυπτογράφηση".
Πιστεύει επίσης ότι η χρήση blockchain είναι δυνατή για την ασφάλεια των συναλλαγών και τη δημιουργία εμπιστοσύνης. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί, για παράδειγμα, για την καταγραφή μηνυμάτων μεταξύ οχημάτων με τρόπο που να μην επιδέχεται παραποίηση. "Κάθε ανταλλαγή δεδομένων στην επικοινωνία οχήματος προς όχημα - οχήματος - ειδοποίηση για ένα εμπόδιο στο οδόστρωμα, για παράδειγμα - θα αποθηκεύεται στη blockchain", λέει ο Niemann. "Ακόμη και αυτά τα λίγα παραδείγματα δείχνουν: Το 7G θα ενσωματώσει νέες τάσεις και θα επιτρέψει καινοτόμες υπηρεσίες που είναι ακόμα αδιανόητες σήμερα".
Πηγή: Porsche Engineering Magazin
Κείμενο: Christian Buck / απόδοση: Γιάννης Τσάκαλος
Illustration: Andrew Timmins
