6G. Visió General

Introducció

El 6G (Sisena generació de telefonia mòbil) és el successor de la tecnologia cel·lular 5G. A alt nivell, les xarxes 6G podran utilitzar freqüències més altes que les xarxes 5G i proporcionaran una capacitat substancialment més alta i una latència molt menor.

Un dels objectius del 6G serà donar suport a comunicacions amb latència d’un microsegon.

És important tenir en compte que el 6G encara no és una tecnologia en funcionament degut a que està en fase de desenvolupament i per tant, les especificacions de la indústria pels productes de xarxa habilitats, romanen anys de distància. Tot i que es troba en fase d’investigació, les empreses ja han començat a imaginar casos d’ús.

Cal destacar que la declaració de visió de les xarxes 6G, tal i com la van definir els investigadors, s’ha assenyalat que seran un avenç en la transformació de la xarxa cel·lular 5G en una xarxa ultra intel·ligent.

Es preveu l’aparició d’aquest tipus de xarxes pel 2030 i s’ha enumerat diverses tecnologies, aplicacions i casos d’ús interessants que se’n beneficiaran.

Les tecnologies com la intel·ligència artificial, les superfícies de comunicacions intel·ligent, la ràdio hologràfica, la cadena de blocs (blockchain), la connectivitat tridimensional, l’arquitectura sense cel·les, la computació quàntica i la transferència d’energia sense fils, revolucionaran les xarxes futures. En general, la majoria dels components tecnològics es troben en una etapa inicial. Per tant, hi haurà diversos reptes, com ara entrenar els models d’IA, problemes de seguretat, manca d’arquitectura, modelització de senyals i instal·lacions computacionals. S’espera que el mercat de la tecnologia 6G faciliti grans millores en les àrees de la imatge, la tecnologia de presència i la detecció de la ubicació. Addicionalment, es requerirà el desenvolupament de tecnologies avançades de comunicacions mòbils, com ara xarxes de dades cognitives i altament segures.

El 6G tindrà grans implicacions per molts enfocaments del govern i de la indústria sobre la seguretat pública i la protecció dels actius crítics, com ara:

Detecció d’amenaces
Vigilància de la salut
Videovigilància i reconeixement facial
Presa de decisions en àrees com l’aplicació de la llei i els sistemes de crèdit social
Mesures de la qualitat de l’aire
Detecció de gasos i toxicitat
Interfícies sensorials que se senten com la vida real

Les millores en aquestes àrees, també beneficiaran els telèfons intel·ligents i altres tecnologies de xarxes mòbils, així com les tecnologies emergents com per exemple: les ciutats intel·ligents, els vehicles autònoms, la realitat virtual i la realitat augmentada.

Característiques principals de la tecnologia 6G

En aquesta secció, s’enumeraran les principals característiques de diverses tecnologies que permeten la comunicació 6G.

El 6G integra tres aspectes: el món físic, biològic i digital. Aquesta definició s’elaborarà juntament amb la típica comunicació de radiofreqüència que inclourà robots, bessons digitals, intel·ligència artificial, dispositius impulsats per emocions, superfícies de comunicació intel·ligents, comunicació mitjançant xips implantats cerebrals o interfície cervell-màquina per permetre una experiència de comunicació ciberfísica-biològica integral. En conseqüència, el 6G serà molt més que les xarxes connectades intel·ligents actuals, on els components de la xarxa integraran en gran mesura la intel·ligència per introduir un canvi de paradigma de la xarxa “Smart” a la xarxa ultra intel·ligent, tal com es mostra en la següent imatge.

A continuació es detallen algunes de les tecnologies facilitadores per la 6G:

Intel·ligència Artificial: Es preveu que a les xarxes 6G, hi hagi una gran quantitat de components de xarxa heterogenis que s’interconnectin mitjançant múltiples numerologies (connectivitat 3D) per servir verticals diversificades, processar una gran quantitat de dades i exigir diferents nivells de QoS. Abordar aquestes tasques, requereix habilitats eficients d’anàlisi, optimització i decisió. Per tant, a cada nivell del sistema de comunicació, els nodes del terminal d’usuari cap al processador Edge i la xarxa central, permet que la intel·ligència s’hagi integrat profundament per oferir serveis d’extrem a extrem. En general, es requereix l’assistència d’agents adaptatius i intel·ligents d’IA per autoaprendre a partir de les entrades de la xarxa per ajustar els serveis oferts amb dinamisme i optimització.
Espectre de comunicació de Terahertz: La comunicació 6G abastarà freqüències de microones (300 MHz–300 GHz), infrarojos (300 GHz–400 THz) i llum visible (400–800 THz), que van des de la cobertura de llarga distància a curta distància, mentre coexisteix amb les generacions anteriors. Tot i que de 300 GHz a 3 THz i que s’expandeix fins a 10 THz, es coneix popularment com a espectre de Terahertz (THz), és una nova banda de freqüència per la comunicació cel·lular on les xarxes 6G s’orientaran exclusivament per oferir una velocitat de dades extremadament alta.
Connectivitat 3D: Un dels requisits importants de les xarxes 6G, a diferència de les generacions anteriors, és tenir una connectivitat global, com ara la connectivitat a gran altitud, submarina i terrestre per adaptar-se adequadament a una àmplia gamma de verticals. Amb aquesta visió, les xarxes 6G tenen com objectiu aconseguir una comunicació estesa i contínua entre humans i coses intel·ligents, màquina-màquina com ara vehicles submarins, UAV o naus espacials i robots. Al 2030, la comunicació entre terres, aeronaus i satèl·lits, i vaixells es farà més evident.

