O passado 2019 pode ser chamado de "ano da 5G". Em abril, o consórcio 3GPP, que desenvolve as especificações móveis, lançou seu 15º lançamento de padrões de próxima geração, e as redes começaram a ser implantadas em todo o mundo. O esclarecimento dos parâmetros 5G ainda está em andamento, e os releases 16 e 17 devem aparecer em 2020-2021, que irão completar a descrição do 5G, trazendo-o para o nível condicional de "5 ++". Enquanto isso, a corrida para a próxima geração 6G já começou.
Em março de 2019, a primeira reunião do consórcio 6G Flagship ocorreu na Universidade Finlandesa de Oulu. A universidade, que é a principal base de P&D da Nokia, liderou o trabalho em redes de próxima geração. E em novembro, o governo da China lançou oficialmente o desenvolvimento de tecnologias 6G. Todos os principais fabricantes de equipamentos de telecomunicações já se juntaram a eles, e a próxima reunião 6G Flagship está marcada para março de 2020.
“A questão do 5G pode ser considerada geralmente encerrada no lançamento 15”, disse Vitaly Shub, chefe do principal centro de pesquisa da Skoltech, que está diretamente envolvido no trabalho da nova geração de comunicações. - As especificações foram definidas, as tecnologias foram criadas, a produção industrial de equipamentos está em andamento. As fábricas chinesas produzem cerca de cem mil estações base por mês. É hora de pensar em como será a conexão 6G.
Ciclo eterno
A infraestrutura de telecomunicações usa dois tipos fundamentalmente diferentes de redes. Redes de recursos fixos - como, por exemplo, uma conexão cabeada sobre cobre, cabo coaxial ou fibra óptica - conectam diretamente um assinante a uma porta da operadora, o que garante uma determinada largura de banda desse canal. Uma conexão dedicada é destinada ao usuário pessoalmente, como um cano de água conectado a uma torneira em uma casa.
Em contraste, as redes celulares são, por definição, redes divisíveis. Suas especificações garantem uma certa taxa de transferência de e para o pool geral de assinantes apenas entre eles e a estação base. No entanto, a taxa final de troca de dados depende do número de assinantes conectados, da capacidade da rede e de outros fatores. “Na verdade, a comunicação móvel até a 4ª geração inclusiva é um negócio único que pode prestar um serviço sem nenhuma garantia de qualidade”, afirma Vitaly Shub. “Além disso, não há nada a fazer: tal característica decorre da própria“física”da rede, dos recursos limitados de seu recurso, que é compartilhado por todos os usuários.”
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Como resultado, cada geração seguinte de comunicação celular passa pelos mesmos estágios característicos. Pela primeira vez após o surgimento da nova tecnologia, não há muitos assinantes em tal rede e as velocidades disponíveis para eles são realmente altas. No entanto, a rede começa a encher e há cada vez mais usuários e aplicativos exigentes. Como resultado, as velocidades diminuem e é necessário introduzir novas tecnologias e uma nova geração de comunicação. A prática mostra que essa mudança leva cerca de 10-12 anos.
“O negócio se desenvolve na linha da serra: a saturação gradativa das redes acaba com o surgimento da próxima geração de comunicação, o que reduz essa carga”, explica Vitaly Shub. - Primeiro, há uma oferta, ela cria uma demanda por novas oportunidades. Mas então tudo muda: a demanda emergente requer uma nova oferta, novas tecnologias para satisfazê-la. As operadoras de celular são simplesmente forçadas a expandir constantemente a rede e melhorar suas características."
Entre o quinto e o sexto
Cada próxima geração de comunicação celular pode ser associada a transições para novos e cada vez mais complexos princípios de codificação de sinal. O primeiro desses sistemas usados de multiplexação por divisão de frequência (FDMA), a abordagem mais simples em que o acesso a um canal comum é dividido entre os usuários, atribuindo temporariamente frequências específicas a eles. Em seguida, as tecnologias TDMA se generalizaram, permitindo que vários assinantes utilizassem o mesmo canal, compartilhando-o em curtos intervalos de tempo.
Em seguida, o acesso múltiplo por divisão de código (CDMA e WCDMA) foi introduzido, o que fornece oportunidades adicionais para o uso paralelo de frequências. Neste caso, o sinal é modulado com uma sequência de codificação especial, para cada assinante. A antena da estação base transmite um sinal emaranhado semelhante a ruído, mas cada destinatário final, conhecendo seu próprio código, é capaz de extrair a parte de que precisa.
