Čo znamená 6G?
6G je šiesta generácia mobilnej komunikácie. Pri 5G hovoríme o dátovom toku až 20 gigabitov za sekundu a oneskorení (latencii) okolo 1 milisekundy. So 6G máme ambiciózny cieľ dosiahnuť jeden terabit za sekundu a oneskorenie okolo 100 mikrosekúnd, to znamená päťdesiatnásobok dátovej rýchlosti a jednu desatinu oneskorenia 5G. Existuje mnoho aplikácií z oblasti Priemyslu 4.0, medicíny, autonómneho riadenia, inteligentných miest a zábavy, ktorým by to prospelo, ale aj veľkých výziev, ktoré treba najskôr vyriešiť.
5G by už mal umožňovať komunikáciu v reálnom čase, napríklad pri autonómnych vozidlách. Na čo budeme potrebovať 6G?
Aký je cieľ autonómnej jazdy? Človek by chcel výrazne znížiť počet nehôd. Autonómna jazda má predovšetkým kolektívny rozmer. To, čo 5G dosiahne, je maximálna rýchlosť prenosu dát okolo 20 gigabitov za sekundu. Ak auto jazdí autonómne, musí v reálnom čase informovať ostatných účastníkov cestnej premávky o svojej polohe, musí merať vzdialenosť a zároveň sa dokáže pozerať okolo seba v uhle 360 stupňov.
Takéto vozidlá musia veľmi dobre poznať cestu a musia byť schopné pozerať sa do diaľky, ale samozrejme aj veľmi blízko pred seba. A veľmi presne. To vyžaduje snímače, ktoré vyvíjame aj vo Fraunhofer IZM: kombinácia radaru a kamery.
Tieto snímače zhromažďujú obrovské množstvo údajov, ktoré treba súčasne zdieľať. Nahrávanie a sťahovanie však musí prebiehať v reálnom čase: mapy miest sa napríklad sťahujú vo veľmi vysokom rozlíšení. 20 gigabitov za sekundu na všetky tieto procesy zďaleka nestačí.
Navyše autá musia spoľahlivo autonómne reagovať na nepredvídané situácie s extrémne malým oneskorením. Preto sa okrem veľmi vysokej dátovej rýchlosti požaduje aj veľmi nízke oneskorenie. Špecifikácie 5G, bohužiaľ, neumožňujú budovať infraštruktúry a siete, ktoré zaručujú stovky gigabitov za sekundu a extrémne nízke oneskorenie súčasne. Sme preto toho názoru, že skutočná autonómna jazda s 5G pravdepodobne nebude možná. Nevieme ani to, či vôbec budú splnené špecifikácie, ktoré máme pre 5G dnes. Potrebná kolektívna alebo sieťová inteligencia zatiaľ neexistuje.
5G nám tiež neumožňuje dosiahnuť rýchlosť dát a oneskorenie, ktoré sú na to nevyhnutné.
Preto potrebujeme 6G.
Ďalšie aplikácie nachádzame v telemedicíne, napríklad v oblasti telechirurgie: operujúci lekár by v takomto prípade už nemusel byť na mieste výkonu. Niečo také síce možno urobiť aj s 5G, ale vzhľadom na maximálnu rýchlosť prenosu a oneskorenie, ktoré s 5G súvisia, existuje veľa obmedzení. Keď je lekár niekde inde, ovláda niektoré zariadenia a samotnú operáciu vykonáva robot. Na to používa obrazovku s ultravysokým rozlíšením alebo súpravu so zmiešanou realitou na umiestnenie na hlavu a pomocou 3D hologramov presne vidí, čo sa deje v tele. Musí byť schopný vidieť tie najjemnejšie detaily. Na to potrebuje nekomprimované údaje v reálnom čase a s prenosovou rýchlosťou niekoľko stoviek gigabitov za sekundu až viac ako 1 terabit za sekundu a oneskorením menším ako 1 milisekunda. 5G to nedokáže! 6G v tomto smere napĺňa očakávania, ktoré naznačila 5G.
