Świat próbuje się stać całkowicie bezprzewodowy, wymagający nieprzerwanego dostępu do informacji w dowolnym czasie i miejscu, dzięki lepszej jakości, wysokiej prędkości, zwiększonej przepustowości i obniżeniu kosztów połączenia. To właśnie daje nam komórkowa generacja bezprzewodowa (G). Ogólnie odnosi się do zmiany charakteru systemu, prędkości, technologii i częstotliwości. Każda generacja ma pewne standardy, możliwości, techniki i nowe funkcje, które odróżniają ją od poprzedniej. Sieci 5G i 6G są standardem bezprzewodowej sieci komórkowej, która coraz bardziej rewolucjonizuje nasz świat. Dzięki wykorzystaniu najnowszych technologii w m.in. telekomunikacji, informatyce i kryptografii, możemy mieć bezprzewodowy dostęp w prawie każdym zakątku świata. To właśnie rozwijanie tej technologi pozwala nam na szybsze łącze i bardzo niskie opóźnienia w stosunku do poprzednich standardów oraz częstotliwość fal, którymi poruszają się nasze informacje co przekłada się na lepsze radzenie sobie z fizycznymi przeszkodami. Badacze są zgodni, rozwój tych technologii zrewolucjonizuje nasz świat oraz jeszcze bardziej pozwoli nam poznać i rozszerzyć horyzonty ludzkości w erze informacji. Artykuł ma na celu zapoznanie się czytelnika z aktualnym stanem badań oraz wprowadzeniem w aktualne oraz bardzo prawdopodobne scenariusze wykorzystania tej technologii.

Aktualny stan badań

Stan badań sieci 5G[1, 2, 5, 6, 7]

         Badania nad sieciami 5G nam ukazują, jak bardzo wyprzedza technologicznie poprzedni standard sieci bezprzewodowej. Zastosowano innowacyjne rozwiązania, które w większości kategorii pozwalają wydajniej użytkować sieć, takie jak zapewnianie dużej i stałej transmisji danych nawet do 1 Gb/s, dzięki której będziemy mogli szybko przesyłać i pobrać dane, kolejną innowacją jest zdalna diagnostyka sieci m.in. przez wykorzystanie technik modulacji i kontroli błędów oraz wykorzystanie sztucznej inteligencji. 5G daje nam prawdziwą światową sieć bezprzewodową (WWWW), która umożliwia dostęp do większości miejsc na ziemi. Dzięki tej technologi będziemy mogli wysyłać i odbierać sygnały z niedostępnych miejsc takich jak wysokie góry, pustynie oraz morze, gdzie nie zawsze możliwe było połączenie lub połączenie umożliwiała jedynie telefonia satelitarna, która nie jest zbyt „szybka” oraz tania w użytkowaniu. Dostęp do sieci na morzu za pomocą telefoni komórkowej do teraz jest wyzwaniem, ze względu na małą ilość odbiorników zdolnych do przechwycenia sygnału, oraz ze względu na poruszanie się samego statku, który utrudnia nawiązanie połączenia. Problem ten zostanie rozwiązany za pomocą wprowadzenia standardu 5G w życie, gdzie powstaną Anteny zdolne do nadawania i odbierania sygnałów na dalekie odległości. Wiele ludzi myśli, że gdy 5G zostanie w pełni wprowadzone to inne urządzenia przestaną działać poprzez brak wsparcia dla poprzednich standardów sieci. Na szczęście to nieprawda, w tym standardzie również ważna będzie kompatybilność pomiędzy innymi standardami. 5G będzie „współpracowało” z innymi urządzeniami, które będą obsługiwały standardy (4G, 3,5G, 3G) co sprawi, że nasze starsze urządzenia, nadal będą mogły używać sieci oraz będą mogły być kompatybilne pomiędzy innymi urządzeniami, np. pomiędzy urządzeniami w domu oraz pojazdami. Nie będą jednak obsługiwały prędkości, które oferuje nam piąty standard, ze wzglądu na już wykonane podzespoły, które go nie obsługują. Połączenia jednak będą wykonywane z taką samą prędkością i opóźnieniami jak dotychczas. Rozszerzanie już użytych technologi będzie miało kluczową rolę, jednym z przykładów jest używanie tych samych protokołów sieciowych między poszczególnymi standardami i technologiami, przykładem takiego roszerzenia jest metody massive MIMO, która jest rozszerzeniem metody MIMO. Sama technologia powoduje transmisje danych po stronie nadajnika jak i odbiornika przez ten sam kanał radiowy. Samo rozszerzenie i już opracowane nowe technologie pozwolą na postawienie większej ilości anten oraz  zwiększenie wydajności samej metody, która pozwala na zwiększenie przepustowości w siedzi bezprzewodowej. Nie musimy się martwić o brak usług stosowanych w poprzednich sieciach, usługi nadal będą działać i nie powinno być z nimi żadnego problemu ze względu na zmiane sieci z 4G na 5G. Głównym celem tej technologii jest bardzo wysoka jakość usług (QoS), dodatkowo naukowcy i inżynierowie starają się ograniczyć emisję energii o 90%, co jest bardzo ważne przy aktualnej użytkowanej energii. Kolejnym celem jest  urzeczywistnienie inteligentnego miasta, gdzie będzie można wykorzystywać technologie do zwiększenia interaktywności i wydajności infrastruktury miejskiej. Już wiadomo, że uda się to zrobić tylko częściowo ze względu na za mały przesył danych oraz zbyt duże opóźnienia. Kluczowym elementem do rozwoju inteligentnego miasta okaże się internet rzeczy (IoT), w której przedmioty będą mogły wymieniać się danymi oraz je przetwarzać za pomocą sieci komputerowej. Sam internet rzeczy wystarczy, byśmy poczuli się jak w filmie Sci-Fi, gdzie urządzenia, których używamy na co dzień będą analizowały co robimy, co doprowadzi do zwiększenia komfortu życia. Oczekuje się, że 5G osiągnie swoje granice do 2030 roku. To wszystko jest dużym krokiem w erze informacji, który pozwoli nam, a w szczególności urządzeniom komunikować się nawzajem.

