شبکه نسل ششم ارتباطات 6G

در این مقاله به دنبال ارائه تصویری از شبکه نسل ششم ارتباطات یا همان 6G هستیم. این شبکه شامل فرکانس‌ها و سرویس‌هایی است. همچنین صفحات هوشمند انعکاسی به عنوان یک زیرساخت مورد نیاز توضیح داده می‌شود. علاوه بر این کاربردهای مهم این شبکه را در این مقاله خواهیم گفت.

تکامل شبکه‌های بی‌سیم

در سه دهه اخیر شاهد تکامل تدریجی و پیوسته شبکه‌های بی‌سیم از نسل دوم تا پنجم بوده‌ایم. حال که کاربران نسل پنجم در کشورهای مختلف افزایش یافته‌اند زمان بررسی نسل ششم در راستای تکمیل نسل پنجم مخابراتی است. در نسل ششم ارتباطات (6G) شبکه‌های زمینی و غیرزمینی ادغام می‌شوند و هوشمندی همه چیز در دنیای اطراف را خواهیم داشت. همچنین توسعه گسترده‌ای از دستگاه‌های رباتیک و هوشمند که قادر به تصمیم‌گیری با حداقل دخالت انسان هستند و امکان بهره‌برداری از انبوهی از خدمات خودسازمانده در 6G وجود دارد.

شبکه نسل ششم ارتباطات (6G) چیست؟

6G شامل تکنولوژی‌هایی مانند ارتباطات بی‌سیم نوری (از جمله Li-Fi)، استفاده از خاصیت انتشار مارپیچی اموج (OAM)، ادغام شبکه سلولی و سنجشی با یکدیگر و شبکه بدون سلول است. اتحادیه بین المللی مخابرات، سرویس­‌های ارتباطی نسل پنجم را به سه گروه دسته‌­بندی می‌کند. در نسل ششم این سرویس‌ها توسعه و بهبود می‌یابند و علاوه بر آن دو نوع سرویس دیگر به آنها اضافه می‌شود. این سرویس‌ها عبارتند ازهوش مصنوعی و سنجش.

سرویس‌های مخابراتی نسل پنجم شامل ارتباطات باند پهن توسعه یافته تلفن­‌های همراه ‌(eMBB)، ارتباطات انبوه از نوع ماشین (mMTC) و ارتباطات با قابلیت اطمینان بسیار بالا و تاخیر کم (uRLLC) است. این سرویس‌ها در نسل ششم توسعه می‌یابند.

• سرویس eMBB، برای برآورده کردن درخواست‌های معمولی کاربران طراحی شده است. به این معنی که پهنای باند بیشتر برای دسترسی به اینترنت لحاظ شده است که کاربران سرعت انتقال داده بیشتر و کیفیت سرویس بهتری را تجربه می‌کنند.
• سرویس mMTC امکان اتصال دستگاه‌های متصل به شبکه در هر کیلومتر مربع را بیان می‌کند.
• و ویژگی uRLLC به کاهش تاخیر، قابلیت اطمینان بسیار بالا، در دسترس بودن و سرعت بالا در ارتباطات اشاره می‌کند.

لذا مأموریت‌ها و ارتباطات خاص و بحرانی، از مسیر این نسل از فناوری قابل دستیابی است. تمامی این سرویس‌ها در نسل ششم ارتباطات بهبود و توسعه می‌یابند.

مقایسه نسل پنجم (5G) و نسل ششم ارتباطات (6G)

برای درک بهتر نسل ششم ارتباطات و مزایای آن مقایسه آن با نسل پنجم خالی از لطف نیست. شکل زیر این دو نسل فناوری ارتباطی را در هشت شاخص با هم مقایسه می‌کند.

حداقل تاخیر برای نسل پنجم 1 میلی‌ثانه است و این در نسل ششم به میلی‌ثانیه 0.1  می‌رسد. تعداد دستگاه‌های متصل به شبکه در یک کیلومتر مربع در نسل پنجم 10⁶ است که این شاخص در 6G ده برابر بیشتر می‌شود. دقت مکانیابی 5G در حد یک متر و در 6G به یک سانتی‌متر می‌رسد. همچنین اوج نرخ داده در نسل پنجم Tbps 0.02 و در 6G به Tbps 1 می‌رسد.

باندهای فرکانسی نسل ششم ارتباطات

باندهایی که مختص نسل ششم است را می‌توان اینگونه دسته بندی کرد:

• فرکانس‌های پایین (کمتر از GHz 1)
• فرکانس‌های میانی (بین 1و 6 گیگاهرتز) که برای پوشش گستره می‌باشند.
• و باندهای موج میلیمتری و تراهرتز.

باندهای موج میلیمتری، پهنای باند و ظرفیت بالایی دارند و طول موج آنها در حد میلیمتر است. پوشش آن‌ها کم و در حد صد تا دویست متر است. اهمیت این باند در 6G به این دلیل است که برای سنجش، رزولوشنی در حد سانتی متر ارایه می‌دهند که از اهمیت بالایی برخوردار است. از جمله چالش‌های این باند، پهنای باند وسیع و توان انتقال بالا است که منجر به اعوجاج‌های شدید غیرخطی می‌شود و الزامات فنی بالاتری را به دستگاه‌ها پیشنهاد می‌دهد. از دیگر چالش‌های آن حساسیت وضعیت کانال نسبت به تحرک به دلیل لزوم دید مستقیم در کانال ارتباطی است.

