6G - uma visão das comunicações sem fio do futuro

As redes 5G ainda devem apresentar crescimento e desenvolvimento nos próximos anos, mas os estrategistas de tecnologia já fornecem perspectivas que vão muito além do 5G. Se essas visões sobre os cenários de 6G se tornarem realidade, podemos esperar um grande avanço das comunicações na década de 2030. A Rohde & Schwarz é fornecedora líder de equipamentos de teste e medição desde o início da era das comunicações sem fio digitais. Agora, a empresa de tecnologia está apoiando o setor como um parceiro próximo para ajudar a tornar realidade a visão da sexta geração de comunicações sem fio.

Queremos apenas mais velocidade?

Com a adoção do padrão LTE, a maioria dos usuários móveis descobriu que suas necessidades haviam sido atendidas. Com taxas de download de até várias centenas de megabits por segundo, é possível assistir a vídeos de alta resolução ou baixar arquivos grandes em segundos. Já disponível em muitos lugares em vários países, a rede 5G multiplica a velocidade disponível, mas praticamente não oferece outros benefícios reais para cada usuário. No entanto, existem há algum tempo ideias para o próximo estágio da evolução. Porém, o sistema 5G tecnicamente avançado – que está sujeito a desenvolvimento e expansão contínuos – deixou de atender a algum requisito que pudesse motivar essa próxima evolução?

Esta pergunta foi lançada por dois autores em setembro de 2018*). Desde então, o tema tem recebido muita atenção. Embora tenha começado como um tópico de discussão entre especialistas, a rede 6G se transformou em uma espécie de "grande questão política" para a tecnologia e para o setor, recebendo contribuições na forma de um grande número de subsídios para pesquisa e desenvolvimento em todo o mundo. Com base na análise do potencial das tecnologias atuais e das tecnologias futuras que estão atualmente em desenvolvimento ou que surgem no horizonte, uma visão se cristalizou que está deixando para trás tudo o que antes era possível.

*) Klaus David, Hendrik Berndt: 6G vision and requirements: Is there any need for beyond 5G? IEEE Vehicular Technology Magazine, Vol. 13, Issue 3, Sept. 2018.

De pessoa para pessoa

Tudo começou de forma muito convencional há mais de três décadas. Após a primeira geração analógica (1G) na década de 1950, a primeira geração de comunicação sem fio digital surgiu no início da década de 1990. O padrão 2G europeu Sistema Global para Comunicações Móveis (GSM) tornou-se um importante produto de exportação, assim como o simulador GSM da Rohde & Schwarz. Esse sistema ainda é considerado o pioneiro das comunicações sem fio.

A primeira geração de comunicações sem fio digitais foi projetada puramente como um sistema de telefonia por voz. Serviços de dados simples, como o envio de mensagens de texto, foram inseridos mais tarde. O rápido crescimento da internet deu origem ao desejo de também ter acesso móvel à internet. As aplicações de dados foram, portanto, um elemento fundamental na especificação dos requisitos da próxima geração conhecida como 3G, lançada em 2001. Porém, logo ficou óbvio que o sistema 3G não tinha a capacidade necessária para suportar o rápido crescimento do tráfego de dados. O nome do padrão seguinte (4G) deixou claro que seus projetistas não pretendiam repetir o mesmo erro. O Long Term Evolution (LTE) foi desenvolvido para atender a requisitos futuros por um longo período usando atualizações contínuas. As primeiras redes baseadas neste padrão entraram em operação em 2010 e ainda formam a espinha dorsal do sistema de comunicações sem fio.

Todos os padrões até o 4G tinham sido projetados para comunicações entre humanos. O foco principal estava na aquisição rápida de informações (ligação ascendente), e o streaming de vídeo em HD era visto como a aplicação mais impressionante. Neste contexto, o sistema 4G atendeu totalmente aos requisitos. A motivação para o desenvolvimento seguinte veio de uma área totalmente diferente.

