Novas Redes Móveis 6G : Tecnologia e Previsões - Instituto Eldorado
23 de Novembro de 2021

Novas Redes Móveis 6G : Tecnologia e Previsões

Jose Antonio

Jose Antonio Mechaileh

Líder de Projetos no Instituto ELDORADO

Author

Com a proliferação da Internet das Coisas (IoT), Inteligência Artificial, Blockchain, AR/VR, Big Data e outras tecnologias disruptivas vários serviços estão surgindo com características e requisitos totalmente diferentes, que não podem ser totalmente suportados pela atual 5ª geração de redes celulares móveis (5G). A futura 6ª geração (6G) deverá ter a capacidade de suportar serviços novos e alguns até mesmo desconhecidos, com fortes mudanças nos requisitos. Portanto, além de aumentar sua capacidade em 10-100 vezes em comparação com 5G, as redes 6G também devem ser inteligentes e abertas para se adaptar aos serviços em constante mudança, o que requer o que foi definido pelo IEEE como 3CS: collaborative cognitive communication services.

Com a implantação global do 5G em ritmo forte, as iniciativas de pesquisa para 6G têm atraído ampla atenção tanto da academia quanto da indústria, dedicando-se a identificar os principais drivers, requisitos de desempenho e inovações tecnológicas. 

As redes 6G serão as sucessoras das atuais tecnologias celulares 4G e 5G. As redes 6G serão capazes de usar frequências mais altas do que as redes 5G, fornecendo capacidade substancialmente maior com delay (latência) muito menor. Um dos objetivos das redes 3GPP 6G será oferecer suporte a uma comunicação com delay na faixa dos microssegundos: isso é 1.000 vezes mais rápido do que o oferecido pelas redes 5G atuais.

Espera-se que as tecnologias envolvidas nas futuras redes 6G ofereçam suporte para grandes melhorias em imagem, tecnologia de presença e de localização. Trabalhando em conjunto com a inteligência artificial (IA), a infraestrutura computacional do 6G determinará de forma autônoma o melhor local para a computação ocorrer – isso inclui decisões sobre armazenamento, processamento e compartilhamento de dados.

Para construir uma rede 6G inteligente e aberta, cada nó deve ser equipado com recursos de comunicação, computação e armazenamento em cache suficientes para suportar operações inteligentes e auto-evolução. Todos os recursos 3C na rede podem ser utilizados de forma colaborativa por meio de várias tecnologias inovadoras para permitir uma rede 6G inteligente e aberta.

A computação de borda (MEC – multi-access edge computing) será incorporada a todas as redes 6G, em seguimento ao que já ocorre nas atuais redes 5G. A MEC será integrada como parte de uma estrutura combinada de infraestrutura de comunicação / computação quando as redes 6G forem implantadas. Essa abordagem fornecerá muitas vantagens potenciais, à medida que a tecnologia 6G se tornar operacional, incluindo acesso aprimorado aos recursos de IA.

O que deverá mudar para o 6G?

6G é a geração de rede móvel que nos ajudará com os desafios que enfrentaremos em 2030 e além. As comunicações móveis desempenharão um papel ainda maior em nossas atividades diárias do que hoje.

Isso significa que o 6G terá que atingir muito mais objetivos do que apenas fornecer acesso rápido à Internet móvel. 

A convergência dos mundos físico, humano e digital em 6G exigirá suporte para comunicação imersiva, cognição e inteligência conectada;

Para fornecer flexibilidade, a programabilidade deve estar no centro do 6G;

O 6G precisa oferecer suporte a serviços ponta a ponta determinísticos;

O 6G precisa fornecer sensoriamento e comunicação integrados, o que permitirá localização de alta precisão e serviços de sensoriamento de alta resolução;

O 6G desempenhará um papel ambicioso em relação ao meio-ambiente, reduzindo gastos em energia, recursos e emissões e melhorando a sustentabilidade em várias partes da sociedade e da indústria;

O 6G precisa se tornar uma infraestrutura verdadeiramente confiável que se tornará a base das sociedades do futuro;

Finalmente, para garantir que o 6G possa ser inclusivo para todas as pessoas em todo o mundo, ele precisa ser escalonável e acessível. 

KPIs e Enablers do 6G

O 6G precisa melhorar significativamente os KPIs que o 5G pode atingir agora. Novos níveis de capacidade e latência estenderão o desempenho de aplicativos 5G e expandirão o escopo de recursos para oferecer suporte a aplicativos inovadores em conectividade sem fio, cognição, detecção e imagem.