O acesso múltiplo de portadora ortogonal (OFDMA) foi então implementado, no qual cada frequência de portadora é, por sua vez, dividida em várias subportadoras moduladas independentemente umas das outras. Hoje esta abordagem está se aproximando de seu limite teórico. “Para cada tecnologia existe uma eficiência espectral limitante, ou seja, o número de bits por segundo que 1 Hz de ondas de rádio pode transmitir”, explica Vitaliy Shub. - A quinta geração está se aproximando de 30-50 bits / sHz, usando quase completamente os recursos do aparelho de codificação matemática. Isso proporciona uma largura de banda enorme: adicione largura de banda de portadora ultra-larga e você terá números de 100 Mbps a 1 Gbps e, em alguns casos, até 20 Gbps."
Espera-se que a comunicação 6G já alcance de 100 Gbps a 1 Tbps, e a velocidade de resposta da rede - menos de um milissegundo. Os requisitos exatos para o padrão ainda não foram formulados, mas presume-se que esses são os números que serão necessários para a operação de veículos não tripulados, sistemas complexos de inteligência artificial e realidade virtual, indústria robótica e logística. Alcançar os indicadores desejados exigirá o uso de novas frequências, nova matemática e até física.
Novas velocidades
A taxa de dados é determinada pela largura de banda e eficiência espectral, e o trabalho para 6G está sendo feito em ambas as direções. Assim, para aumentar a largura da portadora, é necessário utilizar uma nova faixa ainda não disponível para comunicação, passando para ondas de rádio de ondas ainda mais curtas - com frequência de até 100 GHz e ainda maior, na região do terahertz, submilímetro (300 GHz - 3 THz), que fica praticamente desocupada e permitirá que você use uma ampla gama de trabalho.
Até recentemente, os transmissores e receptores terahertz permaneciam tão complexos e complicados quanto os primeiros computadores. Essas instalações tiveram ampla utilização apenas nos últimos anos - por exemplo, durante o exame de bagagens em busca de explosivos, na medicina e na ciência dos materiais. Para a sexta geração de comunicações, os dispositivos terahertz devem se tornar ainda mais miniaturizados e eficientes em termos de energia. E, além desse amplo canal, novas tecnologias de codificação de sinal devem aparecer para aumentar sua eficiência espectral. Uma das áreas principais deste trabalho se tornou "vórtices ópticos", que são ativamente perseguidos por desenvolvedores de Skolkovo. “Uma onda de luz pode ser imaginada como um saca-rolhas ou uma espiral”, explica Vitaly Shub. - O passo desta espiral pode ser desigual, além disso, pode ser controlado. Tendo aprendido a modular tais irregularidades de onda,temos uma maneira adicional de codificar o sinal. " Essas tecnologias estão avançando aos trancos e barrancos e, em 2018, cientistas australianos reduziram o sistema para modular o momento orbital angular (OAM) para o tamanho de um microchip, bastante adequado para uso em um dispositivo de bolso. De acordo com algumas estimativas, o uso da codificação OAM aumentará a eficiência espectral em pelo menos cinco vezes. “Os limites teóricos ainda não foram estabelecidos aqui, pois ainda não está claro o quanto seremos capazes de variar e controlar o“degrau do feixe”, acrescenta Vitaly Shub. "É possível que o crescimento seja de dez ou cem vezes."e em 2018, cientistas australianos reduziram um sistema para modular o momento angular orbital (OAM) ao tamanho de um microchip, bastante adequado para uso em um dispositivo de bolso. De acordo com algumas estimativas, o uso da codificação OAM aumentará a eficiência espectral em pelo menos cinco vezes. “Os limites teóricos ainda não foram estabelecidos aqui, pois ainda não está claro o quanto seremos capazes de variar e controlar o“degrau do feixe”, acrescenta Vitaly Shub. "É possível que o crescimento seja de dez ou cem vezes."e em 2018, cientistas australianos reduziram um sistema para modular o momento angular orbital (OAM) ao tamanho de um microchip, bastante adequado para uso em um dispositivo de bolso. De acordo com algumas estimativas, o uso da codificação OAM aumentará a eficiência espectral em pelo menos cinco vezes. “Os limites teóricos ainda não foram estabelecidos aqui, pois ainda não está claro o quanto seremos capazes de variar e controlar o“degrau do feixe”, acrescenta Vitaly Shub. "É possível que o crescimento seja de dez ou cem vezes."É possível que o crescimento seja de dez ou cem vezes."É possível que o crescimento seja de dez ou cem vezes."