Stan badań sieci 6G[2, 3, 5, 6]

         Naukowcy już wiedzą, że sieć 5G nie wystarczy do postawionych celów w technologii 5G, lub 5G może zapewnić tylko częściowe rozwiązanie postawionego celu, dlatego cały czas opracowywują lepszy model, lepszą technologie, która pozwoli im w pełni urzeczywistnić te zadania. Aby zrozumieć jak chcą to zrobić trzeba poznać jak ta sieć ma działać. Głównym założeniem tej sieci jest integracja technologi 6G z 5G z sieciami satelitarnymi w celu zapewnienia globalnego zasięgu, żeby ten cel osiągnąć naukowcy podejrzewają, że trzeba będzie połączyć dwa rodzaje komunikacji radiową i światłową, która pozwoli na szybki transfer danych oraz bardzo niskie opóźnienia. Technologia (Li-Fi) i technologie oparte na falach submilimetrowych (Terahertz communication) mogą okazać się skuteczne, jeżeli chcemy zrealizować cele, których w pełni nie udało się zrealizować w standarcie 5G. Ze względu na to, że sieć nie jest aktualnie w wysokim stadium rozwoju, badacze w dużej mierze tylko przypuszczają jak ta sieć może wyglądać i co można za jej pomocom zrealizować. Sieć 6G rozszerza w większości horyzonty internetu rzeczy, gdzie większość urządzeń będzie komunikowało się ze sobą i innych użytych technologii. Niestety ten stan rzeczy będzie problemem, gdyż te sieci będą wymagały wyższej efektywności energetycznej (10-100x w porównaniu z standardem 5G), aby można było umożliwić lepszy zasięg i tanie wdrożenie, o niskim wpływie na środowisko będzie potrzebne opracowanie nowych anten, które będą oparte na metamateriałach. Metamateriały, które mogą wpływać na fale umożliwią nam na stworzenie małych i wydajnych anten szerokopasmowych. Większość naukowców i inżynierów, badających tą sieć uważa, że niezbędnym elementem przy projektowaniu się oraz użytkowaniu, będzie sztuczna inteligencja (AI), która znajdzie się na wszystkich poziomach tego standardu będzie wykonywać takie zadania jak :

