Eksperci Nokii są przekownani, że sieć 6G umożliwi całkowite wyeliminowanie komunikacji przewodowej, przynajmniej w przypadku transmisji krótkiego zasięgu.

21 października 2022

Sieci 5G pozytywnie wpłynęły na poprawę niezawodności komunikacji bezprzewodowej dla wielu aplikacji i usług. Wciąż jest jednak jeszcze sporo do zrobienia, zanim 5G będzie mogło w pełni zastąpić nieelastyczną, ale jednocześnie wzbudzającą większe zaufanie, łączność przewodową dla wszystkich usług.

Korzystamy z sieci bezprzewodowych do strumieniowania danych, rozmów wideo i pobierania dużych plików, akceptując fakt, że nasze połączenie może nagle zostać przerwane. Jednak w przypadku usług krytycznych dla życia takie przerwy są nie do przyjęcia. Jeśli chodzi na przykład o nadzorowanie pracy silnika w pojazdach, przewidywanie i przeciwdziałanie zagrożeniom w fabrykach lub kontrolę stabilności lotu w samolotach, łączność przewodowa nadal pozostaje najwyższym standardem.

Wierzymy jednak, że 6G umożliwi całkowite wyeliminowanie komunikacji przewodowej, przynajmniej w przypadku transmisji krótkiego zasięgu. W naszych badaniach nad 6G sprawdzamy, jak można wykorzystać łączność bezprzewodową jako „niewidzialny kabel”, osiągając ten sam poziom opóźnień i niezawodności, co dedykowane przewody. Może to otworzyć nowe możliwości dla łączności bezprzewodowej, takie jak zastąpienie wysoce wrażliwego okablowania w pojazdach przy zachowaniu tego samego poziomu usług, obniżeniu wagi pojazdu i zmniejszeniu kosztów utrzymania.

Sieć 6G mogłaby także umożliwić zastosowanie robotów modułowych w przemyśle. Mogłaby nawet wspomagać bicie naszych serc czy ruch naszych kończyn, zapewniając krytyczne połączenie w zastosowaniach związanych z opieką zdrowotną, takich jak stymulacja serca lub kontrola mięśni u niepełnosprawnych pacjentów.

Czym jest „in-X”?

W naszej wizji 6G, cała wysoce wrażliwa łączność powinna być „in-X”, co oznacza, że jest zapewniana przez wysoce wyspecjalizowane jednostki radiowe zainstalowane w obiekcie, w którym działa dana aplikacja, na przykład w robotach, modułach produkcyjnych, pojazdach, a nawet ludzkich ciałach. Mówimy o podsieci, ponieważ te wyspecjalizowane komórki radiowe muszą być w stanie działać autonomicznie nawet poza zasięgiem zwykłej sieci. Komórki te obsługują usługi krytyczne dla życia, które nie mogą być uzależnione od połączeń do sieci ogólnodostępnej, choć mogą z niej korzystać, gdy takie połączenia są akurat dostępne.

Widmo kluczem

W jaki sposób 6G może sprostać najbardziej ekstremalnym potrzebom w zakresie łączności, które mogą wymagać cykli pętli poniżej 100 mikrosekund, niezawodności na poziomie 99.99999% lub wielogigabitowych prędkości przesyłu danych? Kluczem jest bardzo szerokie widmo radiowe, ponieważ większa szerokość pasma spektralnego pozwala na uzyskanie bardziej stabilnych parametrów. Dzięki niemu można zagwarantować bardziej stabilne połączenia, które z kolei zapewniają większą tolerancję na błędy.

Jeżeli dla podsieci in-X zainstalowanej w pojeździe jadącym po autostradzie nie jest dostępny wystarczająco duży blok widma, to niektóre czujniki mogą przykładowo przestać działać lub mogą być zmuszone do radzenia sobie z nadmiernymi opóźnieniami. Może to spowodować powolną reakcję pojazdu na ewentualne zagrożenia i w konsekwencji zagrozić życiu kierowców i pasażerów. Ogólnie rzecz biorąc, widmo poniżej 10 GHz zapewnia dobre warunki propagacyjne dla podsieci in-X.

Fale radiowe w tym zakresie częstotliwości mogą łatwo przechodzić przez przeszkody i dlatego umożliwiają niezawodną komunikację nawet w warunkach braku widoczności między nadajnikiem a odbiornikiem. Przykładowo, czujnik w pojeździe może niezawodnie komunikować się z kontrolerem, nawet jeśli ścieżka radiowa jest zasłonięta przez silnik. Widmo to jest jednak w dużej mierze zajęte przez inne technologie radiowe (radary, satelity, telefonia komórkowa). W związku z tym nie jest obecnie możliwe wprowadzenie podsieci, chyba że na ich użytek przeznaczono by znaczną część widma. Jedną z alternatyw byłoby jednak obsługiwanie sieci typu underlay w pasmach poniżej 10 GHz specjalnie dla podsieci, przy zastosowaniu podejścia podobnego do ultraszerokopasmowego (UWB).

