L'ultimo 2019 può essere definito "l'anno del 5G". Ad aprile, il consorzio 3GPP, che sviluppa le specifiche mobili, ha rilasciato la sua quindicesima versione di standard di nuova generazione e le reti hanno iniziato a diffondersi in tutto il mondo. La chiarificazione dei parametri 5G è ancora in corso e nel 2020-2021 dovrebbero apparire le versioni 16 e 17, che completeranno la descrizione del 5G, portandola al livello condizionale di "5 ++". Nel frattempo, la corsa alla prossima generazione di 6G è già iniziata.
Nel marzo 2019 si è svolto il primo incontro del consorzio 6G Flagship presso l'Università finlandese di Oulu. L'università, che è la base chiave di ricerca e sviluppo di Nokia, ha guidato il lavoro sulle reti di nuova generazione. E a novembre, il governo cinese ha lanciato ufficialmente lo sviluppo delle tecnologie 6G. Tutti i principali produttori di apparecchiature per le telecomunicazioni si sono già uniti a loro e il prossimo incontro 6G Flagship è previsto per marzo 2020.
"La questione del 5G può essere considerata generalmente chiusa alla release 15", ci ha detto Vitaly Shub, capo del principale centro di ricerca di Skoltech, che è direttamente coinvolto nel lavoro sulla nuova generazione di comunicazioni. - Sono state stabilite le specifiche, sono state create le tecnologie, è in corso la produzione industriale delle apparecchiature. Le fabbriche cinesi producono circa centomila stazioni base al mese ". È tempo di pensare a come sarà la connessione 6G.
Ciclo eterno
L'infrastruttura di telecomunicazione utilizza due tipi di reti fondamentalmente diversi. Le reti a risorsa fissa - come, ad esempio, una connessione cablata su cavo in rame, coassiale o in fibra ottica - collegano direttamente l'abbonato a una porta dell'operatore, che garantisce una certa larghezza di banda di questo canale. Una connessione dedicata è destinata all'utente personalmente, come un tubo dell'acqua collegato a un rubinetto in una casa.
Al contrario, le reti cellulari sono per definizione reti divisibili. La loro specifica garantisce una certa velocità di trasferimento da e verso il pool generale di abbonati solo tra questi e la stazione base. Tuttavia, il tasso di scambio dati finale dipende dal numero di abbonati collegati, dalla capacità di rete e da altri fattori. "In effetti, la comunicazione mobile fino alla quarta generazione inclusa è un'attività unica in grado di fornire un servizio senza alcuna garanzia della sua qualità", afferma Vitaly Shub. “Inoltre, non c'è niente da fare: una tale caratteristica deriva dalla stessa“fisica”della rete, dalle risorse limitate della sua risorsa, che è condivisa tra tutti gli utenti”.
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Di conseguenza, ogni generazione successiva di comunicazione cellulare passa attraverso le stesse fasi caratteristiche. La prima volta dopo la comparsa della nuova tecnologia, non ci sono troppi abbonati in una rete del genere e le velocità a loro disposizione sono davvero elevate. Tuttavia, poi la rete inizia a riempirsi e ci sono sempre più utenti e applicazioni esigenti. Di conseguenza, le velocità diminuiscono ed è necessario introdurre nuove tecnologie e una nuova generazione di comunicazione. La pratica mostra che un tale cambiamento richiede circa 10-12 anni.
"Il business si sviluppa lungo la linea della sega: la graduale saturazione delle reti termina con l'emergere della prossima generazione di comunicazioni, che riduce questo carico", spiega Vitaly Shub. - In primo luogo, c'è un'offerta, crea una domanda di nuove opportunità. Ma poi tutto cambia: la domanda emergente richiede una nuova offerta, nuove tecnologie per soddisfarla. Gli operatori cellulari sono semplicemente costretti a espandere costantemente la rete e migliorarne le caratteristiche ".
Tra il quinto e il sesto
Ogni nuova generazione di comunicazioni cellulari può essere associata a transizioni a principi nuovi e sempre più complessi di codifica del segnale. Il primo di questi utilizzava sistemi di multiplexing a divisione di frequenza (FDMA), l'approccio più semplice in cui l'accesso a un canale comune è diviso tra gli utenti assegnando loro temporaneamente frequenze specifiche. Successivamente, le tecnologie TDMA si sono diffuse, consentendo a più abbonati di utilizzare lo stesso canale, condividendolo in brevi intervalli di tempo.