Comunicação entre máquinas

Enquanto isso, vários setores começaram a desenvolver cenários que exigiam infraestrutura de comunicações sem fio de alto desempenho com recursos que o padrão LTE não podia atender. Por exemplo, a Indústria 4.0 utiliza links de rádio extremamente confiáveis, com tempos de trânsito de sinal de ponta a ponta na faixa de milissegundos mais baixa. As máquinas criadas para executar uma tarefa comum de forma síncrona em velocidade máxima precisam de uma infraestrutura de dados que acompanhe o ritmo de suas operações. Embora isso não seja um problema com conexões de cabo comuns, isso se torna um desafio ao usar radiocomunicação. No entanto, a radiocomunicação é obrigatória para garantir a flexibilidade que caracteriza a Indústria 4.0.

O setor de transporte está fornecendo aplicações totalmente novas para as comunicações sem fio. Mesmo no nível 5 ainda distante, a condução autônoma não será tão autônoma quanto o termo pode sugerir. Basicamente, os veículos compartilham ruas, semáforos e outras instalações de infraestrutura com inúmeros usuários das vias – produzindo interações que exigem um alto nível de orquestração. Isso significa que os veículos devem estar conectados uns aos outros, a equipamentos instalados ao longo das estradas e a um centro de controle de tráfego. Como existem várias situações fundamentais para a segurança possíveis, como frenagem de emergência, a transferência de sinal rápida e confiável é uma prioridade.

Em contrapartida, os requisitos associados às aplicações sem fio da cidade inteligente e da casa inteligente são muito diferentes. Dispositivos como medidores de serviços públicos (como água, eletricidade, gás, etc.) e recipientes de resíduos estão sendo equipados com sensores e sistemas de controle que podem ser consultados ou ativados remotamente, por exemplo. O objetivo é eliminar a necessidade de acessar manualmente os dispositivos e permitir o acionamento de ações com base nos dados adquiridos. Isso exige radiocomunicações esporádicas e a quantidade de dados é muito pequena. Um típico cenário pode envolver milhares de dispositivos de usuários semelhantes alimentados por bateria. Um sistema de radiocomunicação como o LTE, projetado para alto desempenho, é claramente sobredimensionado quando se trata de aplicativos de baixo desempenho. Além disso, alguns requisitos especiais, como consumo de corrente reduzido, não são atendidos.

Aplicações desse tipo influenciaram o desenvolvimento da rede 5G. O foco principal mudou de pessoas para dispositivos e máquinas, ou seja, a internet das coisas (IoT).

Está faltando algo?

A rede 5G é bem desenvolvida em muitos países. No entanto, o foco – mesmo na padronização pela organização responsável 3GPP – estava inicialmente no grupo de aplicações para banda larga móvel aprimorada (eMBB). O esperado aumento de conectividade na fábrica, no transporte e IoT ainda não se concretizou. No entanto, já estão surgindo aplicações para os quais o 5G não seria suficiente, mesmo que todas as suas opções técnicas fossem exploradas de maneira consistente. Diferentes estágios de desenvolvimento também foram planejados para o 5G. A partir da versão 18 da especificação padrão (a versão final está prevista para 2024), será usado o termo 5G Avançado. Apesar da falta de qualquer acordo formal, o setor já decidiu atribuir certas características de desempenho a uma nova geração de rede conhecida como 6G. A meta para a introdução do 6G foi definida – mais ou menos por hábito – para o ano de 2030.

O ciclo de 10 anos para um novo lançamento tem sido a regra desde o 2G e parece uma decisão óbvia continuar. As gerações anteriores também diferiam em termos técnicos; por exemplo, diferentes métodos de acesso ao canal (formas de uso do canal de radiocomunicação). O método de acesso ao canal, o tipo de codificação de dados e a largura de banda de transmissão utilizável exercem grande influência no desempenho do sistema. Como fornecedora de equipamentos de teste e medição, a Rohde & Schwarz apoiou e moldou essa tecnologia desde o início.

Desde o 5G, os avanços técnicos foram motivados pelos interesses de vários setores. Cenários futuros estão surgindo de diferentes áreas e se misturando para produzir um panorama geral fascinante. Dar vida a esse panorama exigirá tecnologias que, em sua maioria, não estão disponíveis agora, mas que serão realidade no médio prazo. A interação entre todas essas tecnologias será conhecida como a “sexta geração sem fio”. No entanto, esse termo austero está longe de descrever toda a visão que a nova geração criou.

