زیرساخت ارتباطات

بخش دوم

1. افزایش ظرفیت شبکه با باندهای زیر ترا هرتز

باتوجه‌به تقاضای مداوم برای پهنای باند داده بیشتر، پژوهشگرانی چون محققان دانشگاه نورث‌ایسترن[1] در حال مطالعه‌ای فراتر از باندهای mmWave معرفی‌شده در 5G هستند و به بررسی طیفی در باندهای فرکانسی زیرتراهرتز می‌پردازند که کاربرد کمتری دارند. باندهای فرکانس بین 90 گیگاهرتز و 300 گیگاهرتز، چند برابر پهنای باندی است که در حال حاضر برای ارتباطات سلولی استفاده می‌شود.

اتلاف مسیر[2] در فرکانس‌های بالاتر، مانع مهمی برای حرکت به باندهای زیرتراهرتز است. ممکن است این مسئله با تطبیق خواص تضعیف[3] باند فرکانس با کاربردهای مناسب، کاهش یابد. برای مثال، استفاده از باندهای تضعیف بالا[4] برای برنامه‌های کاربردی با امنیت بالا، میزان مسافتی طی‌شده ازسوی سیگنال را محدود می‌کند. افزون بر این، رابطه معکوس بین فرکانس و اندازه آنتن، یکی از روش‌های غلبه بر آسیب است. حتی با توجه به تأخیر در استقرار امواج میلیمتری 5G تا به امروز، باز هم احتمال گسترش باندهای زیرتراهرتز به زودی وجود دارد و محققان دانشگاهی و صنعتی در حال بررسی افزایش ظرفیت شبکه هستند [7].

2. فناوری چند ورودی و چند خروجی

فناوری چند ورودی و چند خروجی[5] (MIMO) یک فناوری بی سیم است که از چندین فرستنده و گیرنده برای انتقال همزمان داده‌های بیشتر استفاده می‌کند. این فناوری با تکیه بر فنون چند آنتنی محبوب، مزایای بالقوه‌ای را در بسیاری از موارد استفاده و باندهای فرکانس نوید می‌دهد. در حالی که شکل‌دهی پرتو برای غلبه بر چالش‌های تلفات زیرتراهرتز کلیدی است، MIMO چند کاربره کارایی طیفی را برای باندهای زیر ۶ گیگاهرتز که به شدت مورد استفاده قرار می‌گیرند، بهبود می‌بخشد. در باندهایی که اندازه آنتن بیش از حد بزرگ می‌شود، MIMO توزیع‌شده بسیار جالب است. این فناوری، آرایه‌های آنتن بزرگ را به چند سر رادیویی ازنظر جغرافیایی جدا از هم تقسیم می‌کند که به طور قابل توجهی کوچکتر هستند. هدف گسترش MIMO افزایش ظرفیت سلولی و ارائه خدمات مکان‌یابی بهبود یافته است [7].

3. هوش مصنوعی و یادگیری ماشین

هوش مصنوعی و یادگیری ماشین، چهارمین فناوری است که نقش مهمی در 6G ایفا می‌کند. با افزایش پیچیدگی، فشرده‌سازی هر بیت از پهنای باند از طیف موجود به یک کانون تمرکز تبدیل می‌شود. در رویکردهای سنتی پردازش سیگنال، بهینه‌سازی سیستم ارتباطی به طور فزاینده‌ای دشوار است. یکی از راه‌های مقابله با این پیچیدگی استفاده از یادگیری ماشین است. طراحی یا انطباق مبتنی بر هوش مصنوعی/ یادگیری ماشین برای بهینه‌سازی عملکرد پیوند به‌صورت پویا می‌تواند در زمینه‌هایی مانند مدیریت پرتو[6]، تخصیص خودکار طیف[7]، و لغو غیر ایده‌آل امواج رادیویی[8] پیشرفت‌هایی ایجاد کند. استفاده از هوش مصنوعی/ یادگیری ماشین در لایه برنامه، امکان بهینه‌سازی کیفیت خدمات[9] (QoS) را برای عواملی مانند تأخیر یا بهره‌وری انرژی، که الزامات خاص برنامه را همراه با محیط در نظر می‌گیرد، فراهم می‌کند [11].