6G tiež umožní vývoj vysoko miniaturizovaných nositeľných lekárskych snímačov, snímačov integrovaných v oblečení a implantovateľných snímačov, ktoré môžu nepretržite monitorovať životne dôležité parametre zdravých a chorých ľudí. Tieto snímače možno navzájom prepojiť prostredníctvom 6G siete Terahertz Body Area Network. Pomocou vysokorýchlostných sietí 6G možno prenášať vitálne funkcie lekárom na diaľkové lekárske sledovanie v reálnom čase s extrémne krátkym oneskorením. 6G navyše otvára množstvo aplikácií, ktoré kombinujú výhodu obrovskej šírky terahertzového pásma a nové metódy umelej inteligencie, napríklad v oblasti digitálnych dvojčiat.
Ide o virtuálne náprotivky zariadení, strojov, predmetov, procesov alebo dokonca živých bytostí. Pomocou snímačov, umelej inteligencie, komunikačných a lokalizačných technológií sú vytvorené ako digitálne duplikáty. Vzhľadom na extrémne vysokú prenosovú rýchlosť a veľmi nízke oneskorenie, ktoré 6G ponúkne, by bolo možné pomocou digitálnych dvojčiat monitorovať, simulovať a analyzovať realitu vo virtuálnom svete bez časových alebo priestorových obmedzení. To bude mať významný vplyv v mnohých oblastiach Priemyslu 4.0, automobilového priemyslu, medicíny, vzdelávania a zábavy. Dá sa teda predpokladať, že 6G umožní aplikácie, ktoré úplne zmenia náš život, našu spoločnosť a ekonomiku spôsobmi, aké ľudstvo nikdy predtým nevidelo.
Prečo už začíname riešiť 6G, keď 5G ešte nedostalo priestor na nasadenie?
Aj keď sa očakáva, že 6G bude zavedený až v roku 2030, stále je veľa nezodpovedaných otázok, napríklad o vývoji hardvéru na mobilnú komunikáciu nad 100 GHz, pretože sa očakáva, že pre 6G sa využije pásmo D (0,11 THz až 0,17 THz). Také frekvencie neboli nikdy použité na mobilnú komunikáciu. Výskumná a vývojová komunita sa preto začína zaoberať zodpovedaním softvérových a hardvérových otázok aplikácií oveľa skôr. Zvyčajne to prebehne tak 10 rokov pred uvedením na trh. Špecifikácie sa potom určujú asi päť rokov pred zavedením – potom môžu nasledovať skúšky.
Skôr ako si obyvateľstvo bude môcť užívať výhody novej generácie, budú musieť výskumníci urobiť ešte veľa práce. Na to bol napríklad vytvorený Innovationscampus Electronics and Microsensors Cottbus (iCampus Cottbus), v ktorom Fraunhofer spolu s BTU Cottbus-Senftenberg a dvoma inštitúciami z Leibnizu skúma sieťové technológie a snímače zajtrajška.
Aké nové obchodné modely vzniknú s príchodom 6G?
Objavením sa 5G zohrala technológia vyhotovenia a pripojenia dôležitú úlohu vo vývoji bezdrôtových systémov pre mobilné komunikačné aplikácie. Pretože už nie je triviálne vyrábať vysokofrekvenčný front-end modul na mobilnú komunikáciu, výrobcovia materiálov, osadených dosiek plošných spojov a komponentov majú problém. To tiež otvára nové obchodné príležitosti pre malé a stredné podniky, ktoré prakticky nehrali žiadnu úlohu v 1G až 4G. Výsledkom je, že už vzniká mnoho nových obchodných modelov a bude to tak aj so 6G.