Gêmeos digitais no holodeck

Marc Zuckerberg, fundador do Facebook, apresentou sua visão do futuro da empresa no outono passado (no Hemisfério Norte). O plano mestre exige a conversão no longo prazo da atual plataforma de rede social em um "metaverso". Da realidade virtual (RV) e da realidade aumentada (RA) à realidade estendida (XR): combinando o mundo real e o mundo virtual para criar um mundo artificial. Incorporando personalidades digitais ou avatares projetados holograficamente no espaço da realidade estendida, os usuários poderão alternar perfeitamente entre salas de bate-papo, jogos e shopping centers – sem nunca deixar o ambiente sintético. Embora ainda não tenham sido esclarecidos todos os detalhes de como isso vai funcionar, está claro que os óculos de RV terão um papel importante.

É claro que isso não é algo totalmente novo. Os óculos de RV estão disponíveis comercialmente há anos e são usados principalmente em aplicações industriais. Os especialistas usam os óculos, por exemplo, para projetar um modelo 3D de uma peça para ser montada na imagem real – juntamente com informações sobre como manusear a peça. A pessoa que usa os óculos pode interagir manualmente com a projeção holográfica como se fosse real. Isso inclui tocar e manipular a projeção. Disponibilizar esse sistema a milhões de pessoas por um custo acessível a todos é um dos cenários que orientam o padrão 6G.

A realidade estendida – combinação dos mundos real e virtual – engloba uma série de outras visões substanciais se levadas à sua conclusão lógica. O objetivo de longo prazo é atingir a imersão total em um novo mundo que é vivenciado como se fosse real. Isso inclui elementos como resolução óptica tridimensional capaz de estimular totalmente a visão humana, um ambiente acústico adequado, reação instantânea de todos os objetos sintéticos (internet tátil) e, por fim, uma representação convincente de todas essas coisas.

No entanto, o impressionante é que alguns desses objetos correspondem a contrapartes do mundo real. Esses "gêmeos digitais" são na verdade representações virtuais interativas de objetos e máquinas do mundo real que podem ser manipulados a partir do metamundo. A capacidade de operá-los a qualquer distância arbitrária da máquina tem consequências potencialmente de amplo alcance para a organização do trabalho. Os possíveis efeitos indiretos na sociedade incluem valorização das áreas rurais devido à menor necessidade de estar presente nos centros urbanos.

O que tudo isso tem a ver com o 6G? O poder computacional necessário para facilitar esse mundo artificial imersivo para cada usuário vai superar as capacidades dos óculos de RV – principalmente se os óculos de RV precisarem ser tão elegantes e discretos quanto os óculos normais. Será necessário um poder computacional externo, o que pode envolver um simples smartphone no bolso do usuário. Quando isso não for suficiente, a tarefa pode ser realizada em um computador próximo ou transferida para um servidor na nuvem (computação de borda, em névoa, na nuvem).

É aqui que entra a rede 6G. A transferência de grandes quantidades de dados para os óculos com resoluções de vídeo estéreo de pelo menos 8K requer capacidades de transferência de várias centenas de gigabits por segundo, além de tempos de trânsito de sinal de um décimo de milissegundo, para permitir reações naturais em tempo real. O padrão 5G não foi projetado para esse desempenho. O fornecimento inteligente de poder de computação para os vários serviços em 6G com base em inteligência artificial será outra tarefa da rede. Na verdade, a IA será onipresente na rede 6G.

KPIs técnicos do padrão 6G

Considerando as aplicações desafiadoras que o 6G abordará, todos os parâmetros importantes de desempenho da rede de radiocomunicação devem ser aprimorados em conjunto. Os seguintes indicadores de desempenho (KPI) estão em discussão para o 6G - os números correspondentes do 5G são exibidos para comparação:

Pioneirismo no domínio vertical

A cobertura de grandes áreas é um tema comum no mundo das comunicações sem fio. No 6G, no entanto, manchas brancas no mapa devem deixar de ser um problema. Pelo contrário, a comunicação sem fio de alto desempenho que oferece suporte à experiência imersiva poderá ser acessada em toda a superfície da Terra – incluindo regiões rurais e fora das áreas residenciais – e também na terceira dimensão. Essa visão inclui até o mundo subaquático. Onde quer que possam existir, humanos e máquinas devem estar acessíveis por meio de comunicações sem fio rápidas. Isso requer não apenas novas tecnologias, como transmissão subaquática de sinais ópticos, onde as ondas de rádio são absorvidas, mas também uma ampla infraestrutura em terra. Por exemplo, isso pode incluir frotas de satélites, plataformas voadoras, como dirigíveis e drones.