یادگیری ماشین در شبکه‌ها چند چالش جدید را ایجاد می‌کند؛ همچون: نیاز به مجموعه‌داده‌های بزرگ و در دسترس همگان  برای تحقیقات ارتباطات بی‌سیم و آموزش الگوریتم‌های هوش مصنوعی/ یادگیری ماشین. علاوه بر این، روش‌های آزمایش جدید باید برای اعتبارسنجی عملکرد و امنیت الگوریتم‌های یادگیری ماشین با تعداد بی‌نهایت موارد استفاده‌ای که در دنیای واقعی تجربه خواهند شد، توسعه یابد [7].

4. یکپارچگی سیستم‌های قابل‌اعتماد

شبکه‌های 6G از تریلیون‌ها دستگاه قابل جاسازی[10] پشتیبانی می‌کنند و اتصالات قابل‌اعتماد و همیشه در دسترس را با اطمینان کامل برای کاهش فضای تهدید  ارائه می‌کنند. یکی از ویژگی‌های اساسی شبکه، ارائه خدمات ایمن از طریق مدیریت و انطباق با الزامات امنیت، ایمنی، انعطاف‌پذیری و حفظ حریم خصوصی خواهد بود. خودکارسازی که از فناوری‌های هوش مصنوعی استفاده می‌کند، در کل چرخه عمر محصول شامل توسعه، استقرار و عملیات استفاده می‌شود. فناوری‌های هوش مصنوعی برای تحلیل خودکار علت ریشه‌ای، تشخیص تهدید و پاسخ در برابر حملات، و همچنین اختلالات غیرعمدی نیز استفاده خواهند شد. این فناوری‌ها دردسترس‌بودن خدمات را نیز افزایش می‌دهند [9].

5.  گسترش شبکه‌های شناختی

با ادامه مسیر خودکارسازی شبکه 5G، بهینه سازی عملکرد شبکه آینده  با استفاده از مشاهده و عمل مستقلانجام می‌شود.. شبکه‌های شناختی 6G، خودکارسازی کامل وظایف مدیریت و پیکربندی شبکه را ممکن می‌سازد و به نیروهای عملیات و تعمیر و نگهداری در نظارت بر شبکه یاری می‌رساند.

مجموعه‌ای از ابزارهای مدیریت درخواست‌های توزیع‌شده[11] در شبکه تعبیه می‌شود. ابزارهای مدیریت درخواست‌، با مقاصدی کنترل می‌شود که انتظاراتی چون الزامات، اهداف و محدودیت‌ها را مشخص می‌کند.  مدیریت درخواست‌ها شامل عملکردهای شناختی است که محیط زیر کنترل را مشاهده می‌کند و از داده‌های به‌دست‌آمده نتیجه می‌گیرد. این امر مستلزم فرآیند استدلالی باهدف اقدام برای برآوردن انتظارات از مقاصد است؛ زیرا انسان‌ها قصد دارند شبکه را کنترل کنند [9].

عملکردهای شناختی از ویژگی‌های هوش مصنوعی برای نتیجه‌گیری از داده‌های خام استفاده می‌کنند. نمونه‌هایی از این ویژگی‌ها شامل مدل‌های یادگیری ماشین است که می‌توانند بینش و قابلیت‌های استدلال ماشینی را برای اجرا بر روی مقاصد ایجاد کنند. فناوری‌های بیشتر استدلال ماشین و یادگیری تقویتی چندعاملی، نامزد فعال‌سازی عملکرد حلقه بسته مشترک هستند [9].

هوش مصنوعی قابل‌اعتماد[12] شفافیت شبکه را تضمین می‌کند، به‌طوری‌که انسان‌ها می‌توانند علت انجام اقدامات خاص و یا فقدان امکان ایجاد شرایط خاص را درک کنند. یکی از فناوری‌های پیاده‌سازی هوش مصنوعی قابل‌اعتماد، هوش مصنوعی توضیح‌پذیر[13] است؛ رویکردی که هدف آن ارائه توضیحی آسان و قابل‌فهم از نتایج یک هوش مصنوعی همراه با منطق پشت آن است. اجرای عملکردهای شناختی توسط معماری مبتنی بر داده فعال می‌شود که شامل دریافت داده کارآمد و ایمن است. بخش مهمی از مدیریت درخواست‌ها، پایگاه دانش خواهد بود که دانش عملکردهای شناختی در آن قرار دارد [9].