Comunicació de llum visible (VLC): A les xarxes de telecomunicacions anteriors, la connectivitat entre la torre cel·lular i els centres de commutació mòbil eren enllaços de microones (RF) o de fibra òptica (no RF). Tanmateix, des de la 4G, els enllaços òptics d’espai lliure han començat a tenir protagonisme per connectar el backhaul a causa de la seva simplicitat, funcionament sense llicència, altes transferències de dades i seguretat. A causa d’aquestes característiques, VLC serà el principal competidor per la xarxa de backhaul a la xarxa 6G, juntament amb enllaços de RF.
A les xarxes 6G denses, serà obligatòria una tecnologia d’amplada de banda molt alta al backhaul per gestionar les dades a causa de la gran quantitat de generació de dades. En aquest sentit, les comunicacions VLC i THz seran els dos candidats principals per la comunicació cel·lular 6G a la capa física. El VLC com a tecnologia complementària a la RF, ocupa l’escala més alta de freqüència THz que oscil·la entre 400 THz i 800 THz.
Seguretat BlockChain: Blockchain és un Ledger distribuït que tindrà un paper fonamental al manteniment de la seguretat i la transparència de les dades quan nombrosos dispositius comparteixin les dades de manera descentralitzada a les xarxes B5G (Beyond 5G).
Sabem que les xarxes 6G tindran una xarxa massiva de dispositius IoT i MTC (Machine Type Communication) que connecten cases, ciutats i fàbriques amb diverses transaccions de dades entre les entitats connectades a la xarxa. A més, diverses enquestes prediuen que hi haurà 50.000 milions de dispositius connectats IoE (Internet Of Everything) durant l’era de la xarxa 6G. En aquest context, s’haurà de tenir confiança entre els dispositius per facilitar la transferència de dades segura. Per generar aquesta confiança i seguretat, la cadena de blocs permet mantenir un registre seqüencial (cadena de blocs) per cada node, on si algun usuari fa la modificació de dades dins d’un bloc, serà visible i serà autenticat per tots els altres per evitar la falsificació.
Comunicació Quàntica (QC): És un dels facilitadors de la xarxa 6G que donarà suport a la xarxa per assolir requisits de velocitat de dades extremadament elevats al backhaul, seguretat de dades i transmissions de llarg abast. En general, els protocols existents de xarxes mòbils es poden millorar significativament utilitzant els principis de les teories quàntiques per assolir graus més alts de llibertat. En el cas de la QC, les dades que es codifiquen amb fotons que no es poden descodificar o copiar (clonar) sense manipular com a partícules quàntiques (fotons) estaran molt entrellaçades i correlacionades. A més, les dades es representaran com a “qubits”, una noció única de descripció de dades multinivell, on el qubit és la unitat fonamental de les dades quàntiques.
Antenes MIMO ultra massives: Per omplir el buit relacionat amb la capa física, s’utilitzarà la combinació de THz i diverses matrius d’antenes (MIMO massiu) a les xarxes 6G per donar suport a les aplicacions amb un gran consum de dades. Un d’aquests casos d’ús serà la formació de feixos (beams) directius, on diverses antenes s’apunten cap a un usuari amb l’ajuda de feixos direccionals per una utilització completa de les dimensions espacials. Per tant, les xarxes 6G han d’orientar panells físicament grans que allotgen més antenes i reduir l’amplada del feix (augment de la resolució espacial) per augmentar el guany de formació de feix.
Superfícies de comunicació intel·ligent: La superfície intel·ligent també es coneix com a superfície intel·ligent reconfigurable (RIS). Una superfície intel·ligent actuarà com a benefici per millorar la comunicació global entre transmissor i receptor d’una manera rendible i energèticament eficient. Una superfície intel·ligent és una superfície reflectant passiva de senyals electromagnètics sense necessitat d’una font d’alimentació dedicada. En general, estan fets de matrius reflectants, cristalls líquids o meta superfícies definides per programari. Aquestes superfícies manipularan i reflectiran el senyal de RF incident de diferents fonts i les dirigiran cap al receptor per ajudar a la comunicació sense fils. • Bessons digitals: Un bessó digital és una representació digital d’un objecte, persona, lloc o esdeveniment del món real projectat virtualment en un món ciber-físic, sense tenir en compte les restriccions de temps o espai. S’espera que amb els bessons digitals, s’experimentarà la realitat virtualment. Els avenços en tecnologia de sensors, IA i comunicació han donat lloc a diverses aplicacions de bessons digitals. Per representar digitalment el bessó d’un objecte a l’extrem del lloc remot, el sistema ha de processar dades d’alta definició de l’objecte original, analitzar-les i descodificar-les per reproduir-les virtualment. En aquest context, els algorismes supervisats o no supervisats d’IA seran molt adequats, ja que poden analitzar amb precisió les dades de l’entorn.