Ako už bolo uvedené, pri 6G sa pravdepodobne bude využívať frekvencia v rozsahu 0,11 THz až 0,17 THz: čím vyššia frekvencia, tým menšie súčiastky. To znamená, že pre 6G budeme schopní stavať veľmi malé systémy. Tieto miniaturizované 6G systémy možno integrovať do existujúcich zariadení/strojov a zavádzať nové vylepšenia bez toho, aby sa menila estetika alebo aby sa výrazne menil rozmer zariadení/strojov. V dôsledku toho by mohlo vzniknúť nespočetné množstvo nových aplikácií, najmä vo vertikálnom odvetví. Mohlo by to viesť k vzniku nových obchodných modelov.
Aké technologické riešenia dnes existujú pre 6G?
Pre 6G dnes stále neexistujú žiadne úplné riešenia. Predmetom výskumu sú však nové koncepty s cieľom vyriešiť zásadné výzvy. V prvom rade treba prekonať obrovské tlmenie, ktoré má vzdušný priestor. Aby sme to dokázali, musíme vybudovať viacanténové architektúry so stovkami antén na jednu základňovú stanicu, tzv. masívne architektúry MIMO (Multiple Input Multiple Output). Musíme si najskôr ujasniť, koľko základných prvkov budujeme a ako ich prepájame, aby nakoniec boli možné dlhé prenosy, veľmi dobré tvarovanie lúča a nízka spotreba energie. Elektromagnetický signál navyše nesmie obmedzovať žiadne rušenie.
Prvým krokom je vypracovanie nových rozsiahlych architektúr systému MIMO na efektívnu implementáciu hardvéru.
Druhým krokom je implementácia architektúry systému. Tu vstupuje do hry Fraunhofer IZM. Poskytujeme potrebné technológie na systémovú integráciu, nové terahertzové integrované masívne anténne polia MIMO a nové metódy vysokofrekvenčného návrhu, aby bolo možné stavať 6G front-end moduly. Už sme navrhli aj konkrétne riešenia. Náš 6G projekt (6GKom), prvý projekt financovaný spoločnosťou BMBF v Nemecku na vývoj 6G terahertzových modulov, sa začal 1. októbra 2019. Spoločnosť Fraunhofer IZM si už patentovala riešenia na integráciu vysokofrekvenčných systémov na implementáciu takýchto modulov. Sú založené na miniaturizovaných bezventilátorových obalových platformách (packaging platform) s integrovanými anténami, ktoré dnes ešte neexistujú.
Čo presne stojí za projektom 6GKom?
Projekt je koordinovaný spoločnosťou Fraunhofer IZM a pracoval na ňom spoločne s IHP, TU Berlin, TU Dresden a Ulm University. 6GKom podporuje priemyselný poradný výbor zložený z 15 spoločností z oblastí vývoja materiálu a balíkov, návrhu a výroby čipov a testovacieho prostredia. Okrem toho sú tu používatelia z automobilového, leteckého, kozmického, poľnohospodárskeho priemyslu a telekomunikácií. V prvej fáze chceme v rámci 6GKom vyvinúť hardvérový základ pre 6G. Chceme skúmať a vyvíjať výkonný širokopásmový miniaturizovaný modul MIMO D-band s integrovanou schopnosťou tvarovania signálu. Tento modul umožňuje prenosovú rýchlosť niekoľko terabitov za sekundu a je vhodný pre veľmi presné lokalizačné aplikácie pre budúcu mobilnú 6G komunikáciu.
Ďalej chceme skúmať nové architektúry základného pásma s prihliadnutím na parazitické terahertzové efekty v moduloch pásma D a tiež vyvinúť zodpovedajúce testovacie postupy a prostredia. Na dosiahnutie týchto cieľov už konzorcium spolu s priemyselným poradným výborom analyzovalo možné scenáre nasadenia a vypracovalo potrebné špecifikácie. Na základe toho bola vyvinutá škálovateľná masívna architektúra systému MIMO.
