Τεχνολογικές προκλήσεις και τάσεις για τη μετάβαση πέρα από το 5G
Technological challenges and trends to move beyond 5G
![Thumbnail](/xmlui/bitstream/handle/11400/2290/Thanou_20023.pdf.jpg?sequence=4&isAllowed=y)
Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία
Συγγραφέας
Θάνου, Νικολέτα
Ημερομηνία
2022-05-16Επιβλέπων
Chochliouros, IoannisΛέξεις-κλειδιά
5G ; 6G ; Internet of everything ; IoE ; Internet of things ; IοT ; Αναδυόμενες τεχνολογίες ; Αρχιτεκτονική δικτύου ; Ασύρματα δίκτυα ; Ασύρματες επικοινωνίες ; Τεχνητή νοημοσύνη ; AI ; Δίκτυα κινητής τηλεφωνίας ; Δικτυακή συνδεσιμότητα ; Εικονική πραγματικότητα ; Επικοινωνίες terahertz ; THz ; Έρευνα ; Ζώνη terahertz ; Κινητή επικοινωνία ; Μηχανική μάθηση ; ML ; Ρυθμός δεδομένωνΠερίληψη
‘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].
Περίληψη
To date, the fifth generation (5G) mobile system, which is in the process of being standardised (mass connectivity, excellent reliability and guaranteed low latency) has been growing worldwide since 2020 [29], has a very large number of subscribers, has been released in many countries and is still underway around the world [18]. In a digital smart world, where everything needs to be "interconnected" (i.e. people up to vehicles, devices, data, sensors, and even robots), mobile networks are now the "highways" of data. The currently developing 5G wireless networks, although they are progressing significantly beyond LTE, are likely not to be able to cope with the demands of the future "digital society", which will trigger many cases of use of future 6G networks ([23], [4]).
The digital transformation of the industry has already begun and this implementation will continue beyond the current decade as a continuous evolution of the 5G generation, with the aim of meeting the demands of different and growing industries and vertically integrated market sectors [12]. During the current decade, with technologies constantly being developed, the foundations of the 6G era will be laid, with a set of challenges and opportunities on a global scale. 2030 may well be the year of the start of the full use of 6G, assuming that the lifespan of a generation of a network is about 10 years and that it takes about this period of time from the idea of initial research to the subsequent fully applied use/dissemination on the market [24].
Thus, the time has come for industry, for the wider market but also for the research and academic community, to turn their attention to the next generation to meet the future demands of information and communication technologies by 2030 [13], providing global coverage, much greater economic/spectral/energy efficiency, a better level of network security and intelligence/intelligence, and a new form of network architecture [29]. At the same time, emerging trends to serve society from technological progress in all relevant scenarios and for all users involved require "smart" services and automated systems, sometimes supported by "extensive" reality and visual communications [18]. Modern reference environments, in order to provide automated systems and a smart life experience, integrate millions of sensors in cities, homes, vehicles, industries, etc., resulting in a high data rate in terms of the required reliable connectivity of these applications [19].
With the spread of the Internet of Things (IoT), new services are emerging with different requirements and features that in many cases are not sufficiently supported by the current fifth generation of mobile cellular networks (5G). The 6G wireless system should be "smart" and "adaptable" to changing services in IoT, requiring substantial convergence of communications, computing capabilities and data retention (Communication, Computing and Caching - 3C) [26] in order to revolutionize all walks of life as well as accelerate innovation and the transformation of global society and economy [27].
According to previous generations of 3G, 4G/4G+ and the current generation of 5G, as the capacity of the network increases, the more its offered applications will increase. As a result, new services and products can be created to use the bandwidth of the next generation of 6G as well as other improved capabilities (compared to 5G) to the maximum extent possible, such as higher system capacity, lower latency, higher data rate, higher security and improved quality of service (QoS) ([10], [19]).
The sixth generation (6G) system, which is expected to be disseminated/implemented in particular between 2027 and 2030, will also support artificial intelligence (AI) to guide autonomous systems [19]. Due to the large datasets resulting from the highly extensive bandwidth, from the extensive heterogeneous networks, from the large number of antennas and from the different communication scenarios and the new service requirements, 6G networks will bring a new series of smart applications with the help of artificial intelligence (AI) and machine learning (ML) technologies [29]. According to Marcus Weldon of Nokia Bell Labs, 6G will be a "sixth-sense experience for humans and machines" where biology meets artificial intelligence [10].
Our future society will be based on global growth while becoming more and more digitized with almost unlimited wireless connectivity, dynamically allowing the interconnection "Man – Thing – Intelligence" ([10], [18]).
The next generation of 6G communication will not be seen simply as a form of exploiting/allocating more spectrum in high frequency bands, but as a combination of future technological trends with the availability of impressive and innovative services. According to the above, the present diploma thesis aims to present a – as far as possible – complete picture of the perspectives and characteristics of the sixth generation 6G mobile communications system [18]. Initially, the main applications to be supported, as well as the technological trends of 6G wireless systems, will be identified in order to respond adequately to the dynamically changing needs of end-users, societies and economies. The technical performance requirements of 6G, the projected key challenges and the fundamental architectures of cellular networks that will lead to a revolution will be presented, providing multiple homogeneous services, sometimes also supported by artificial intelligence (e.g. distributed communications, cloud use, network control and energy consumption across the network range from core to extreme nodes). Finally, various research issues and a wide range of use cases that take advantage of these new technologies are under discussion, highlighting the necessary steps that will help achieve the desired goals for the design of the next generation of 6G wireless networks [28].