5G vs 6G: cos'è e quando sarà qui? / 5G vs. 6G: What is it and when will it be here?

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Si prevede che l'infrastruttura 6G sarà costruita sul 5G con alcune aggiunte critiche che divergono dalle tradizionali tecnologie cellulari contemporanee. / The 6G infrastructure is expected to be built upon 5G with some critical additions that diverge from the traditional contemporary cellular technologies. Fonte: AdobeStock

La realizzazione del 5G è a buon punto con gli

operatori di rete mobile (MNO) in molte città che

stanno già implementando l'infrastruttura in città

selezionate in tutti gli Stati Uniti L'inclusione di

tecnologie relativamente nuove compreso l'uso di

nuovi blocchi di spettro in gamme di frequenza più

elevate, installazione estesa di piccole celle

esterne, un'infrastruttura SATCOM non terrestre e

massicce stazioni base MIMO (mMIMO) insieme

alla densificazione delle macro-celle e alla rete di

backhaul wireless, contribuiscono tutti a soddisfare

gli indicatori chiave di prestazione (KPI) 5G che

erano stati originariamente fissati nel 2015

all'interno dell'IMT-2020. Ciò, ad esempio, include

la latenza di 1 ms nelle comunicazioni a bassa

latenza ultra affidabili (uRLLC), da 10 a 100 volte

la velocità di trasmissione dati 4G per la banda

larga mobile avanzata (eMBB) e la durata della

batteria di 10 anni per comunicazioni di tipo

macchina massiva (mMTC) .

Questo, tuttavia, è solo un trampolino di lancio per

la connettività 6G in cui si prevede di raggiungere

la connettività quasi istantanea per supportare

processi futuri affamati di larghezza di banda con

media olografici, intelligenza artificiale (AI) /

apprendimento automatico (ML), dispositivi

indossabili intelligenti, veicoli autonomi,

dispositivi per la realtà del pendolarismo,

rilevamento e mappatura 3D. Ciò pone la

domanda: cos'è esattamente il 6G e quando sarà

disponibile? Questo articolo mira a fornire una

risposta di base discutendo le differenze tra queste

due generazioni di reti cellulari, con dettagli sulla

visione futura del 6G e delle sue tecnologie di

supporto.

Casi d'uso 5G e alcune tecnologie di supporto

Già nel 2012 ci fu un brusio intorno allo sviluppo

del 5G con piani di superamento delle velocità e

della copertura 4G LTE. Servire tutte le

applicazioni sfruttando in modo intelligente più

tecnologie di accesso radio (multi-RAT) per servire

meglio i clienti. Nel 2020, c'erano 26 miliardi di

dispositivi connessi a Internet a livello globale, si

prevede che aumenterà fino a quasi 40 miliardi

entro il 2025 e quasi 50 miliardi entro il 2030,

l'anno in cui si prevede che il 6G inizierà a

soddisfare le richieste del mercato. Con il numero

di dispositivi collegati e le applicazioni wireless

che richiedono molta larghezza di banda, il 5G

probabilmente non sarebbe in grado di soddisfare i

requisiti di velocità e capacità per supportare il

numero di dispositivi collegati. Tuttavia,

analogamente a come il 5G è costruito

sull'infrastruttura 4G con componenti aggiuntivi, il

6G dovrebbe fare affidamento sulla rete 5G

consolidata.

Come affermato in precedenza, la visione 5G si è

concentrata principalmente sul servire tre

applicazioni: eMBB, uRLLC e mMTC. Queste tre

applicazioni, tuttavia, richiedono una

pianificazione della rete mirata sull'ottimizzazione

rispettivamente della velocità effettiva, della

latenza e della copertura. L'applicazione eMBB è

particolarmente impegnativa negli ambienti urbani

densi dove ci si aspetta un'installazione massiccia

di piccole celle esterne e un'estesa rete sotterranea

in fibra ottica per supportare le richieste di traffico

e throughput dal centro urbano. Per questo motivo,

c'è stato un grande sforzo per realizzare la

tecnologia di comunicazione a onde millimetriche

(mmW) per le reti mobili, uno spazio dello spettro

che era tradizionalmente utilizzato esclusivamente

per scopi militari e scientifici per radar e imaging.

