Τεχνολογικές προκλήσεις και τάσεις για τη μετάβαση πέρα από το 5G

Abstract

‘Έως σήμερα το σύστημα πέμπτης γενιάς (5G) κινητής επικοινωνίας, που βρίσκεται στο στάδιο της τυποποίησης (μαζική συνδεσιμότητα, εξαιρετική αξιοπιστία και εγγυημένη χαμηλή καθυστέρηση) αναπτύσσεται παγκοσμίως από το 2020 [29], έχει έναν πολύ μεγάλο αριθμό συνδρομητών, έχει κυκλοφορήσει σε πολλές χώρες και εξακολουθεί να βρίσκεται σε εξέλιξη σε όλο τον κόσμο [18]. Σε έναν ψηφιακό έξυπνο κόσμο, όπου τα πάντα χρειάζεται να «διασυνδεθούν» (δηλαδή άνθρωποι έως και οχήματα, συσκευές, δεδομένα, αισθητήρες, ακόμα και ρομπότ), τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας αποτελούν πλέον τους «αυτοκινητόδρομους» δεδομένων. Τα αναπτυσσόμενα, αυτή τη στιγμή, ασύρματα δίκτυα 5G παρόλο που προοδεύουν σημαντικά πέρα από το LTE είναι πιθανό να μην μπορούν να ανταπεξέλθουν στις απαιτήσεις της μελλοντικής «ψηφιακής κοινωνίας», οι οποίες θα ενεργοποιήσουν πολλές περιπτώσεις χρήσης των μελλοντικών 6G δικτύων ([23], [4]). Έχει ήδη ξεκινήσει ο ψηφιακός μετασχηματισμός της βιομηχανίας και θα συνεχιστεί η εν λόγω υλοποίηση πιο πέρα από την τρέχουσα δεκαετία ως συνεχής εξέλιξη της γενιάς 5G, με στόχο την κάλυψη των απαιτήσεων των διαφορετικών και ολοένα αναπτυσσόμενων βιομηχανιών και καθετοποιημένων τομέων της αγοράς [12]. Κατά τη διάρκεια της τρέχουσας δεκαετίας, με τις τεχνολογίες να αναπτύσσονται συνεχώς, θα μπουν τα θεμέλια της εποχής του 6G, με ένα σύνολο προκλήσεων και ευκαιριών σε παγκόσμια κλίμακα. Το 2030 μπορεί κάλλιστα να είναι το έτος έναρξης της πλήρους χρήσης του 6G, εάν υποτεθεί ότι η διάρκεια ζωής μιας γενιάς δικτύου είναι περίπου 10 χρόνια και ότι χρειάζεται περίπου αυτό το χρονικό διάστημα από την ιδέα της αρχικής έρευνας έως την μετέπειτα πλήρως εφαρμοσμένη χρήση/διάδοση στην αγορά [24]. Έτσι, έχει φτάσει η στιγμή για τη βιομηχανία, για την ευρύτερη αγορά αλλά και για την ερευνητική και ακαδημαϊκή κοινότητα, ώστε να στραφεί η προσοχή τους στην επόμενη γενιά για την ικανοποίηση των μελλοντικών απαιτήσεων των τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνιών έως το 2030 [13], παρέχοντας παγκόσμια κάλυψη, πολύ μεγαλύτερη οικονομική/φασματική/ενεργειακή απόδοση, καλύτερο επίπεδο δικτυακής ασφάλειας και ευφυΐας/νοημοσύνης, και μια νέα μορφής δικτυακής αρχιτεκτονικής [29]. Παράλληλα, οι αναδυόμενες τάσεις για την εξυπηρέτηση της κοινωνίας από την τεχνολογική πρόοδο σε όλα τα συναφή σενάρια και για όλους τους εμπλεκόμενους χρήστες απαιτούν «έξυπνες» υπηρεσίες και αυτοματοποιημένα συστήματα, ενίοτε υποστηριζόμενα από «εκτεταμένη» πραγματικότητα και από οπτικές επικοινωνίες [18]. Τα σύγχρονα περιβάλλοντα αναφοράς, προκειμένου να παρέχουν αυτοματοποιημένα συστήματα και μια έξυπνη εμπειρία ζωής, ενσωματώνουν εκατομμύρια αισθητήρες σε πόλεις, σπίτια, οχήματα, βιομηχανίες κ.