Quindi, è stato introdotto l'accesso multiplo a divisione di codice (CDMA e WCDMA), che offre ulteriori opportunità per l'uso parallelo delle frequenze. In questo caso il segnale viene modulato con una speciale sequenza di codifica, per ogni abbonato la sua. L'antenna della stazione base trasmette un segnale simile a un rumore, ma ogni destinatario finale, conoscendo il proprio codice, è in grado di estrarne la parte di cui ha bisogno.
È stato quindi implementato l'accesso multiplo alla portante ortogonale (OFDMA), in cui ciascuna frequenza portante, a sua volta, è suddivisa in più sottoportanti, modulate indipendentemente l'una dall'altra. Oggi questo approccio si sta avvicinando al suo limite teorico. "Per ogni tecnologia esiste un'efficienza spettrale limitante, ovvero il numero di bit al secondo che 1 Hz di onde radio può trasmettere", spiega Vitaly Shub. - La quinta generazione si sta avvicinando a 30-50 bit / sHz, utilizzando quasi completamente le capacità dell'apparato di codifica matematica. Ciò fornisce una larghezza di banda enorme: aggiungi una larghezza di banda del vettore ultra larga e ottieni numeri da 100 Mbps a 1 Gbps e in alcuni casi anche 20 Gbps ".
Si prevede che la comunicazione 6G raggiungerà già da 100 Gbps a 1 Tbps e la velocità di risposta della rete - meno di un millisecondo. I requisiti esatti per lo standard non sono ancora stati formulati, ma si presume che questi siano i numeri che saranno necessari per il funzionamento di veicoli senza pilota, sistemi complessi di intelligenza artificiale e realtà virtuale, industria robotica e logistica. Il raggiungimento degli indicatori desiderati richiederà l'uso di nuove frequenze, nuova matematica e persino fisica.
Nuove velocità
La velocità dei dati è determinata dalla larghezza di banda e dall'efficienza spettrale e il lavoro per il 6G viene svolto in entrambe le direzioni. Quindi, per aumentare la larghezza della portante, è necessario utilizzare una nuova gamma che non è ancora disponibile per la comunicazione, passando a onde radio a onde ancora più corte - con una frequenza fino a 100 GHz e anche superiore, nella regione terahertz, submillimetrica (300 GHz - 3 THz), che rimane praticamente vuota e ti consentirà di utilizzare un ampio raggio di lavoro.
Fino a poco tempo, i trasmettitori e i ricevitori terahertz rimanevano complessi e ingombranti come i primi computer. Tali installazioni hanno trovato un uso diffuso solo negli ultimi anni, ad esempio durante l'esame dei bagagli alla ricerca di esplosivi, nella medicina e nella scienza dei materiali. Per la sesta generazione di comunicazioni, i dispositivi terahertz dovrebbero diventare ancora più miniaturizzati ed efficienti dal punto di vista energetico. E oltre a questo ampio canale, dovrebbero apparire nuove tecnologie di codifica del segnale per aumentare la sua efficienza spettrale. Una delle aree chiave di questo lavoro è diventata "vortici ottici", che sono attivamente perseguiti dagli sviluppatori di Skolkovo. "Un'onda luminosa può essere immaginata come un cavatappi o una spirale", spiega Vitaly Shub. - Il passo di questa spirale può essere irregolare, inoltre, può essere controllato. Avendo imparato a modulare tali irregolarità delle onde,otteniamo un modo aggiuntivo per codificare il segnale. " Tali tecnologie stanno avanzando a passi da gigante e nel 2018 gli scienziati australiani hanno ridimensionato il sistema per modulare il momento orbitale angolare (OAM) alle dimensioni di un microchip, abbastanza adatto per l'uso in un gadget tascabile. Secondo alcune stime, l'uso della codifica OAM aumenterà l'efficienza spettrale di almeno cinque volte. "I limiti teorici non sono ancora stati stabiliti qui, poiché non è ancora chiaro quanto saremo in grado di variare e controllare il" passaggio del raggio ", aggiunge Vitaly Shub. "È possibile che la crescita sarà dieci o cento volte".e nel 2018, scienziati australiani hanno ridotto un sistema per modulare il momento angolare orbitale (OAM) alle dimensioni di un microchip, abbastanza adatto per l'uso in un gadget tascabile. Secondo alcune stime, l'uso della codifica OAM aumenterà l'efficienza spettrale di almeno cinque volte. "I limiti teorici non sono stati ancora stabiliti qui, poiché non è ancora chiaro quanto saremo in grado di variare e controllare il" passaggio del raggio ", aggiunge Vitaly Shub. "È possibile che la crescita sarà dieci o cento volte".e nel 2018, scienziati australiani hanno ridotto un sistema per modulare il momento angolare orbitale (OAM) alle dimensioni di un microchip, abbastanza adatto per l'uso in un gadget tascabile. Secondo alcune stime, l'uso della codifica OAM aumenterà l'efficienza spettrale di almeno cinque volte. "I limiti teorici non sono stati ancora stabiliti qui, poiché non è ancora chiaro quanto saremo in grado di variare e controllare il" passaggio del raggio ", aggiunge Vitaly Shub. "È possibile che la crescita sarà dieci o cento volte"."È possibile che la crescita sarà dieci o cento volte"."È possibile che la crescita sarà dieci o cento volte".
