Sieć 6G. Wystartował wyścig o internet kolejnej generacji

Świat wdraża dopiero 5G, więc 6G to dość odległa przyszłość. Wcześniejsze doświadczenia z telefonią komórkową, w której nowa generacja pojawia się co dekadę, pozwalają jednak przypuszczać, że pierwsza sieć 6G pojawi się ok. 2030 r. Prawdopodobnie w Korei Południowej, Chinach, może w USA lub w którymś z krajów Zatoki Perskiej. Oferować będzie wszystko to, co w marketingowych przekazach obiecywano w 5G i czego nie udało się uzyskać w realnie działających sieciach obecnie wdrażanych oraz jeszcze coś więcej. Co? Tego dowiemy się za kilka lat.

Zaskakujący tweet

Historia 6G nie zaczęła się od opublikowanego 21 lutego 2019 r. tweetu Donalda Trumpa. W USA nie działała wówczas jeszcze nawet żadna komercyjna sieć 5G. Tymczasem prezydent napisał, że chce wprowadzenia w USA technologii 5G, a nawet 6G „najszybciej jak to możliwe”. 6G z tweetu prezydenta USA dla wielu obserwujących było zaskoczeniem, a dla niektórych nawet tematem żartów. Jednak już chwilę później całkiem na poważnie zastanawiano się, co owo wezwanie mogło oznaczać.

Najprostsze, a zarazem całkiem racjonalne wyjaśnienie wiąże wpis z wojną handlową USA z Chinami, w której coraz istotniejszą rolę zaczynał wówczas odgrywać Huawei, chiński gigant technologiczny silnie zaangażowany w rozwój 5G. Prezydent Trump i waszyngtońska administracja od jesieni 2018 roku dążyli do zablokowania udziału Huawei w budowie sieci 5G w krajach sojuszniczych.

Argumentem były obawy o bezpieczeństwo sieci. W tym samym czasie Huawei przekonywał, że nie współpracuje z żadnym, w tym także chińskim rządem i jednocześnie sugerował, że bez jego udziału budowa sieci 5G mocno się opóźni i będzie znacząco droższa. Niektóre nieprzekonane, a może raczej zagubione rządy państw sojuszniczych chiński gigant kusił obietnicami, że jeśli nie zostanie arbitralnie skreślony z listy dostawców, to zaangażuje się finansowo w danym państwie. Jednym oferował 3 mld zł, innym 3 mld euro.

W laboratoriach praca wre

Szukając interpretacji słów Trumpa przypomniano, że nie on pierwszy mówi o 6G. Przygotowania do prac nad tą technologią zaczęły się kilkanaście miesięcy wcześniej m.in. w położonym za kołem podbiegunowym fińskim Uniwersytecie Oulu, a także w USA (m.in. University of California Santa Barbara i New York University Tandon School of Engineering) i Chinach, a w 2019 r. również w Korei Południowej. Poza środowiskami naukowymi uczestniczą w nich tacy producenci sprzętu telekomunikacyjnego jak szwedzki Ericsson, fińska Nokia, czy chiński Huawei, a także koreański Samsung i LG.

Najbardziej znanym ośrodkiem prac nad 6G jest Uniwersytet Oulu. To tam ulokowany jest, zainicjowany przez Akademią Fińską – rządowe ciało zajmujące się finansowaniem badań naukowych – program 6Genesis. Dysponuje on na lata 2018 – 2026 budżetem 251 mln euro, z czego połowę wyłożyć ma fiński rząd, a resztę przemysł. Ulokowanie 6Genesis w Oulu nie jest przypadkowe. Uniwersytet, jak i samo miasto od lat związane jest z technologiami radiowymi (zakład produkcyjny i centrum badawczo-rozwojowe ma tu Nokia), a w ostatnich latach w liczącym 204 tys. mieszkańców mieście powstało wiele technologicznych startupów, z których znaczną część stworzyli byli pracownicy Nokii zwolnieni podczas głębokiej restrukturyzacji firmy.