         – organizacji i zarządzanie siecią

         – kodowanie i przetwarzanie sygnałów w warstwie fizycznej

         – manipulowanie inteligentnymi strukturami

         – analiza danych na poziomie urządzenia

         – analiza danych w technologi V2X

         Uważa się, że 6G będzie wdrażane około 2030 roku, niestety nie wiadomo czy uda się je pełni zrealizować. Wizja sieci 6G zmaga się z problemami, jednym z nich jest duże zużycie energii elektrycznej, naukowcy i inżynierowie już pracują nad lepszą wydajnością i energooszczędnością. Niestety poważniejszą przeszkodą jest brak odpowiedniej technologii, która umożliwi nam na wydajne korzystanie z ultraszybkich aplikacji dla sieci 6G, szczególnie gdy mówimy o sztucznej inteligencji. Aktualnie maksymalna częstotliwość robocza tranzystorów nie uległa zwiększeniu z około 300Ghz w procesie produkcyjnym, co jest za małą częstotliwością do wydajnego użytkowania. Muszą zostać odkryte nowe materiały, które na to pozwolą, dodatkowo, aby lepiej zoptymalizować korzystanie ze standardu 6G potrzebne są nowe narzędzia matematyczne, które pozwolą na szybszą analize danych.

Charakterystyka sieci 5G i 6G[2, 3, 6]

          Sieci 5G i 6G wychodzą naprzeciw naszym oczekiwaniom, a dokładniej oczekiwaniom naszych urządzeń. Do coraz to bardziej skomplikowanych zadań  potrzebujemy większego przesyłu danych oraz do jak największego komfortu użytkowania, potrzebujemy mniejszego opóźnienia. Za pomocą tabelki zobrazowałem jakie specyfikacje mają sieci 5G, w tabelce ująłem sieć, która znajdzie się w stanie przejściowym pomiędzy sieciami 5 i 6 G, gdy sieć 5G się bardziej rozwinie. Ciekawym momentem przy opracowaniu tej pracy jest spojrzenie w przyszłość, naukowcy również o tym myślą i podejrzewają, że dzięki tak szybkiej prędkości danych, będziemy mogli zrealizować roszerzoną rzeczywistość, lub inteligentne implanty pomagające nam w codziennych czynnościach.

         Ilość urzadzeń w sieciach 5 i 6G[2, 3]

         Sieci powstały, by sprostać oczekiwaniom użytkowników, których jest coraz więcej, dlatego technologia komórkowa cały czas się rozwija. Wraz ze wzrostem liczby użytkowników wzrasta ilość posiadanych i używanych urządzeń. Szacuje się, że, gdy w pełni wprowadzimy sieć 5G będzie 10 – 100 razy więcej urządzeń niż w przypadku sieci 4G. Jeśli chodzi o urządzenia elektroniczne podłączone do sieci wraz z rozwojem IoT wzrasta ich liczba, w 2018 roku, było to 22 miliardy urządzeń. Szacuje się, że dzięki rozwojowi internetu rzeczy, w 2025 roku, będzie tych urządzeń 38.6 miliatda, a w 2030, aż 50 miliardów, między innymi dlatego jest ważna elektryczna efektywność oraz szybki przesył danych.

         Radio kognitywne [4, 5]

         Radio kognitywne jest jednym z celów sieci 6G, jest to radio, które ustawia w sposób inteligentny najlepszą aktualną częstotliwość do wysyłania i odbierania danych, będzie rozpoznawał, który dany segment częstotliwości nie jest aktualnie używany, co sprawi, że efektywnie będzie można wysyłać dane, z jak najmniejszymi problemami. Prawdopodobnie radio kognitywne będzie działało za pomocą sztucznej inteligencji.

Machine learning i AI [2, 3, 6] 

         Sztuczna inteligencja, a w szczególności uczenie maszynowe odegra znaczącą rolę w sieci 5 i 6G. Dzięki AI i ekstremalnej prędkości przesyłu danych, będziemy mogli na bieżąco analizować sieć, stworzyć system samonaprawiający błędy w sieci i wiele innych przydatnych funkcji. Ze sztuczną inteligencją już się nie rozstaniemy, będzie nam towarzyszyć na każdym etapie naszego życia. Jest to technologia, która zwiększy efektywność, wydajność, a w szczególności bezawaryność naszej sieci i aplikacji, na której pracujemy. Uczenie maszynowe sprawi, że urządzenia na podstawie naszych zachowań cały czas się będą uczyć, a przez to wprowadzać lepsze rozwiązania. Problemem tej sztucznej inteligencji jest przeprocesowanie wszystkich danych, będziemy musieli mieć lepsze urządzenia komputerowe, zdolne do przetworzenia bardzo dużej liczby informacji w krótkim czasie. Aktualnie nasze urządzenia nie są w stanie obsłużyć tak dużej ilości informacji.