Ciò ha proliferato la ricerca basata su mmW su

antenne, ricetrasmettitori RF e processi di

fabbricazione in modo che siano più prontamente

integrati nell'attrezzatura dell'utente. Tutto questo

viene fornito con la potenza tipica (EIRP) e i

requisiti / considerazioni di propagazione che sono

nativi dei componenti e delle reti cellulari. Ciò è

stato particolarmente impegnativo considerando la

perdita di percorso alle frequenze mmW: il segnale

ad alta frequenza si attenua notevolmente sulla

distanza causando la necessità di collegamenti in

linea di vista (LoS) a distanze ravvicinate. Inoltre, i

segnali di frequenza mmW tendono a diffondersi

su un ostacolo rispetto alla sua controparte a bassa

frequenza che spesso può diffrangere attorno a un

ostacolo.

Le applicazioni uRLLC si basano su una rete

altamente sincronizzata, con throughput medio-

bassi, con una densità di dispositivi molto

elevata. Tuttavia, anche la sicurezza pubblica e le

applicazioni mediche devono avere una bassa

latenza e comunicazioni affidabili. Ad esempio, in

un'applicazione di chirurgia remota in cui un

chirurgo deve avere un piccolo ritardo di tempo tra

il controller e l'apparecchiatura. Questo tipo di

comunicazioni richiede una dorsale di backhaul

dedicata, errori di tempo ridotti nel percorso di

sincronizzazione / catena dell'orologio

dall'orologio di riferimento primario (PRTC) fino

all'orologio trasparente delle telecomunicazioni (T-

TC), con una qualità end-to-end rigorosa di

obiettivi di servizio (QoS).

Le applicazioni mMTC corrispondono quasi

direttamente alla proliferazione di dispositivi IoT

nei vertici del settore, dal commerciale

all'industriale. Ciò è supportato dalla presenza in

continua crescita di nuovi protocolli IoT e dal

mercato per le piattaforme di sviluppo IoT,

portando dati precedentemente sconosciuti nel

cloud per analisi e feedback complessi. La rete per

questo tipo di comunicazione non ha i vincoli di

larghezza di banda di eMBB né i rigorosi requisiti

di latenza di uRLLC, piuttosto, rigide aspettative di

durata della batteria / manutenzione dei nodi

insieme alla copertura nelle aree non collegate del

globo. I protocolli di risparmio energetico e le

tecniche di raccolta dell'energia vengono utilizzati

in questi nodi compatti con posizionamento

intelligente al fine di garantire la connettività

ideale insieme agli aggiornamenti del firmware

OTA per una manutenzione minima dopo

l'installazione.

Cosa dovrebbe supportare il 6G?

Le applicazioni hanno una naturale progressione

verso un'esperienza virtuale più onnipresente con

applicazioni AR / VR, Internet tattile insieme a

un'analisi / modellazione predittiva intensiva

tramite la proliferazione dell'elaborazione

dell'intelligenza artificiale (AI) all'interno di detti

dispositivi. Questi spingono le tecnologie attuali al

livello successivo. L'esperienza di realtà mista

(MR) utilizza oggetti 3D e intelligenza artificiale

per fornire un'esperienza fluida e coinvolgente con

una connessione 6G ad alta integrità.

Un esempio di ciò sarebbero le comunicazioni

olografiche in cui le videoconferenze

convenzionali sono aumentate con una proiezione

realistica per un'immagine tridimensionale. Il

concetto di robot connessi e sistemi autonomi per

fornire servizi di base come la consegna di posta /

pacchi richiede anche una connessione wireless ad

alta fedeltà per consentire il feedback appropriato

necessario per controllare le destinazioni di tali

apparecchiature.

Altre future applicazioni wireless includono

un'interfaccia cervello-computer (BCI) in cui gli

apparecchi possono essere controllati tramite un

percorso di comunicazione tra il cervello

dell'utente e il front-end RF del dispositivo. Questo

può essere esteso al campo medico con dispositivi

indossabili medici che tracciano / monitorano la

salute di un paziente mentre è in hospice. Strutture

industriali completamente automatizzate con

elaborazione intensiva richiederanno una

connessione affidabile al cloud per eseguire le

complesse analisi dei dati necessarie per il

controllo remoto e l'analisi predittiva.