Casos d’ús

Hi ha diverses raons per les quals es pot necessitar la tecnologia 6G:

Ciutats ultra intel·ligents: Ciutats amb Connectivitat 3D, localització dins d’1cm, fiabilitat del 99,9% pel transport automatitzat, salut intel·ligent o indústria intel·ligent.
Realitat Multi-Dimensional: Interaccions Humà-Computadora que tracten els continguts gràfics d’ultra alta definició com els jocs en línia basats en Realitat Augmentada (AR) o Realitat Virtual (VR) que generen una quantitat massiva de dades. Aviat existiran jocs en 3D o vídeos multidimensionals que interactuen amb els cinc òrgans sensorials del cos per crear una il·lusió del món real combinant VR i AR per oferir una veritable experiència de joc virtual. Aquestes aplicacions seran tangibles d’aquí a una dècada, ja que la tecnologia informàtica, la potència de càlcul i l’espai d’emmagatzematge dels dispositius mòbils es multipliquen en la seva capacitat.
Comunicació hàptica: Es pot pensar en un sistema de salut intel·ligent on un pacient ferit només pot expressar les seves emocions visualitzant a la seva ment. En aquesta situació, una diadema intel·ligent pot reconstruir els senyals cerebrals i representar-los com un vídeo 3D de la imaginació del pacient i comunicar-se amb el cuidador en temps real a través de xarxes mòbils. A més, un grup de persones que no tenen un llenguatge comú per comunicar-se poden utilitzar la seva imaginació, i les persones amb discapacitat tenen accés per obrir la porta, o per controlar els aparells podran fer servir la comunicació hàptica. Aquestes maneres de comunicació permetran expressar la informació mitjançant el sentit del tacte. Aquest és un dels casos d’ús esperats de les xarxes 6G, on la xarxa admet una alta velocitat de dades que és molt superior a la que podria suportar 5G. Els altres escenaris de comunicació hàptic inclouen les interaccions informàtiques controlades pel cervell on les persones interactuen amb el seu entorn mitjançant l’hàptic i controlen l’entorn mitjançant aparells digitals com el xip sense fil integrat al cervell que respon a les emocions humanes.
Cirurgia remota i telemedicina: Les cirurgies robòtiques remotes requeriran una precisió i fiabilitat ultra alta de les dades, una alta velocitat de dades per intercanviar dades i senyals de control entre dues instal·lacions sanitàries remotes a través de la xarxa mòbil. L’aparició de xarxes 6G canviarà el joc quan es tingui en compte la telemedicina i l’assistència sanitària remota disminuint les limitacions d’espai i temps. Com que la visió de 6G és proporcionar almenys un 99,99999% de fiabilitat de les dades i una velocitat de dades d'1 Tbps, serà el candidat més adequat per complir els requisits anteriors.
Comunicació hologràfica: Amb la maduresa de les aplicacions AR/VR, aviat es veurà que l’experiència virtual no està servint tots els aspectes de la realitat que es necessiten. Recentment, la telepresència ha guanyat un gran protagonisme sobre les reunions físiques reals. Aquest tipus de tasca requereix tècniques avançades de realitat virtual, ample de banda i càlculs per projectar un objecte o una persona en temps real de forma remota. Com a tendència futura, cada telèfon mòbil estarà equipat amb més de cinc càmeres d’ultra alta definició per capturar un esdeveniment i representar vídeos multidimensionals que oferiran una experiència immersiva de l’esdeveniment capturat a tots els sentits humans. En altres paraules, un vídeo pot ser una projecció multidimensional en temps real amb l’efecte audiovisual de la persona o objecte que s’emet en una reunió virtual.
Internet tàctil: a les xarxes 6G, la connectivitat entre diversos dispositius serà altament interactiva en temps real (responsiu), inclosa la transferència de dades, el control i la retroalimentació en temps real amb un sentit del tacte. En aquest punt, es podrà transmetre el tacte, els sentiments, juntament amb la informació per donar una experiència en viu de les coses virtualment relacionades amb la informació que es comunica.
Convergència tecnològica: La sisena generació de xarxes cel·lulars integrarà tecnologies abans diferents, com ara l’aprenentatge profund i l’anàlisi de grans dades. La introducció del 5G va obrir el camí a bona part d’aquesta convergència.
Computació perifèrica: La necessitat de desplegar la computació perifèrica per garantir un rendiment global i una baixa latència per solucions de comunicacions ultrafiables i de baixa latència, és un motor important del 6G.
Internet de les coses (IoT): Un altre motor és la necessitat de donar suport a la comunicació màquina a màquina amb l’ IoT.
Computació d’alt rendiment (HPC): S’ha identificat una forta relació entre 6G i HPC. Tot i que els recursos informàtics de punta gestionaran algunes de les dades de l’IoT i la tecnologia mòbil, gran part requerirà recursos HPC més centralitzats per fer el processament.