V súčasnosti sa skúma nový typ spoločného návrhu antény a integračný prístup, ktorý umožní vyvinúť širokopásmový miniaturizovaný vysokovýkonný modul pásma D. Patentovaná integračná platforma obalového systému s integrovanými anténami od spoločnosti Fraunhofer IZM sa používa na hardvérovú implementáciu spoločného návrhu anténneho čipu a integračného prístupu. Na rozdiel od existujúcich platforiem má veľmi dobré vysokofrekvenčné vlastnosti a umožňuje vyššiu miniaturizáciu systému, spoľahlivosť a zníženie nákladov. Aby sme mohli otestovať modul v pásme D s ohľadom na jeho vhodnosť na mobilnú komunikáciu, budeme sa venovať výskumu a vývoju nových algoritmov na spracovanie signálu.
Aký je vlastne technický rozdiel medzi 5G a 6G?
Medzi 5G a 6G je veľa rozdielov. Spomeniem len niekoľko.
Po prvé, frekvenčné spektrum: v prípade 4G a starších zariadení prebiehala všetka mobilná komunikácia do 6 GHz. V 5G sme na frekvencii 26 GHz, 28 GHz a 39 GHz, t. j. prvýkrát nad spektrom 6 GHz. V 6G, ako už bolo spomenuté, máme v úmysle ísť do terahertzového rozsahu, pravdepodobne v pásme D (0,11 THz až 0,17 THz). 6G by navyše mohlo používať aj VLC (Visible Light Communication), sľubný optický komunikačný prístup na komunikáciu na krátku vzdialenosť, ktorý využíva viditeľné svetlo medzi 400 a 800 THz. Frekvencia pod 6 GHz sa bude naďalej používať pre 5G aj 6G.
Po druhé, rýchlosť prenosu dát: pri 5G sa očakáva, že dosiahne maximálnu rýchlosť prenosu dát okolo 20 gigabitov za sekundu, pričom 6G očakáva maximálnu rýchlosť dát viac ako 1 terabit za sekundu. Existuje tiež významný rozdiel medzi prenosovou rýchlosťou na používateľa: v 5G sa očakáva približne 100 megabitov za sekundu, zatiaľ čo v 6G sa očakáva približne 1 gigabit za sekundu.
Po tretie, oneskorenie: očakáva sa, že 5G bude mať oneskorenie približne 1 milisekundu a vyššiu. 6G by dosiahlo oveľa menej ako milisekundu, pravdepodobne 100 mikrosekúnd. Extrémne nízke oneskorenie je veľmi dôležité pri aplikáciách, ako je holografická komunikácia, virtuálna, rozšírená a zmiešaná realita, ako aj pri vzdialenej lekárskej diagnostike a chirurgii. V týchto medicínskych aplikáciách musí sieť ponúkať veľmi vysokú spoľahlivosť, malé oneskorenie a súčasne extrémne vysokú dátovú rýchlosť. Na rozdiel od 5G je 6G vyvíjaný tak, aby boli všetky tieto požiadavky splnené súčasne. Veľký rozdiel bude tiež v počte pripojených zariadení na kilometer štvorcový, ako aj v energetickej účinnosti. Domnievam sa však, že na kvantifikáciu väčšiny týchto rozdielov je príliš skoro.
O Dr. Ing. Dr. Ing. habil. Ivan Ndip
Dr. Ivan Ndip pôsobí na Fraunhoferovom inštitúte spoľahlivosti a mikrointegrácie IZM už viac ako 20 rokov a od roku 2014 vedie oddelenie RF & Smart Sensor Systems. Súčasne vyučoval na Fakulte elektrotechniky a informatiky TU v Berlíne, na ktorej získal doktorát s vyznamenaním. Habilitáciu dokončil na BTU Cottbus-Senftenberg. Dr. I. Ndip sa významne podieľal na vývoji hardvérových komponentov a modulov pre 5G milimetrové vlny a je vyhľadávaným odborníkom na otázky týkajúce sa antén a vysokofrekvenčných systémov na bezdrôtovú komunikáciu a aplikácie snímačov.
Zdroj: Putsykina, O.: 6G kommt, um die Erwartungen zu erfüllen, die 5G geweckt hat. Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM. [online]. Publikované január 2021.
-tog-