Questo controllo può variare in base al sottosistema

industriale, inclusi i sistemi di localizzazione in

tempo reale (RTLS) per il monitoraggio, i controlli

degli attuatori per il braccio robotico, i robot

mobili autonomi (AMR) e i veicoli a guida

automatica (AGV) per il monitoraggio /

manutenzione dell'impianto, visione artificiale

Sistemi (MV) per la garanzia della qualità e

, naturalmente, il monitoraggio / controllo delle

apparecchiature attraverso ampie reti di sensori

wireless (WSN). L'IoT dovrebbe proliferare su

Internet of Everything (IoE), dove ci si aspetta un

coordinamento autonomo tra un numero enorme di

sensori e dispositivi connessi in remoto, che

forniscono tutti feedback sul suo stato a Internet. I

cinque potenziali casi d'uso per 6G possono

includere quanto segue :

Banda larga mobile avanzata plus (eMBB Plus)
Grandi comunicazioni (BigCom)
Comunicazioni sicure ultra affidabili a bassa latenza (SURLLC)
Comunicazione integrata 3D (3D-InteCom)
Comunicazioni di dati non convenzionali (UCDC)

Questi sono basati sui tre principali casi d'uso 5G

(eMBB, uRLLC e mMTC) in cui eMBB plus è un

passo evolutivo oltre eMBB. BigCom, tuttavia, si

concentra sull'ubiquità del servizio

indipendentemente dall'ubicazione (ad esempio,

città fitta, rurale, remota, ecc.). Il caso d'uso di

uRLLC si basa su SURLLC per comunicazioni

militari e industriali che richiedono alta

affidabilità, determinismo e sicurezza.

Il caso d'uso di 3D-InteCom si riferisce alla

copertura garantita dall'integrazione di componenti

non terrestri come satelliti e droni, elevando la

copertura 2D della terra a uno spazio più

3D. L'applicazione di UCDC è più divergente dai

casi d'uso cellulari tradizionali in quanto si

riferisce a tecnologie avanzate che non sono ancora

incorporate nella vita di tutti i giorni, comprese le

comunicazioni olografiche, Internet tattile e BCI.

In che modo il 6G supporterà questa connettività?

Si prevede che l'infrastruttura 6G sarà costruita sul

5G con alcune aggiunte critiche che divergono

dalle tradizionali tecnologie cellulari

contemporanee. Uno degli aspetti principali del 6G

è l'incorporazione dello spettro terahertz da 0,1

THz a 10 THz. Questo enorme blocco di spettro

aggiuntivo ha la larghezza di banda per supportare

la connettività necessaria attraverso l'uso di

ricetrasmettitori elettronico-fotonici fotonici e

ibridi. Il vantaggio di questa tecnologia rispetto

alla maggior parte delle tecnologie mmW è che

non è richiesto un collegamento in linea di vista

(LoS). Un'architettura senza cella è chiamata a

supportare 6G in cui l'apparecchiatura utente (UE)

è collegata alla RAN invece che a una cella

singola. Ciò può essere realizzato attraverso la

stretta integrazione di diverse tecnologie di

comunicazione (ad esempio, sub-6 GHz, mmW,

THz, e comunicazioni a luce visibile (VLC)) in cui

i dispositivi 6G possono supportare tutte queste

radio eterogenee all'interno del dispositivo. Questo

elimina le lacune nella copertura che derivano dai

passaggi di consegne.

È prevista anche una maggiore copertura 3D del

globo laddove l'attuale copertura del suolo è

costruita su piattaforme non terrestri come droni,

palloni e satelliti LEO / MEO / GEO. Il concetto di

virtualizzazione della rete introdotto nel 5G

dovrebbe essere realizzato all'interno del 6G con

un'architettura di rete disaggregata e la

virtualizzazione dei livelli di controllo

dell'accesso medio (MAC) e fisico (PHY) del

modello OSI che tipicamente richiedono hardware

dedicato. Come si può vedere, i KPI del 6G

differiscono notevolmente dal 5G e quindi

richiedono tecnologie innovative per supportare

questa connettività.

Rendere il 6G una realtà

Ci sono già iniziative di ricerca avviate in diversi

paesi per realizzare il 6G. In Finlandia, l'Università

di Oulu ha avviato la ricerca finlandese sul 6G nel

2018. La FCC ha aperto lo spettro da 95 GHz a 3

THz per licenze sperimentali, aprendo opportunità

di ricerca per collegamenti di comunicazione ottica

/ fotonica negli Stati Uniti A partire dal 2019,

Corea del Sud e Cina ha iniziato a mettere insieme

gruppi di lavoro dedicati alla ricerca 6G tra

aziende, dipartimenti governativi e

università. Inutile dire che il 6G è una piattaforma

nascente. Tuttavia, tra le potenziali nuove soluzioni

tecnologiche e i KPI, diventerà il nuovo traguardo

per l'innovazione oltre il 5G.