>>> Czytaj też: Kto będzie kontrolował 5G, ten będzie kontrolował świat

– Nie wiem, czym jest 6G. Nikt jeszcze tego nie wie – to najczęściej cytowane przez media słowa dr Ari Pouttu, profesora Uniwersytetu Oulu, który jest wicedyrektorem programu badań nad sieciami 6G.

Słowa mogą szokować, ale doskonale oddają obecny stan prac. W opinii Ari Pouttu, aby zdefiniować czym mają być sieci 6G najpierw musimy zidentyfikować, z jakimi problemami nie da sobie rady technologia 5G.

To podejście widać też we wstępnym harmonogramie prac nad 5G przygotowanym przez 3GPP, międzynarodową organizację normalizacyjną mającą na celu rozwój systemów telefonii komórkowej i standaryzację technologii. 3GPP jest zdania, że ostatnie prace standaryzujące 5G skończą się w połowie 2020 r., a potem zaczną się kilkuletnie prace związane z doskonaleniem i ewolucją technologii. Organizacja przewiduje, że dopiero w latach 2023 – 2025 trwać będą prace studialne nad 6G, a proces standaryzacji zacznie się w połowie 2025 r. i potrwa przynajmniej trzy lata, co pozwoliłoby producentom pierwsze gotowe systemy wprowadzić na rynek w 2030 r. O dostępności 6G w 2030 r. mówi też m.in. chiński rząd, ale Yang Chaobin, który w Huawei odpowiada za rozwiązania 5G twierdzi, że jest to termin mało realny.

Wstępnie definiując czym mogą być sieci 6G, osoby zaangażowane w prace stawiają tezę, że będzie to technologia nie tyle dla ludzi, co dla inteligentnych urządzeń. Mówi się też, że będzie technologią postsmartfonową. Oczekuje się, że sieci 6G będą umożliwiały pełne wykorzystanie wirtualnej i rozszerzonej rzeczywistości. Będą też w pełni zintegrowane z autonomicznymi pojazdami i inteligentnymi miastami, a także z komunikacją satelitarną. Futurystyczna wizja mówi, że interfejs urządzenia, które chcemy używać dzięki rozszerzonej rzeczywistości, pojawi się przed naszymi oczyma w chwili, gdy będziemy go potrzebowali.

Zakładane parametry 6G to maksymalna przepływność na poziomie 1 Tb/s (w sieciach 5G mowa o maksymalnej przepływności do 20 Gb/s, a w sieciach 4G do 1 Gb/s), przepływność dostępna dla użytkownika 100 Gb/s (1Gb/s w sieciach 5G), opóźnienia poniżej 1 ms (poniżej 10 ms) oraz możliwość korzystania z urządzeń w pojazdach przemieszczających się z prędkością do 1000 km/h (500 km/h).

W toczących się dyskusjach rozważa się rolę sztucznej inteligencji w sieciach 6G. Są opinie, że będzie ona integralną częścią sieci nowej generacji. Wydaje się być pewne, że będzie stosowana zarówno do projektowania, jak i optymalizowania sieci podczas jej działania oraz do zarządzania nią.

Panuje przekonanie, że sieci nowej generacji powszechnie wykorzystywać będzie radio kognitywne, którego koncepcję opisał w 1999 r. Joseph Mitola III. Radio kognitywne to – według jednej z definicji „inteligentny system komunikacji bezprzewodowej, który jest świadomy swojego otoczenia radiowego i który poprzez stopniowe budowanie wiedzy i rozumienia uczy się oraz stopniowo dopasowuje swój stan wewnętrzny do statycznych zmian środowiska radiowego, poprzez wprowadzanie w czasie rzeczywistym odpowiednich zmian parametrów działania (np. mocy sygnału nadawanego lub częstotliwości). Przy czym powinno to zmierzać do osiągnięcia dwóch głównych celów – przede wszystkim do zapewnienia realizacji różnych usług z odpowiednią, wysoką jakością, a po drugie do efektywnego wykorzystania zasobów radiowych”.