6G deve suportar taxas de dados na casa de 1 TByte/s;

O delay poderá atingir, em alguns usecases, valores de microssegundos;

A precisão de localização atingirá novos patamares, ao redor de centímetros;

A capacidade atingirá 150 Tbit/s/km²;

A combinação de frequências sub-mmWave e a possibilidade de seletividade de frequências no deployment das redes – de acordo com as taxas de absorção eletromagnética dos diferentes materiais – pode levar a avanços significativos na experiência dos usuários.

Muitos pesquisadores propuseram o acesso múltiplo não ortogonal (NOMA) como um novo esquema promissor para as redes móveis 6G. No NOMA, todos os usuários têm permissão para acessar o recurso completo (banda de frequência) simultaneamente. Alguns pesquisadores sugeriram o acesso múltiplo de divisão de taxa (RSMA) como uma nova tecnologia de acesso para sistemas de comunicação 6G. Tanto o NOMA quanto o RSMA contam com cancelamentos de interferência sucessivos (SIC) para decodificar as informações para o usuário. RSMA usa os SICs para decodificar a mensagem comum primeiro e depois decodificar a mensagem privada. Ambos os esquemas precisam ser amadurecidos o suficiente antes da implantação prática. Uma nova interface aérea definida por software baseada em IA foi proposta, onde os autores projetam um sistema de comutação de interface aérea inteligente para aprimoramento de QoS do usuário.

A latência da rede em 6G será minimizada pelo uso de processadores super-rápidos e de alto poder computacional, tanto na rede quanto nos dispositivos finais. 

Esforços de Pesquisa e Padronização

Visando a padronização do 6G, a União Internacional de Telecomunicações (UIT) estabeleceu um grupo de estudos para a Network 2030

A Universidade de Oulu, Finlândia, lançou um projeto 6G Flagship, em parceria com institutos acadêmicos e empresas em todo o mundo. Essas organizações se concentram em explorar a futura arquitetura de rede e habilitar tecnologias para novos serviços 6G, como comunicações holográficas e comunicações críticas com baixíssimo delay. 

Nos Estados Unidos, a Federal Communications Commission (FCC) decidiu abrir o espectro TeraHertz (THz) para 6G e sugeriu o uso de blockchain para permitir o compartilhamento flexível e dinâmico do espectro. Enquanto isso, a comunicação por satélite é tida como uma das características principais do 6G, para formar redes integradas espaço-ar-solo e fornecer uma cobertura completa em todo o mundo. 

A NetworldEurope publicou uma nova Agenda de Pesquisa Estratégica e Inovação (SRIA) para o 6G, como fizeram no início do 5G. Esse documento foi tomado como a base tecnológica das metas que serão implementadas no âmbito da Parceria de Redes e Serviços Inteligentes (SNS) entre a Comissão Europeia (CE) e as empresas privadas da UE. Finalmente, um conjunto de projetos de pesquisa financiados pela UE começou recentemente a enfrentar os desafios do caminho para 6G, com Hexa-X como o projeto principal, e algumas grandes empresas privadas de Tecnologia da Informação e Comunicação (TIC) têm começou a publicar anúncios sobre programas internos com foco em 6G. 

Fora da UE, outras áreas começaram a definir a sua própria visão sobre 6G, estabelecendo grupos de estudos e associações técnicas. Por exemplo, nos EUA, a Next G Alliance iniciou as atividades em 2020 com o objetivo de promover a liderança em tecnologia móvel da América do Norte por meio de esforços liderados pelo setor privado. 

Na China, o Grupo de Promoção IMT-2030 (6G) foi estabelecido em 2019 para promover a pesquisa 6G e construir uma plataforma de intercâmbio de visão internacional. A China lançou um satélite de teste 6G equipado com um sistema THz, enquanto Huawei e China Global planejam lançamentos de satélites 6G semelhantes em 2021. 

No Japão, o governo anunciou recentemente um plano de 620 milhões de US$ para promover P&D e construir uma instalação para desenvolver tecnologias relacionadas ao 6G. Na Coreia do Sul existe um plano para lançar um projeto piloto para o serviço móvel 6G já em 2028.

Use Cases em 6G

O XR – um termo abrangente que engloba realidade mista, virtual e aumentada – se beneficiará do 6G, combinado com telas vestíveis e renderização de alta resolução, permitindo que as pessoas levem hologramas interativos com elas, onde quer que estejam.

E-health e digital / bio sensing: com o número crescente de infecções por vírus, há uma necessidade para o desenvolvimento de biossensores que sejam precisos, exatos, sensíveis, fáceis de usar e específicos para detectar e monitorar doenças infecciosas. Com o desenvolvimento do 6G, esses biossensores podem ser integrados aos smartphones para dar um alerta precoce e controlar as pandemias.