Registra le reazioni
La necessità di portare il tempo di risposta delle reti 6G a livelli inferiori al millisecondo pone problemi completamente diversi. Secondo Vitaly Shub, ciò richiederà cambiamenti globali nella topologia di rete. Il fatto è che negli ultimi anni si sono sviluppati con un focus sulla memorizzazione dei dati "cloud". I nostri file, musica, foto possono essere fisicamente localizzati ovunque, su un server negli Stati Uniti, in Australia o in Danimarca. Finché il "collo di bottiglia" nell'accesso ad essi è la velocità wireless, questo non ha molta importanza. Tuttavia, la comunicazione 5G è già abbastanza veloce, e anche il canale cablato più potente tra l'operatore cellulare e il server non è sufficiente: lo storage deve essere spostato più vicino all'abbonato. "Tutto sta iniziando a tornare alla normalità", dice Vitaly Shub. "Ciò che si è mosso in una direzione nella terza e quarta generazione torna indietro". Questo approccio incarna il concetto di Mobile Edge Computing (MEC): centri di commutazione di pacchetto, che accumulano i dati più richiesti dagli utenti per velocizzarne l'accesso, si spostano il più vicino possibile al destinatario e il software intelligente regola costantemente il contenuto e la distribuzione dei contenuti a seconda delle esigenze dell'abbonato … Invece di una gerarchia alta e multilivello, la rete diventa quasi "piatta" e la latenza al suo interno si riduce drasticamente.gerarchia a più livelli, la rete diventa quasi "piatta" e il tempo di latenza al suo interno si riduce drasticamente.gerarchia a più livelli, la rete diventa quasi "piatta" e il tempo di latenza al suo interno si riduce drasticamente.
L'implementazione MEC deve affrontare una serie di sfide tecniche nuove e irrisolte. In particolare, è richiesta una miniaturizzazione ancora maggiore dei sistemi di commutazione dei pacchetti di segnali e dei dispositivi di memorizzazione dei dati, un aumento della loro capacità e una diminuzione del consumo di energia. Nel frattempo, 6G sta facendo solo i primi passi grezzi in previsione del tempo in cui la generazione precedente si avvicinerà alla "fase di saturazione". Molto probabilmente, ciò accadrà intorno al 2025-2027, quando le nuove richieste di abbonati e domande diventeranno chiare. Solo allora saranno formulati i requisiti specifici per i seguenti standard di comunicazione.
Generazione politica
I principali attori in questo campo sono già stati identificati: oltre a Nokia e alla cinese Huawei, si tratta di Samsung ed Ericsson Corporation. Si prevede che intorno al 2028-2030 svilupperanno i parametri di base del 6G e il consorzio 3GPP rilascerà un'altra versione che descrive gli standard chiave della prossima generazione. Tuttavia, tutto può andare secondo un altro, inaspettato scenario. "Ci si può aspettare che la sesta generazione diventerà la più politicizzata", afferma Vitaly Shub. "I tentativi dell'Occidente di" frenare "la Cina sono già evidenti nella fase 5G, e possono continuare, distruggendo l'intero complesso sistema di cooperazione internazionale". Infatti, la cinese Huawei possiede quasi un terzo del pool di brevetti 5G, una situazione che rischia di peggiorare con la sesta generazione. Oltre al programma statale già adottato per lo sviluppo del 6G,La RPC può fare affidamento su risorse interne inaccessibili in qualsiasi altra parte del mondo, sul suo enorme mercato e sui colossali volumi di "big data". "L'intera economia moderna è un'economia del bestiame", aggiunge Vitaly Shub.
Tuttavia, nel quadro di tale economia, la Russia conserva ancora la sua piccola nicchia unica. I nostri sviluppatori sono attivamente coinvolti nella creazione delle basi fisiche e tecnologiche da cui emergeranno sia i brevetti che gli standard 3GPP. "Questi sono nuovi materiali, nuova matematica, nuovi principi - un lavoro da incubo in termini di volume", riassume Vitaly Shub. "Possiamo solo sperare che saremo in grado di soddisfare il consueto ciclo di implementazione di 10 anni".
Roman Fishman