α., με αποτέλεσμα ο ρυθμός δεδομένων να είναι υψηλός αναφορικά με την απαιτούμενη αξιόπιστη συνδεσιμότητα αυτών των εφαρμογών [19]. Με την εξάπλωση του Διαδικτύου των Πραγμάτων (Internet of Things - IοT) εμφανίζονται νέες υπηρεσίες με διαφορετικές απαιτήσεις και με χαρακτηριστικά που σε πολλές περιπτώσεις δεν υποστηρίζονται επαρκώς από την τρέχουσα πέμπτη γενιά κινητών κυψελοειδών δικτύων (5G). Το ασύρματο σύστημα 6G θα πρέπει να είναι «έξυπνο» και «προσαρμόσιμο» σε μεταβαλλόμενες υπηρεσίες στο IοT, απαιτώντας ουσιαστική σύγκλιση των επικοινωνιών, των υπολογιστικών δυνατοτήτων και της απόκρυψης δεδομένων (Communication, Computing and Caching - 3C) [26] ώστε να φέρει την επανάσταση σε όλα τα κοινωνικά στρώματα όπως επίσης και να επιταχύνει την καινοτομία και τον μετασχηματισμό της παγκόσμιας κοινωνίας και οικονομίας [27]. Σύμφωνα με τις προηγούμενες γενιές 3G, 4G/4G+ και την τρέχουσα γενιά 5G, όσο αυξάνεται η χωρητικότητα του δικτύου τόσο θα αυξάνονται και οι προσφερόμενες εφαρμογές του. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το να μπορούν να δημιουργηθούν νέες υπηρεσίες και προϊόντα, ώστε να χρησιμοποιούν το εύρος ζώνης της επόμενης γενιάς 6G όπως και άλλες βελτιωμένες δυνατότητες (σε σύγκριση με το 5G) στο μέγιστο δυνατό βαθμό, όπως π.χ. υψηλότερη χωρητικότητα του συστήματος, χαμηλότερη καθυστέρηση, υψηλότερο ρυθμό δεδομένων, υψηλότερη ασφάλεια και βελτιωμένη ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service - QoS) ([10], [19]). Το σύστημα έκτης γενιάς (6G), που αναμένεται να έχει διάδοση/εφαρμογή ιδίως μεταξύ των ετών 2027 και 2030, θα υποστηρίζει επίσης την τεχνητή νοημοσύνη (Artificial Intelligence - AI) για την καθοδήγηση αυτόνομων συστημάτων [19]. Λόγω των μεγάλων συνόλων δεδομένων που προκύπτουν από το ιδιαίτερα εκτενές εύρος ζώνης, από τα εκτεταμένα ετερογενή δίκτυα, από τον μεγάλο αριθμό κεραιών και από τα διαφορετικά σενάρια επικοινωνίας και τις νέες απαιτήσεις υπηρεσιών, τα δίκτυα 6G θα φέρουν μια νέα σειρά έξυπνων εφαρμογών με τη βοήθεια των τεχνολογιών της Τεχνητής Νοημοσύνης και της Μηχανικής Μάθησης (Machine Learning - ML) [29]. Σύμφωνα με τον Marcus Weldon των Nokia Bell Labs, το 6G θα είναι μια «εμπειρία έκτης αίσθησης για ανθρώπους και μηχανές» όπου η βιολογία θα συναντά την τεχνητή νοημοσύνη [10]. Μετά την πανδημία το μέλλον θα προσφέρει τεράστιες ευκαιρίες όσο και προκλήσεις ως προς τον μετασχηματισμό της ανθρώπινης εμπειρίας, η οποία θα συνδέει φυσικούς, βιολογικούς και ψηφιακούς κόσμους, με σκοπό το σύστημα 6G να υλοποιήσει πλήρως το όραμα για την σύνδεση των άνω κόσμων [5]. Οι άνθρωποι πλέον θα μπορούν μέσω των εικονικών κόσμων να ενεργοποιούν τον φυσικό κόσμο και θα διακατέχονται από μια έκτη αίσθηση μέσω πολυάριθμων δικτυωμένων αισθητήρων, με το δίκτυο να λειτουργεί ως πηγή τεχνητής νοημοσύνης και αισθητήρων. Οραματιζόμαστε ένα μετα-πανδημικό μέλλον όπου θα αυξηθούν σημαντικά οι ανθρώπινες δυνατότητες με την τεχνολογία 6G και όπου θα είναι δυνατή η ανάπτυξη και η πλήρης ψηφιακή ένταξη [5].