Grave reações
A necessidade de trazer o tempo de resposta das redes 6G para níveis abaixo de um milissegundo apresenta problemas completamente diferentes. De acordo com Vitaly Shub, isso exigirá mudanças globais na topologia da rede. O fato é que nos últimos anos eles se desenvolveram com foco no armazenamento de dados "em nuvem". Nossos arquivos, músicas, fotos podem estar fisicamente localizados em qualquer lugar, em um servidor nos EUA, Austrália ou Dinamarca. Contanto que o "gargalo" no acesso a eles seja a velocidade sem fio, isso realmente não importa. No entanto, a comunicação 5G já é rápida o suficiente e mesmo o canal cabeado mais poderoso entre a operadora de celular e o servidor não é suficiente: o armazenamento deve ser movido para mais perto do assinante. “Tudo está começando a voltar ao normal”, diz Vitaly Shub. "O que mudou em uma direção na terceira e quarta gerações volta atrás."Esta abordagem incorpora o conceito de Mobile Edge Computing (MEC): centros de comutação de pacotes que acumulam os dados mais exigidos pelos usuários para agilizar o acesso a eles, movem-se o mais próximo possível do destinatário, e o software inteligente ajusta constantemente o conteúdo e a distribuição de conteúdo dependendo das necessidades do assinante … Em vez de uma hierarquia alta e multicamadas, a rede torna-se quase “plana” e a latência dentro dela cai drasticamente. Na hierarquia de várias camadas, a rede torna-se quase "plana" e o tempo de latência dentro dela é drasticamente reduzido. Na hierarquia de várias camadas, a rede torna-se quase "plana" e o tempo de latência dentro dela é drasticamente reduzido.
A implementação do MEC enfrenta uma série de desafios técnicos novos e não resolvidos. Em particular, é necessária uma miniaturização ainda maior dos sistemas de comutação de pacotes de sinal e dispositivos de armazenamento de dados, um aumento em sua capacidade e uma diminuição no consumo de energia. Enquanto isso, o 6G está dando apenas os primeiros passos grosseiros em antecipação ao tempo em que a geração anterior se aproximará do "estágio de saturação". Provavelmente, isso acontecerá por volta de 2025-2027, quando as solicitações de novos assinantes e aplicativos ficarem claras. Só então os requisitos específicos para os seguintes padrões de comunicação serão formulados.
Geração política
Os principais players neste campo já foram identificados - além da Nokia e da chinesa Huawei, são as corporações Samsung e Ericsson. Espera-se que por volta de 2028-2030 eles desenvolvam os parâmetros básicos do 6G, e o consórcio 3GPP irá lançar outra versão descrevendo os principais padrões da próxima geração. Porém, tudo pode correr de acordo com outro cenário inesperado. “Pode-se esperar que a sexta geração se torne a mais politizada”, diz Vitaly Shub. "As tentativas do Ocidente de 'refrear' a China já são evidentes no estágio 5G e podem continuar, destruindo todo o complexo sistema de cooperação internacional." Na verdade, a Huawei da China possui quase um terço do pool de patentes para a tecnologia de comunicações 5G - e com a sexta geração, a situação tende a piorar. Além do programa estadual já adotado para o desenvolvimento do 6G,A RPC pode contar com recursos internos inacessíveis em qualquer outra parte do mundo, em seu enorme mercado e volumes colossais de "big data". “Toda a economia moderna é uma economia pecuária”, acrescenta Vitaly Shub.
No entanto, dentro da estrutura de tal economia, a Rússia ainda mantém seu próprio nicho único. Nossos desenvolvedores estão ativamente envolvidos na criação da base física e tecnológica da qual as patentes e os padrões 3GPP irão emergir. “São novos materiais, nova matemática, novos princípios - uma obra de pesadelo em termos de volume”, resume Vitaly Shub. “Só podemos esperar que sejamos capazes de cumprir o ciclo de implementação usual de 10 anos.”
Homem-peixe romano