با وجود فراوانی فعلی باند موج میلیمتری ولی با توجه به تمایل به افزایش پهنای باند و ملزومات آن، این باند برای یک دهه دیگر کافی نیست. لذا باند تراهرتز نیز به نسل ششم اختصاص داده می‌شود. از خصوصیات این باند، داشتن پهنای باند و همچنین ظرفیت بالا، افت مسیر زیاد و داشتن طول موجی در حدود نانومتر است. کانال‌های آنها متکی بر دید مستقیم است. چالش‌های این باند فرکانسی شامل پیاده‌سازی مدارهای سخت افزاری ضروری از جمله آنتن‌ها، تقویت کننده‌ها و مدولاتورها و همچنین طراحی و ساخت تجهیزات اندازه‌گیری می‌باشد.

صفحات هوشمند انعکاسی در نسل ششم

با توجه به استفاده از موج میلیمتری و باند تراهرتز در 6G و متکی بودن کانال‌های آن‌ها بر دید مستقیم و پوشش کم، یکی از زیرساخت‌های مهم برای رفع این موارد صفحات هوشمند انعکاسی (IRS) می‌باشد.

این سطوح هوشمند از طریق کنترل بازتابش سیگنال به نوعی محیط انتشاری را کنترل می‌کنند. این سطوح از نوع فراسطح  هستند و قادر به تغییر ضریب شکست نور و بازتاب غیرعادی امواج هستند. به عبارتی IRS‌ها قادرند امواج رادیویی را جهت سفارشی کردن محیط، قبل از مشاهده شدن توسط گیرنده‌ها شکل دهی کنند. IRS‌ها صفحات دو بعدی هستند که شامل تعداد زیادی المان‌های بازتاب کننده کم هزینه غیرفعال هستند. هر المان به طور مستقل می‌تواند سیگنال برخوردی را با دامنه و تغییر فاز قابل تنظیم بازتاب دهد. با کنترل ضریب انعکاس هر المان، جهت سیگنال منعکس شده در هر جهت دلخواه قابل تنظیم است.

به منظور کنترل و برنامه‌ریزی المان‌ها، هر IRS مجهز به یک کنترل کننده است که به ایستگاه پایه جهت دریافت دستورات کنترلی متصل است. از جمله کاربردهای IRS توسعه پوشش و کیفیت سیگنال است. اگر به دلیل وجود موانعی سیگنال به کاربر نرسد با تاباندن سیگنال به این صفحات و بازتاب آن به سمت کاربر می‌توان پوشش و کیفیت سیگنال را بهبود بخشید. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد. به کارگیری IRS در مرز سلول از دیگر کاربردهای آن است که باعث افزایش قدرت سیگنال کاربران در مرز سلول می‌گردد. همچنین تداخل سلول‌های مجاور از طریق طراحی مناسب شکل‌دهی پرتوی بازتابی کاهش می‌یابد.

کاربردهای دیگر IRS

کاربرد دیگر IRS پشتیبانی از ارتباطات وسیله به وسیله(D2D) با هدف کاهش تداخل و تقویت سیگنال بین فرستنده و گیرنده D2D می‌باشد. همچنین پیاده‌سازی روش دسترسی نامتعامد با استفاده از IRS تسهیل می‌گردد.

با توجه به گسترش اینترنت اشیا و تجهیزاتی که قادر به برداشت انرژی از سیگنال‌های رادیویی هستند دو بحث ارسال همزمان انرژی و داده و همچنین ارسال انرژی برای افزایش طول عمر سیستم‌های ارتباطی با محدودیت انرژی مطرح شده است. این دو فناوری تحت تاثیر مواردی هستند که سبب تضعیف توان دریافتی می‌گردد مانند افت مسیر ناشی از فاصله، سایه‌اندازی، محوشدگی و طبیعت تصادفی کانال. با بکارگیری IRS با توجه به شرایط کانال، دامنه و فاز طبق شرایط کانال تنظیم می‌گردند و سیگنال قوی تری به این تجهیزات می‌رسد. از کاربردهای دیگر این صفحات استفاده در ارتباطات پهبادها و همچنین بهبود موقعیت یابی کاربران می‌باشد.

زمان ورود به نسل ششم ارتباطات

اما سؤالی که اینجا مطرح می‌شود این است که بلأخره 6G چه زمانی وارد زندگی ما انسان‌ها خواهد شد؟ تا زمان نگارش این مقاله عمده صاحب‌نظران اذعان دارند که صحبت از نسل ششم ارتباطات قدری زود است. اما شواهد نشان می‌دهد که تحقیقات در این زمینه شروع شده است و مطالب گفته شده در این مقاله هم چکیده‌ای از این تحقیقات است.
اما از شواهد و روندهای موجود می‌توان اینگونه برداشت کرد که ورود به نسل ششم ارتباط تا قبل از دهه 2030 امکان‌پذیر نیست.