Com a integração de QC, ML e biotecnologia, as redes 6G podem ser capazes de detectar doenças virais de maneira eficaz, observando a temperatura corporal de indivíduos infectados de forma eficiente. Biossensores ópticos também podem ser usados ​​para rastrear o funcionamento das substâncias utilizadas para biorreconhecimento, como anticorpos, enzimas, células inteiras e DNAzymes, para melhor detectar várias doenças. Em outras áreas de e-health, como controle de condições ambientais (por exemplo, temperatura, porcentagem de gases e condição de luz), 6G também pode ser útil. Em diversas operações de saúde, como atendimentos de emergência, exames médicos, limpeza de pisos contaminados e fornecimento de medicamentos em áreas rurais, a robótica autônoma pode ser utilizada. 

Transmissões holográficas: holografia é uma técnica para capturar a imagem 3D completa de um objeto. Uma fotografia comum cria uma imagem bidimensional, porque registra apenas a distribuição de amplitude ou intensidade. Já na holografia, tanto a intensidade quanto a fase das ondas de luz são registradas. Os efeitos da luz física, como interferência, reflexão, refração e difração ficam registrados na holografia, e o arquivo é chamado de holograma. É possível reproduzir cada holograma repetidamente, criando uma ilusão de presença física, já que o holograma possui todas as informações do objeto em formas ópticas. Assim como as câmeras móveis substituíram as câmeras estáticas, a videochamada e a gravação de vídeo serão substituídas pela holografia. As redes 6G darão suporte de comunicação (banda, delay) e computacional a essa tecnologia.

Comunicação no espaço e no mar profundo: o turismo espacial tem um imenso potencial para a próxima década, tanto do ponto de vista econômico quanto científico. Já há algumas empresas operando o lançamento de voos comerciais sub-orbitais para turismo espacial. Após alguns lançamentos espaciais bem-sucedidos e lucrativos, o próximo passo será garantir a disponibilidade de hospedagem e também de pesquisa espacial. O 6G satelital poderá prover comunicação para essas operações.

Robôs autônomos e inteligentes poderão ser colocados em áreas ambientais adversas para fins de comunicação e pesquisa. A exploração em alto mar, como a exploração de petróleo e a exploração mineral, poderá se tornar uma realidade. Robôs e veículos totalmente automatizados participarão dos processos de diagnóstico, operação, monitoramento e manutenção em tempo real de maneira muito eficiente e econômica. O 6G satelital poderá prover comunicação para essas operações.

Grupos de UAVs unmanned aerial vehicles:  por meio de hardware avançado, algoritmos de ML e QML, UAVs serão usados em várias operações, como controle de fogo, construção, primeira resposta de emergência e agricultura, sendo suportados por 6G.

Robótica e veículos automatizados para além da era da Indústria 4.0: “Indústria 4.0” é o termo usado para a 4ª revolução industrial, abrangendo várias tecnologias. As fábricas da Indústria 4.0 possuem máquinas totalmente automatizadas, que podem se organizar e otimizar automaticamente, e incluem processos como computação em nuvem, NFV, NW slicing e IoT industrial. 6G trará uma nova revolução industrial denominada como Além da era Industrial 4.0.

Conclusões

Espera-se que o 6G ofereça suporte a vários serviços disruptivos, com performance geral de 10 a 100 vezes maior do que 5G. Para atender a esses requisitos rigorosos, inteligência e abertura são necessárias. A convergência 3CS é essencial para a criação do 6G: compartilhamento de espectro dinâmico, computação distribuída sem fio e evolução inteligente de rede. 

O 6G irá integrar ainda mais as tecnologias de comunicação na vida humana, trazendo novas experiências como realidade mista e tele-presença, enquanto desempenha um papel importante ajudando a avançar para a sustentabilidade global, aumentando a produtividade em todos os setores produtivos. 

Como seus predecessores, o 6G virá com novos desafios, particularmente larguras de banda mais amplas e frequências mais altas, para suportar novos casos de uso. Os desafios técnicos de projeto e implantação serão gigantescos.

Referências

https://ieeexplore.ieee.org/document/9144301

https://ieeexplore.ieee.org/document/9464917

https://5g-ppp.eu/wp-content/uploads/2021/06/WhitePaper-6G-Europe.pdf

https://hcis-journal.springeropen.com/articles/10.1186/s13673-020-00258-2

https://spectrum.ieee.org/6g-massive-mimo-millimeter-waves-2654601284#toggle-gdpr

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352864820300237?via%3Dihub

https://www.bbc.com/news/av/world-asia-china-54852131

https://www.microwavejournal.com/articles/35966-g-innovating-the-future-of-wireless-communications

https://www.fcc.gov/document/fcc-opens-spectrum-horizons-new-services-technologies

https://docs.fcc.gov/public/attachments/DOC-356643A1.pdf

https://www.zdnet.com/article/what-is-6g-if-anything-a-guide-to-what-to-expect-from-whom-and-when/

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