ENGLISH

The realization of 5G is well on its way with

mobile network operators (MNOs) in many cities

already deploying the infrastructure in select cities

all over the U.S. The inclusion of relatively new

technologies including the use of new spectrum

blocks in higher frequency ranges, extensive

installation of outdoor small cells, a non-terrestrial

SATCOM infrastructure, and massive MIMO

(mMIMO) base stations along with the

densification of macro-cells and the wireless

backhaul network, all contribute to meeting the 5G

key performance indicators (KPIs) that was

originally set in 2015 within the IMT-2020. This,

for instance, includes the 1 ms latency in ultra-

reliable low latency communications (uRLLC), 10

to 100 times the 4G data rate for enhanced mobile

broadband (eMBB), and 10 year battery life for

massive machine type communications (mMTC).

Parameters such as these along with the strict

capacity (1000x), perception of availability

(99.999%), and perception of coverage (100%)

requirements supports the ever-increasing

bandwidth demands put on wireless networks

globally.

This, however, is merely a stepping stone for 6G

connectivity where near-instant connectivity is

anticipated to be achieved in order to support

future, bandwidth hungry processes with

holographic media, artificial intelligence

(AI)/machine learning (ML), smart wearables,

autonomous vehicles, commuting reality devices,

sensing and 3D mapping. This begs the question:

What exactly is 6G and when will it be available?

This article aims to provide a basic answer by

discussing the differences between these two

generations of cellular networks, with detail on the

future vision of 6G and its supporting

technologies.

5G use cases and some supporting technologies

As early as 2012 there was buzz around the

development of 5G with plans of it vastly

surpassing 4G LTE speeds and coverage. Serving

any and all applications by smartly leveraging

multiple radio access technologies (multi-RAT) to

better serve customers. As of 2020, there were 26

billion internet-connected devices globally, this is

anticipated to increase to almost 40 billion by 2025

and nearly 50 billion by 2030—the year that 6G is

expected to begin filling market demands. With the

number of connected devices and bandwidth-

hungry wireless applications, 5G would likely not

be able to meet the speed and capacity

requirements to support the number of connected

devices. However, similar to how 5G is built upon

the 4G infrastructure with additional components,

6G is expected to rely on the established 5G

network.

As stated earlier, the 5G vision has been mainly

focused on serving three applications: eMBB,

uRLLC, and mMTC. These three applications

however, require focused network planning around

optimizing throughput, latency, and coverage

respectively. The eMBB application is particularly

challenging in dense urban environments where

there is expected to be a massive installation of

outdoor small cells as well as an extensive

underground fiber optic network to support the

traffic and throughput demands from the urban

center. Because of this, there has been a major

effort around realizing millimeter-wave (mmW)

communications technology for mobile networks

—a spectrum space that was traditionally

exclusively utilized for military and science

purposes for radar and imaging.

This has proliferated mmW-based research in

antennas, RF transceivers, and fabrication

processes so that they are more readily integrated

into user equipment. This all comes with the

typical power (EIRP) and propagation

requirements/considerations that are native to

cellular components and networks. This has been

particularly challenging considering the path loss

at mmW frequencies—the high frequency signal

attenuates greatly over distance causing the need

for line-of-sight (LoS) links at close distances.

Moreover, mmW frequency signals tend to scatter

at an obstacle as opposed to its low frequency

counterpart that can often diffract around an

obstacle.

The uRLLC applications rely upon a highly

synchronized network, at low-to-medium

throughputs, with a very high device density.

However, public safety and medical applications

are also required to have low latency and reliable

communications. For instance, in a remote surgery

application where a surgeon must be little time

delay between the controller and equipment. This

type of communications requires a dedicated

backhaul backbone, low time errors in the

synchronization path/clock chain from the primary

reference time clock (PRTC) down to the telecom

transparent clock (T-TC), with stringent end-to-end

quality of service (QoS) goals.

The mMTC applications almost directly correspond

to the proliferation of IoT devices in industry

vertices from commercial to industrial. This is

supported by the ever-growing presence of new

IoT protocols and the marketplace for IoT

development platforms, bringing previously

unknown data to the cloud for complex analysis

and feedback. The network for this type of

communication does not have the bandwidth

constraints of eMBB nor the stringent latency

requirements of uRLLC, rather, strict battery

life/node maintenance expectations along with

coverage in the unconnected areas of the globe.

Power saving protocols and energy harvesting

techniques are used in these compact nodes with

smart placement in order to ensure ideal

connectivity along with OTA firmware updates for

minimal maintenance after installation.

What is 6G expected to support?

The applications have a natural progression to more

a ubiquitous virtual experience with AR/VR

applications, tactile internet along with intensive

predictive analysis/modeling via the proliferation

of artificial intelligence (AI) processing within said

devices. These push current technologies to the

next level. The mixed reality (MR) experience uses

3D objects and AI to provide a seamless,

immersive experience with a high integrity 6G

connection.

