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