A verdadeira internet das coisas

O conceito de internet das coisas existe há um bom tempo. Agora está gradualmente tomando forma no mundo real também. Principalmente na indústria e no transporte, seu crescimento deve acelerar com a rede 5G. As aplicações na casa inteligente e na cidade inteligente também vão colaborar para isso. No entanto, mesmo assim ainda seria muito cedo considerar a conectividade global. Isso faz parte da visão 6G. Com base em sua configuração técnica e em sua capacidade, o 6G deve poder integrar um número arbitrário de dispositivos em todas as categorias imagináveis. Tudo o que desejamos ter contato ou que desempenha um papel em nossas vidas – abrangendo contextos privados, comerciais e públicos – é um possível candidato à conectividade. Por exemplo, pontes e rodovias. Qual é a sua condição atual? Quando elas precisam ser reparadas e onde? Sensores de radiocomunicação embutidos podem fornecer informações relevantes. As etiquetas RFID comumente usadas em lojas e logística só podem ser lidas a uma curta distância. Porém, se forem equipadas com sensores especiais e um alcance maior, elas podem ser usadas para monitorar a qualidade de alimentos e enviar relatórios importantes, por exemplo.

O exemplo mais recente envolve simultaneamente várias áreas de pesquisas atuais. Se um pequeno objeto móvel for monitorado para tirá-lo de circulação quando necessário, sua posição exata deve ser conhecida. Muitos outros aplicativos também exigem informações sobre a localização do parceiro de comunicação, pois em geral, os serviços 6G serão fornecidos localmente. Por razões técnicas, o 6G usará feixes de rádio direcionais altamente focados para direcionar a energia de rádio para estações remotas específicas. Desta forma, uma rede 6G incluirá uma rede de radiocomunicação e uma rede de sensores capazes de determinar a posição dos usuários de rádio com precisão de centímetros no espaço em 3D. As técnicas que devem ser usadas para este fim ainda estão sendo investigadas, mas a tecnologia de radar nos pontos de acesso é uma possibilidade.

Outro problema relacionado à implementação em massa de sensores de rádio é a questão de como fornecê-los com energia. A grande quantidade desses dispositivos e o grau de miniaturização inviabilizam a troca das células de potência. No entanto, como muitas aplicações são projetadas para uso de longo prazo, em alguns casos por muitos anos, os sensores devem ser capazes de fornecer sua própria energia. Dispositivo de energia zero e colheita de energia são termos relevantes aqui. Os sensores RFID modernos foram projetados para funcionar dessa maneira, mas recebem energia eletromagnética diretamente de um dispositivo leitor próximo. Os sensores 6G terão que deixar de lado essa conveniência e obter energia de fontes locais adequadas, como calor, luz ou movimento. Como muitos outros tópicos sobre o 6G, a pesquisa nessa área ainda está nos estágios iniciais. No entanto, os equipamentos de teste e medição da Rohde & Schwarz já estão nos ajudando a entender os padrões de consumo de energia dos dispositivos, viabilizando projetos de baixo consumo de energia.

O 6G não será apenas uma base inesgotável para a internet das coisas, mas também um novo tipo de internet. Assim como gostamos de chamar a internet convencional de rede das redes de computadores, será possível descrever o 6G como uma rede das redes de rádio. A estrutura monolítica das redes sem fio atuais dará lugar a uma paisagem de rede heterogênea em constante mudança ("rede orgânica"). Sub-redes comerciais, privadas e públicas de todos os portes serão interconectadas dessa maneira, desde as macrocélulas que existem hoje e fornecem cobertura de um quilômetro quadrado, até as células "atto" e "zepto", com cobertura de um cômodo ou veículo.