Η μελλοντική κοινωνία μας θα βασίζεται σε παγκόσμια ανάπτυξη ενώ θα ψηφιοποιείται όλο και περισσότερο με σχεδόν απεριόριστη ασύρματη συνδεσιμότητα επιτρέποντας δυναμικά τη διασύνδεση «Άνθρωπος – Πράγμα/Αντικείμενο – Νοημοσύνη» (Human – Thing – Intelligence) ([10], [18]).

Η επόμενη γενιά επικοινωνίας 6G δεν πρόκειται να εκληφθεί απλά ως μια μορφή αξιοποίησης/διάθεσης περισσότερου φάσματος σε ζώνες υψηλών συχνοτήτων, αλλά ως ένας συνδυασμός των μελλοντικών τεχνολογικών τάσεων με τη διάθεση εντυπωσιακών και καινοτόμων υπηρεσιών. Σύμφωνα με τα παραπάνω, η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο να παρουσιάσει μια – όσο το δυνατό – ολοκληρωμένη εικόνα των προοπτικών και των χαρακτηριστικών του συστήματος έκτης γενιάς κινητών επικοινωνιών 6G [18]. Αρχικά θα προσδιορισθούν οι κύριες εφαρμογές που θα τύχουν υποστήριξης καθώς και οι τεχνολογικές τάσεις των ασύρματων συστημάτων 6G, ώστε να ανταποκρίνονται με επάρκεια στις δυναμικά μεταβαλλόμενες ανάγκες των τελικών χρηστών, των κοινωνιών και των οικονομιών. Εν συνεχεία θα παρουσιασθούν οι τεχνικές απαιτήσεις απόδοσης του 6G, οι προβλεπόμενες βασικές προκλήσεις και οι θεμελιώδεις αρχιτεκτονικές των κυψελοειδών δικτύων που θα οδηγήσουν σε επανάσταση, παρέχοντας πολλαπλές ομοιογενείς υπηρεσίες, ενίοτε υποστηριζόμενες και από την τεχνητή νοημοσύνη (π.χ. κατανεμημένες επικοινωνίες, χρήση υπολογιστικού νέφους, δικτυακός έλεγχος και ενεργειακή κατανάλωση σε όλη την εμβέλεια του δικτύου από τον πυρήνα έως τους ακραίους κόμβους). Τέλος τίθενται υπό συζήτηση διάφορα ερευνητικά ζητήματα, ένα ευρύ φάσμα περιπτώσεων χρήσης και νέα σενάρια χρήσης που αξιοποιούν αυτές τις νέες τεχνολογίες, αναδεικνύοντας τα απαραίτητα βήματα που θα βοηθήσουν στην επίτευξη των επιθυμητών στόχων για τον σχεδιασμό της επόμενης γενιάς ασύρματων δικτύων 6G [28].