Reptes de la tecnologia

Els rols de confiança, seguretat i privadesa estan una mica interconnectats en les diferents facetes de les xarxes de nova generació. Els reptes per crear un 6G fiable, són la tecnologia multidisciplinària, la regulació, la tecno-economia, la política i l’ètica.

Es poden abordar els reptes fonamentals de recerca en tres àrees clau:

Confiança: Sota la regulació actual “d’Internet oberta", el núvol de telecomunicacions només es pot utilitzar per serveis de confiança per igual per tots els usuaris. La xarxa 6G ha de suportar la confiança integrada per augmentar el nivell de seguretat de la informació en 6G. Cal definir models de confiança, polítiques de confiança i mecanismes de confiança. El 6G enllaça els mons físic i digital fent que la seguretat depengui de la seguretat de la informació. Per tant, es necessita un 6G fiable.
Seguretat: A l’era 6G, s’aprofundirà la dependència de l’economia i les societats de les TI i les xarxes. El paper de les TI i de les xarxes en la seguretat nacional segueix augmentant, una continuació del que es veu a 5G. S’espera que el desenvolupament cap a les infraestructures natives de núvol i de punta continuï a les xarxes 6G. L’automatització de la seguretat obre noves preguntes: l’aprenentatge automàtic es pot utilitzar per fer sistemes més segurs, però també atacs més perillosos. Les tècniques de seguretat de la capa física també poden representar solucions eficients per assegurar segments de xarxa menys investigats com a primera línia de defensa.
Privadesa: Actualment no hi ha manera de determinar sense ambigüitats quan els conjunts de dades enllaçats i no identificats superen el llindar per ser identificables personalment. Els tribunals de diferents parts del món estan prenent decisions sobre si s’està infringint la privadesa, mentre que les empreses busquen noves maneres d’explotar les dades privades per crear nous ingressos comercials. Com a alternatives de solució, es pot considerar el blockchain, tecnologies de registre distribuït i enfocaments diferencials de privadesa.

Referències

https://www.researchgate.net/figure/Proposed-Network-level-6G-architecture-communication-devices-have-made-us-bold-to_fig3_348799624
https://www.techtarget.com/searchnetworking/definition/6G
https://www.techtarget.com/searchnetworking/Enterprise-5G-Guide-to-planning-architecture-and-benefits
https://arxiv.org/abs/2004.11665
http://mmwave.dei.unipd.it/research/6g/
https://www.rantcell.com/how-is-6g-mobile-network-different-from-5g.html#:~:text=Faster%20than%205G%20technology&text=Operating%20at%20terahertz%20frequency%20bands,reliability%20and%20wider%20network%20coverage

Glossari

6G: Sisena generació de telefonia mòbil.
5G: Cinquena generació de telefonia mòbil.
BlockChain: Cadena de blocs.
IA: Intel·ligència Artificial.
HPC: Computació d’alt rendiment.
QoS: Qualitat de Servei.
UAV: Vehicle Aeri no tripulat.
VLC: Visible Light Communication  Comunicació de llum visible.
RF: Radiofreqüència.
Backhaul: El costat de la xarxa que es comunica amb l’internet global.
B5G (Beyond 5G): Mes enllà de les Xarxes 5G.
Ledger Distribuït: Tecnologia de Comptabilitat/financer Distribuïda.
MTC(Machine Type Communication): Comunicació de tipus màquina (Machine to Machine).
IoE (Internet Of Everything): Internet del Tot.
QC: Comunicació Quàntica.
RIS: Superficie Intel·ligent reconfigurable.
Qubits: Unitat de mesura quàntica.
TI: Tecnologies de la informació.

###### **Unitat Arquitectura d'Entorn Digital de Treball**
###### **Direcció Arquitectura i Components Transversals**