6. همگرایی دنیای فیزیکی و انسانی با حوزه دیجیتال

کاربردهای مکرر برای 6G عبارت‌اند از: دوقلوهای دیجیتال؛ واقعیت مجازی و واقعیت افزوده[14]؛ حضور از راه دور[15]، عملکرد از راه دور[16]؛ و رانندگی خودکار. برای فعال‌کردن این کاربردها، افزایش قابل‌توجه 10 برابر یا بیشتر در شاخص‌های کلیدی عملکرد سنتی، مانندبیشینه نرخ ارسال داده [17]، قابلیت اطمینان[18]، تأخیر، تراکم اتصال[19] و دقت محلی‌سازی[20] از 5G به 6G موردنیاز است. در نگرش فناورانه، توانمندسازهای زیر برای دستیابی به بهبود موردنیاز در شاخص‌های کلیدی بسیار مهم هستند [10]:

• فناوری‌های رادیویی ترا هرتز برای دست یافتن به سرعت داده بسیار بالا
• شبکه‌های انعطاف‌پذیر برای دسترسی انواع شبکه برای ارائه کیفیت سیگنال مناسب.
• محلی‌سازی  یکپارچه با استفاده از یادگیری تقویتی برای دقت بیشتر
• بهینه سازی معماری شبکه  برای ارائه  بهترین کیفیت خدمات و قابلیت اطمینان.

7. دردسترس‌بودن و گسترش برای دستیابی به اتصال جهانی‌تر

این روند با گنجاندن چند ماهواره در مدارهای مختلف زمین ادامه و معماری شبکه، به سمت 6G تکامل خواهد یافت. همچنین سکو‌های مختلف هوابرد (پهپاد، هواپیما،High Amplitude Platform ) و سکوهای فضایی (انواع مختلف ماهواره‌ها) با شبکه 6G زمینی به هم متصل خواهند شد؛ در یک معماری چندلایه (3D) که نیاز به یک شبکه دسترسی رادیویی[21] (RAN) پویا، انعطاف‌پذیر و معماری شبکه اصلی دارد [10].

در آینده، سه مورد کلیدی الف)دنیای فیزیکی دیجیتالی‌شده و قابل برنامه‌ریزی، ب)اینترنت‌ حس‌ها (IoS) و ج)ماشین‌های هوشمند متصل، ضرورت دسترسی به شبکه فراگیر را افزایش می‌دهند و تقاضا برای تأخیر کم و تضمین قطع نشدن ارتباط، توان عملیاتی بالا و قابلیت اطمینان بالا افزایش می‌یابد. این شبکه با یک محیط اجرایی تعبیه شده و یکپارچه که از این نوع کاربردها میزبانیمی‌کند، تکمیل می‌شود [9].

مدل‌های رومینگ فعلی برای صدا و داده گسترش می‌یابد تا قراردادهای هوشمند برای زیست‌بوم محلّی را در بر بگیرد. طبق آخرین خبرها فعالان دانشگاهی در حال انجام پژوهش‌هایی برای رسیدگی به امنیت، محرمانه بودن، حریم خصوصی و منشأ این نوع مبادلات بی واسطه هستند [9].

8. موقعیت‌یابی پیشرفته  در  6G

در چشم‌انداز آینده، سنجش و محلی‌سازی سنتی با استفاده از GPS یا هماهنگی سلولی در تنظیمات شهری هوشمند با تراکم بالا منسوخ خواهد شد. در شبکه‌های آینده 2030، شاخص کلیدی عملکرد مربوط به‌دقت باید شامل اطلاعات محیطی کاربر برای تسهیل موقعیت‌یابی دقیق باشد. برای مثال، یکی از کاربردهای موقعیت‌یابی با استفاده از شبکه‌های 6G، رانندگی خودکار است که در آن موقعیت‌یابی با وضوح بالا در سطح سانتی‌متر در امتداد خط رانندگی یا جزئیات مسیر برای دستیابی به ایمنی ترافیک ضروری است [8].