         Odbiorniki [2, 3, 5 ]

         Wraz z rozwojem technologi, musimy zainwestować w odbiorniki oraz nadajniki, które pozwolą nam użytkować sieć o tak wysokiej prędkości. Naukowcy podejrzewają, żeby móc przetwarzać więcej informacji, będziemy potrzebowali nowych anten z metamateriału, który może wpływać na fale. Według naukowców dobym pomysłem jest zainstalowanie w antenach diody LED, co nie tylko pozwoli na zmniejszenie zużycia energii, ale również poprawi specyfikacje nadajników i odbiorników. Innym pomysłem jest zainstalowanie w nadajnikach diody RTD, która może działać na częstotliwościach terahercowych.

          Inteligentne miasto[1, 2, 5, 6] 

         Jest to koncepcja miasta, w którym miasto wykorzystuje szeroko pojęte technologie IT, w celu podniesienia jakości życia, zwiększenia interaktywności i wydajności infrastruktur miejskich. Będzie to miasto z bardzo dużą ilością urządzeń elektronicznych, które będą się ze sobą komunikowały (IoT), by usprawnić ww. rzeczy. Już wiadomo, że sieć 5G nie umożliwi w pełni zrealizowania koncepcji inteligentnego miasta, możliwy będzie tylko scenariusz, gdzie miasto będzie fragmentarycznie inteligentne.

Wykorzystanie tej tematyki

Automatyka domowa[2]

         Już dzisiaj urządzenia domowe pozwalają nam na wygodne życie, w przyszłości, większość urządzeń domowych oraz czujników będzie się z nami komunikowała. Lodówki, odkurzacze, czujniki dymu, wszystkie te urządzenia będą analizowały nasze ruchy i powiadamiały nas, gdy będzie taka potrzeba.

         Komunikacja morze – kosmos[2, 6]

         5G i 6G pozwoli rozszerzyć komunikacyje możliwości komunikacyjne z łodziami podwodnymi, będzie możliwa komunikacja pod wodą, nie trzeba będzie się wynurzać, by taki sygnał wysłać, jest to szczególnie ważne jeśli chodzi o prowadzenie działań wojennych lub podwodnych ekspedycji naukowych.

         Rozszerzenie XR[2, 6]

         Naukowcy podejrzewają, że rozwój standardu sieci bezprzewodowych pozwoli na rozwój mieszanej rzeczywistości. Ta rzeczywistwość powstaje z połączenia wszechobecnych urzadzeń i czujników, które będą umożliwiały tworzenie treści dla rzeczywistości wirtualnej i mieszanej. Za pomocom XR będziemy mogli przenościć obiekty świata fizycznego do świata cyfrowego.

         Hologram w komunikacji[2, 3]

         Hologramy przestają być fikcją, sieć 6G umożliwi nam stworzenie komunikacji między sobą dzięki hologramom, do stworzenia hologramu całego ciała bez kompresji z kolorami w 30 klatkach na sekunde, będzie wymagało uzycia 4,32 Tb/s.

Spis literatury

1. Kachhavay M.,Thakare A.,(2014), „5G Technology-Evolution and Revolution”, International Journal of Computer Science and Mobile Computing.

2. A Speculative Study on 6G Faisal Tariq, Member, IEEE, Muhammad R. A. Khandaker, Senior Member, IEEE, Kai-Kit Wong, Fellow, IEEE, Muhammad Imran, Senior Member, IEEE, Mehdi Bennis, Senior Member, IEEE, and Merouane Debbah, ´ Fellow, IEEE[6 Aug 2019]

3. Towards 6G Networks: Use Cases and Technologies Marco Giordani, Member, IEEE, Michele Polese, Member, IEEE, Marco Mezzavilla, Senior Member, IEEE, Sundeep Rangan, Fellow, IEEE, Michele Zorzi, Fellow, IEEE, [4.02.2020]

4. RADIO KOGNITYWNE JAKO TECHNOLOGIA PRZYSZŁOŚCI KOMUNIKACJI RADIOWEJ NA POTRZEBY TRANSPORTU Magorzata Gajewska[kwiecień 2013]

5. “Propagation measurement system and approach at 140 GHz–Moving to 6G and above 100 GHz,” arXiv preprint arXiv:1808.07594. [Accessed: August 8, 2019]

6. A Vision of 6G Wireless Systems: Applications, Trends, Technologies, and Open Research Problems Walid Saad∗ , Mehdi Bennis† , and Mingzhe Chen‡ [21 Jul 2019 ]

7. An_Overview_on_Evolution_of_Mobile_Wireless_Communication_Networks-Ms. Anju Uttam Gawas [May, 2015]