An example of this would be holographic

communications where conventional video

conferences are augmented with a realistic

projection for a three-dimensional image. The

concept of connected robots and autonomous

systems to provide basic services such as

mail/package delivery also requires a high-fidelity

wireless connection to enable the proper feedback

necessary to control the destinations of such

equipment.

Other future wireless applications include a brain-

computer interface (BCI) where appliances can be

controlled via a communication path between the

user’s brain and the device's RF front-end. This

can be extended to the medical field with medical

wearables tracking/monitoring a patient's health

while they are in hospice. Entirely automated

industrial facilities with intensive computing will

require a reliable connection to the cloud in order

to perform the complex data analytics necessary

for remote control and predictive analysis.

This control can range according the industrial

subsystem including real-time location systems

(RTLS) for monitoring, actuator controls for

robotic-arm, autonomous mobile robots (AMRs)

and automated guided vehicles (AGVs) for plant-

(MV) systems for quality assurance, and naturally,

the monitoring/control of equipment through

extensive wireless sensor networks (WSNs). IoT is

expected to proliferate to the internet of everything

(IoE) where there is expected to be autonomous

coordination among a massive number of remotely

connected sensors and devices, all providing

feedback on its status to the internet. The five

potential use cases for 6G can include the

following :

Enhanced mobile broadband plus (eMBB Plus)
Big communications (BigCom)
Secure ultra-reliable low-latency communications (SURLLC)
3D integrated communications (3D-InteCom)
Unconventional data communications (UCDC)

These are built upon the three major 5G use cases

(eMBB, uRLLC, and mMTC) where eMBB plus is

an evolutionary step beyond eMBB. BigCom

however, focuses on service ubiquity regardless of

location (e.g., dense urban, rural, remote, etc). The

use case of uRLLC is built upon with SURLLC for

military and industrial communications that require

high reliability, determinism and security.

The use case of 3D-InteCom refers to the coverage

granted from the integration of non-terrestrial

components such as satellites and drones, raising

the 2D coverage of the earth to a more 3D space.

The application of UCDC is most divergent from

traditional cellular use cases as it refers to

advanced technologies that are not yet incorporated

into everyday life including holographic

communications, tactile internet, and BCI.

How will 6G support this connectivity?

The 6G infrastructure is expected to be built upon

5G with some critical additions that diverge from

the traditional contemporary cellular technologies.

One major aspect of 6G is the incorporation of the

terahertz spectrum from 0.1 THz to 10 THz. This

massive block of additional spectrum has the

bandwidth to support the connectivity needed

through the use of photonic and hybrid electronic-

photonic transceivers. The benefit of this

technology over most mmW technology is that a

line-of-sight (LoS) link is not required. A cell-less

architecture is called upon to support 6G where

user equipment (UE) is connected to the RAN as

opposed to a singular cell. This can be realized

through the tight integration of difference

communication technologies (e.g., sub-6 GHz,

mmW, THz, and visible light communications

(VLC)) where 6G devices can support all these

heterogeneous radios within the device. This

eliminates the gaps in coverage that come with

handovers.

More 3D coverage of the globe is also envisioned

where the current ground coverage is built upon

non-terrestrial platforms such as drones, balloons

and LEO/MEO/GEO satellites. The concept of

network virtualization that was introduced in 5G is

anticipated to be realized within 6G with a

disaggregated network architecture and the

virtualization of the medium access control (MAC)

and physical (PHY) layers of the OSI model that

typically require dedicated hardware.

As can be seen, the KPIs of 6G differ greatly from

5G and therefore require innovative technologies

to support this connectivity.

Making 6G a Reality

There are already research initiatives kicked-off in

different countries in order to realize 6G. In

Finland, the University of Oulu kickstarted Finnish

6G research in 2018. The FCC opened up the 95

GHz to 3 THz spectrum for experimental licenses,

opening up research opportunities for

optical/photonic communication links in the U.S.

As of 2019, South Korea and China began putting

together working groups dedicated to 6G research

between companies, government departments, and

universities. It goes without saying that 6G is very

much a nascent platform. However, between the

potential new technological solutions and the KPIs,

it will become the new goalpost for innovation

beyond 5G.

Da:

https://electronics360.globalspec.com/article/16447/5g-vs-6g-what-is-it-and-when-will-it-be-here?uid=%2D1474234620&uh=f9d092&md=210405&mh=05ff22&Vol=Vol16Issue4&Pub=59&LinkId=2061058&keyword=link%5F2061058&itemid=366221&frmtrk=newsletter&cid=nl

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