به طور کلی، فرکانس‌های بالاتر به شبکه 6G ویژگی‌هایی همچون موقعیت‌یابی دقیق، در عرض یک سانتی متر یا حتی کمتر را می‌بخشد. سیگنال GPS یا سایر روش‌های تعیین مکان در آن صورت زائد خواهند بود یا در صورت نیاز به قابلیت اطمینان بالا، این افزونگی را ایجاد می‌کند. این عملکرد، شبکه سیّار را به یک حسگر موقعیت در همه‌جا تبدیل می‌کند [12].

9. پژوهش درباره فناوری‌های آینده سیستم گوشی همراه

فناوری‌های متعددی برای نسل ششم آینده سیستم گوشی همراه نیاز به تحقیق دارد. مضمون‌های[22] رادیویی برای گسترش جهانی ظرفیت شبکه با نزدیک شدن به محدودیت‌های شانون[23] و مور[24] مورد نیاز خواهند بود. علاوه بر این، فنون صداگذاری، اختلاط ارتباطات و نقشه‌برداری محیط، برای بسیاری از سناریوهای اجتماعی ضروری خواهند بود. لایه‌های بالاتر به تحقیقات خاصی نیاز دارند؛ مانند معماری‌های سوئیچینگ جدید و پروتکل‌های مسیریابی جدید، کانتینرهای کارآمد و هماهنگ‌سازی کانتینر با مجازی‌سازی نرم‌افزار قابل اعتماد، با نمونه‌سازی سریع و تحرک، و همچنین، چالش‌های گسترده در حوزه امنیتی (کمی‌سازی، واقعیت)، بررسی خدمات مبتنی بر هوش مصنوعی، مهندسی نرم افزار ایمن و رویه‌های عملیاتی و…. توسعه معماری سیستمی که همه انواع منابع را در بر می‌گیرد، صرف نظر از ماهیت آنها (محاسبات، شبکه)، تحقق (مجازی/فیزیکی) و موقعیت (از راه دور/محلی)، افزودن و حذف پویای منابع به هنگام آمدن و رفتن نیز خواهد بود. آنچه مورد نیاز خواهد بود، ادغام تعداد زیادی از دستگاه‌های تعبیه‌شده در همه جا، خطوطی با ظرفیت بالا، و مجموعه متنوعی از انواع دسترسی، از طریق یک پیوستار محاسباتی، در یک شبکه است که انتظارات بالای آینده را برآورده می‌کند و مهمتر از همه، کیفیت زندگی را بهبود می‌بخشد [11].

10. 6G برای اهداف توسعه پایدار

در حال حاضر، دیجیتالی‌شدن به‌واسطه شبکه‌های 5G به بسیاری از مسائل اجتماعی مانند آموزش، حفاظت از محیط‌زیست و گرسنگی رسیدگی می‌کند. بااین‌وجود، مشکلات متعددی وجود دارد که مستلزم شهرنشینی و اتصال گسترده است. ازآنجایی‌که شبکه‌های 6G اتصال ابر داده مبتنی بر تجربه کاربر را به ارمغان می‌آورند، چند مشکل جهانی به‌ویژه باتوجه‌به اهداف توسعه پایدار[25] (SDGs) سازمان ملل باید کاهش یابد. شبکه 6G از طریق قابلیت ارتباطی چندوجهی خود (ارتباط بلند و کوتاه، اتصال سه‌بعدی)، ظرفیت ارتقای پایداری جهانی را دارد که عمدتاً به دلیل اتصال یکپارچه و پشتیبانی از خدمات فراوان است [13].

---

[1] Northeastern University

[2] Path loss

[3] Attenuation

تضعیف در علم فیزیک یا در بعضی متون دیگر به معنی کاهش تدریجی شدت شارش در طول محیط واسط است.

[4] High-attenuation bands

[5] Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)

[6] Beam management

[7] Automatic spectrum allocation

[8] RF(radio Frequency) non-ideality cancellation

[9] Quality of service

[10] Embeddable devices

[11] A set of distributed intent managers

[12] Reliable AI

[13] Explainable AI

[14] Augmented reality

[15] Tele-presence

[16] Tele-operation

[17] Peak data rate

[18] Reliability

[19] Connection density

[20] Localization accuracy

[21] Radio Acceess Network

[22] Themes

[23] Shanons Limitations

[24] Mour

[25] Sustainable development goals