Techniczne trudności

Na obecnym etapie prac przyjmuje się, że sieć 6G wykorzystywać będzie częstotliwości teraherzowe i sub-teraherzowe, a więc pasmo znacznie wyższe niż 5G. To umożliwia z jednej strony osiąganie wielkich przepływności, a z drugiej wprowadza znaczące ograniczenia, bo zasięg takich fal jest niewielki (w przypadku 1 THz wynosi ok. 10 m), a na dodatek bardzo słabo przenikają one przez ściany, a poza tym są podatne na wszelkie zakłócenia wywołane czy to np. przez drzewa, czy przez ulewny deszcz.

Już to oznacza ogrom prac nie tylko dla zespołów projektujących układy wykorzystywane w części radiowej sieci, ale także ogrom prac nad samą architekturą sieci. Budowanie stacji bazowych – nawet bardzo niewielkich – co kilka, czy nawet kilkadziesiąt metrów nie wchodzi w rachubę, zatem pojawiają się pomysły, że każde urządzenie działające w sieci będzie jednocześnie stacją bazową. W publikowanych w czasopismach fachowych artykułach przeczytać można o potencjalnej możliwości wykorzystania dronów jako stacji bazowych zapewniających zasięg, a także wykorzystania ich do lokowania serwerów z treściami. Pojawia się też koncepcja instalowania na ścianach budynków inteligentnych powierzchni odbijających, które by zwiększały zasięg sieci. Wydaje się pewne, że na potrzeby sieci 6G muszą zostać opracowane nowe, niestosowane do tej pory typy anten.

Wyzwaniem jest też miniaturyzacja samych urządzeń, które – jak się sądzi – współpracować będą jednocześnie z setkami, jeśli nie tysiącami anten. Innym wyzwaniem jest wielka moc obliczeniowa potrzebna do obsłużenia sieci i związane z tym problemy z zasilaniem i energooszczędnością urządzeń, a także z odprowadzaniem ciepła wytwarzanego przez zainstalowane procesory.

Wyścig wystartował

Dyskusje trwają, a konstruktorzy nie zasypiają gruszek w popiele. W połowie lipca Uniwersytet Kalifornijski w Irvine (UCI) poinformował, że zespół inżynierów z tamtejszego Nanoscale Communication Integrated Circuits Labs zaprojektował niewielki, bo mający 4,4 mm² powierzchni, chip radiowy działający w paśmie 115 – 135 GHz, a więc w zakresach, które potencjalnie mogą być wykorzystywane w sieciach 6G. Chip pozwala na wysyłanie i odbieranie danych z przepływnością 36 Gb/s na odległość do 30 cm. Najnowsze chipy radiowe stosowane w sieciach 5G działających w zakresach 24 – 39 GHz przesyłają do 6 Gb/s, z tym że na znacznie większą odległość. Prototyp chipa z UCI powstał we współpracy z firmami TowerJazz i STMicroelectronics.

Dobrym sygnałem dla ekip zajmujących się 6G jest marcowa decyzja amerykańskiej Federalnej Komisji Łączności (FCC) o udostępnieniu na 10 lat na potrzeby badań i prac związanych z sieciami kolejnej generacji pasm z zakresu 95 GHz – 3THz.

– FCC rozpoczęła wyścig do 6G i pomaga Stanom Zjednoczonym odegrać wiodącą rolę w rozwoju sieci bezprzewodowych przyszłych generacji – skomentował decyzję FCC Ted Rappaport, profesor Uniwersytetu Nowojorskiego, który jest jednym z czołowych badaczy zajmujących się wykorzystaniem fal o milimetrowej długości w sieciach 5G.

>>> Czytaj też: Usługi fintechów coraz powszechniejsze

Autor: Tomasz Świderek