Ponieważ bardzo krótki zasięg pozwala tym transmisjom działać z bardzo małą mocą, przekazy in-X byłyby jedynie cichym komunikatem, przechodzącym dyskretnie pomiędzy urządzeniami in-X w ramach „głośniejszych” sieci działających w tych pasmach. Dzięki temu podsieci in-X mogłyby współistnieć z sieciami komórkowymi, satelitarnymi i innymi technologiami bezprzewodowymi.

Inną możliwością jest spojrzenie w kierunku wyższych częstotliwości, na przykład fal milimetrowych 26-28 GHz. W tym przypadku mamy odwrotny problem niż w przypadku częstotliwości niższych niż 10 GHz. Dostępny jest duży blok widma, ale warunki propagacyjne są bardziej skomplikowane. Takie częstotliwości są bardziej wrażliwe na przeszkody i efekty blokowania. Moglibyśmy ostatecznie pokonać te blokady poprzez makrodywersyfikację, rozmieszczając wiele anten w obszarze podsieci.

Nielicencjonowane widmo również ma do odegrania swoją rolę w podsieciach. Przewidujemy, że w przyszłości nielicencjonowane widmo zostanie przydzielone podsieciom, w których nowe zasady regulacyjne będą dostosowane do ich specyficznych wymagań i rodzajów ruchu, przy jednoczesnym zapewnieniu równego traktowania urządzeń.

Radio proaktywne

Tradycyjne systemy radiowe są z natury reaktywne, co oznacza, że mierzą aktualną jakość sygnału radiowego i wydajność łączności, a następnie odpowiednio dostosowują swoje parametry komunikacyjne (moc nadawania, szybkość transmisji danych, pasma częstotliwości). W tradycyjnych systemach mogą więc pojawić się błędy w komunikacji. Sieci podejmują wtedy kolejną próbę połączenia. Na przykład, po nieudanej próbie przesłania pakietu, urządzenie retransmituje ten sam pakiet aż do skutku, ewentualnie przeznaczając więcej zasobów radiowych na każdą retransmisję, aby zwiększyć skuteczność.

Podejście reaktywne jest jednak niemożliwe do utrzymania w przypadku usług in-X o krytycznym znaczeniu dla życia. Na przykład układ ABS nie może tolerować wielu – lub nawet pojedynczych – błędnych transmisji w podsieci pojazdu nakazującej jego uruchomienie. Komunikacja wspierająca usługi o krytycznym znaczeniu dla życia musi być proaktywna, zgodnie z podejściem zapobiegania „act-before-fail”. Na przykład zamiast przesyłać pakiet tylko raz i czekać na potwierdzenie, urządzenie in-X przesyłałoby ten sam pakiet wiele razy jednocześnie. Podsieć mogłaby również transmitować ten pakiet na kilku różnych częstotliwościach. Nawet gdyby jeden lub kilka z nich nie dotarło, skrajna redundancja spowoduje, że pakiet zostanie odebrany.

Wyzwanie związane z zakłóceniami

Wdrożenia in-X mogą być stosowane w scenariuszach o dużej gęstości użytkowników, przejazd pojazdów po zatłoczonej drodze lub jednoczesny udział wielu ludzi w imprezach masowych. Ponieważ widmo radiowe przydzielone podsieciom in-X jest ograniczone, sąsiednie podsieci mogą działać na tych samych częstotliwościach, powodując potencjalnie duże zakłócenia. Inteligentne zarządzanie zasobami radiowymi jest zatem potrzebne do przeciwdziałania takim zakłóceniom i zapewnienia funkcjonowania usług krytycznych w każdych warunkach.

Ponadto musimy zapewnić, że podsieci będą wystarczająco odporne na zakłócenia niekomórkowe. Ktoś próbujący wywołać zamęt w systemach o znaczeniu krytycznym mógłby spróbować zagłuszyć systemy in-X poprzez zalanie fal radiowych szumem, uniemożliwiając podsieciom nadawanie. Każda podsieć musi być w stanie odeprzeć tego rodzaju złośliwe ataki.

Gdy podsieci są połączone z rozległą siecią typu komórkową, centralny kontroler może zarządzać zasobami radiowymi współdzielonymi przez sąsiednie podsieci, minimalizując wzajemne zakłócenia. Takie scentralizowane podejścia są bardziej wydajne niż rozproszone, ale zależą od łączności z siecią zewnętrzną. Dlatego mogą być możliwe tylko w kontrolowanych wdrożeniach, na przykład w przypadku robotów w fabryce.

Ponieważ usługi o krytycznym znaczeniu dla życia nie mogą polegać na potencjalnie przerywanym połączeniu z siecią zewnętrzną, należy również wprowadzić rozproszone rozwiązania w zakresie zarządzania zakłóceniami. W rozwiązaniu rozproszonym każda podsieć decyduje o zasobach częstotliwości, z których będzie korzystać, mierząc miejscowe warunki. Tutaj kluczową rolę mogą odegrać techniki sztucznej inteligencji, takie jak uczenie się przez wzmacnianie.

Era 6G nie będzie światem całkowicie pozbawionym przewodów, ale coraz częściej będziemy sięgać po rozwiązania bezprzewodowe, aby rozwiązać ostatnie elementy łącznościowej układanki. Wierzymy, że niezwykle szybka i niezawodna komunikacja bliskiego zasięgu stanie się kluczową cechą tej ery.