Para permitir que o processo de conexão de uma rede à estrutura geral seja automatizado, é desejável virtualizar o maior número possível de funções da rede. Isso envolve descrever as funções de maneira puramente abstrata – uma abordagem que foi usada em certa medida pela primeira vez no 5G. Os blocos de função da rede devem fornecer suporte a vários fornecedores quanto a essa linguagem abstrata e interpretá-la de acordo com o padrão. A Rohde & Schwarz participa da O-RAN Alliance, que promove a padronização e a interoperabilidade nesta área. A padronização mundial da tecnologia 6G, como ocorreu com as gerações anteriores, é muito importante.

Onde tudo é “ultra”

Ao esboçar seus cenários de 6G, os visionários da tecnologia se recusam a aceitar limites em sua imaginação. O céu é o limite. Enquanto o 5G utilizava apenas três grupos de aplicações (eMBB, mMTC e URLLC), a visão 6G envolve mais grupos – e até combinações de grupos. Para nomear suas criações, os especialistas gostam de usar superlativos. Uma regra simples é que todas as características de desempenho usam o prefixo “ultra”. À medida que a nomenclatura continua evoluindo e a padronização deve ocorrer somente no futuro, já existem artigos técnicos com termos como banda larga ultramóvel aprimorada (feUMBB), comunicações de baixa latência de detecção ultra-alta (uHSLLC), serviços de dados de densidade ultra-alta (uHDD), eficiência energética ultra-alta (uHEE), confiabilidade e detecção ultra-altas (uHRS), confiabilidade e experiência do usuário ultra-altas (uHRUx), confiabilidade e segurança de latência ultrabaixa (uLLRS), entre outros.

Uma pergunta óbvia é se o mundo da ficção científica que descrevemos aqui está realmente tão perto de se tornar realidade quanto seus arquitetos gostariam de sugerir. Isso depende dos pesquisadores, que teriam que atingir seus objetivos no prazo especificado para a fabricação em série dos produtos. Considerando o interesse mundial nesta tecnologia fundamental que é esperada para as próximas décadas e o alto financiamento disponível – sem mencionar o tamanho do mercado nem a dimensão política relevante – parece haver um forte compromisso e entusiasmo em relação ao 6G.

A corrida começou

Desde que a discussão inicial sobre o 6G começou há apenas alguns anos, iniciativas foram realizadas na indústria, nos institutos de pesquisa e no mundo político. Pesquisas foram iniciadas em todo o mundo, ao mesmo tempo em que foi concedida ajuda financeira e alianças foram forjadas. Os políticos entenderam que a capacidade de competir – sem falar na prosperidade econômica de países – pode estar baseada na participação igualitária no sistema 6G. Portanto, evitar a dependência é uma consideração fundamental. Por exemplo, o Japão e os Estados Unidos concordaram, no mais alto nível, em investir juntos US$ 4,5 bilhões em pesquisas sobre a rede 6G.

A Europa lançou o Hexa-X, o principal projeto de 6G. Organizações de nove países diferentes participam desse projeto. Atuando separadamente, o Ministério de Educação e Pesquisa da Alemanha concordou em fornecer o financiamento de 700 milhões de euros até 2025. Deste valor, 250 milhões serão direcionados a quatro centros de pesquisa nacionais, que já enviaram seus pedidos de financiamento para programas nos quais a Rohde & Schwarz também participa. A Coreia do Sul elaborou um plano ambicioso que envolverá testes iniciais em 2026. O país planeja investir cerca de US$ 195 milhões até lá. E a China? É claro que a China não planeja abrir mão da forte posição que conquistou com o 5G com a chegada da nova geração dessa tecnologia. O Ministério da Ciência e Tecnologia da China trabalha com outros ministérios e órgãos do governo para coordenar os recursos nacionais necessários e preparar o 6G para implementação o mais rápido possível.

Desde o início da era das comunicações sem fio digitais, a Rohde & Schwarz atua como uma parceira próxima da indústria e fornecedora líder de equipamentos de teste e medição. Os produtos e o conhecimento da empresa estão presentes em vários projetos de pesquisa 6G. O equipamento de medição necessário para 6G está sendo disponibilizado passo a passo.