حس ششم دیجیتال؛ برقراری ارتباطات و حس‌گری همزمان (JSAC) در 6G

اگرچه شمار قابل توجهی از اپراتورهای مخابراتی به تازگی فرآیند استقرار و بهره‌برداری از نسل پنجم شبکه موبایل (5G) را آغاز کرده‌اند و اپراتورهای پیشرو در پیاده‌سازی این فناوری نیز به دنبال توسعه کسب‌وکارهای مبتنی بر 5G و بازگشت سرمایه و کسب سود از آن هستند، تمرکز بر نسل ششم شبکه موبایل (6G) در قالب تحقیق و توسعه در نهادهای دانشگاهی و صنعتی در حال رشد است. نسل ششم نه تنها با رویکرد فنی، بلکه با اهداف مشخصی در حوزه پایداری محیط زیست، رشد اقتصادی و ایجاد تجربه‌های جدید برای کاربران در حال ظهور است. در این میان، حس‌گری مبتنی بر امواج رادیویی یکی از ابعاد انقلابی این فناوری است که قابلیت بازکردن مسیر تحول دیجیتال را در صنایع و کاربری‌های مختلف ایجاد نموده و جایگاه ویژه‌ای برای اپراتورهای مخابراتی ایجاد خواهد نمود. این مقاله به بررسی قابلیت برقراری ارتباطات و حس‌گری همزمان (JCAS)[1] و همچنین، موارد کاربردی آن پرداخته است.

فناوری 6Gچه برتری بر 5G خواهد داشت؟

برای درک چرایی نیاز به حس‌گری در شبکه‌های مخابراتی نسل آینده، نیاز است تا در ابتدا به این سوال پاسخ دهیم که: 6G چه برتری بر 5G خواهد داشت؟ در حالی که سیستم‌های نسل پنجم توسط بسیاری از اپراتورهای مخابراتی مستقر شده و نرخ داده بیشتر در کنار قابلیت اعتماد بالاتر و تأخیر کمتر را به کاربران نهایی و مشتریان صنعتی با نیازهای متفاوت ارائه می‌دهند، تمرکز بر 6G در قالب تحقیقات دانشگاهی و صنعتی در حال رشد است. از منظر کلان، «روند دائم پیشرفت فناوری»، «پایداری زیست‌محیطی و اجتماعی» و نیاز به «تجربه‌های جدید و ارتقاء یافته»، 3 محرک اصلی حرکت از 5G به 6G تلقی می‌شوند. پیشرفت فناوری تحت تأثیر عواملی نظیر ارتقاء مدارات RF[2]، فناوری‌های محاسباتی، هوش مصنوعی و یادگیری ماشین، مدیریت توان ارسالی و قابلیت‌های حس‌گری رادیویی است. دسترس‌پذیری اتصال بی‌سیم برای آحاد جامعه با هدف رشد اقتصادی پایدار و کاهش شکاف دیجیتال در کنار کاهش اثرات مخرب زیست‌محیطی عوامل تشکیل‌دهنده محرک‌های زیست‌محیطی و اجتماعی هستند و در حوزه تجربه‌های جدید نیز، دوقلوی دیجیتال و متاورس عوامل اصلی حرکت به 6G هستند.

ترکیب این روند با فناوری 5G منجر به ایجاد 6 بعد اصلی برای فناوری 6G خواهد شد که می‌توان آن‌ها را به دو گروه تقسیم کرد: گروه اول شامل سه بعد اتصال پهن‌باند نسل آینده، کنترل بلادرنگ[3]و دسترسی فراگیر[4]هستند که ناشی از ارتقاء تدریجی 5G محسوب می‌شوند. اما گروه دوم شامل پلتفرم‌ها و خدمات همه‌جانبه[5]، درک فضایی[6]و پایداری اجتماعی[7]می‌شوند که ابعاد انقلابی نسل ششم ارتباطات سیار را تشکیل می‌دهند (شکل 1).

ترجمه این ابعاد از نگاه فنی، قرارگیری ارتباطات تراهرتزی (و زیرتراهرتزی)، برقراری ارتباطات و حس‌گری همزمان (JCAS) ، بهره‌گیری از هوش مصنوعی و یادگیری ماشین و سطوح هوشمند قابل تنظیم (RIS)[8]به عنوان حوزه‌های اصلی تحقیق و توسعه سیستم‌های 6G است.

در این مقاله به موضوع درک فضایی سیستم‌های 6G به عنوان یکی از ابعاد انقلابی نسل آینده ارتباطات سیار پرداخته شده است. این بُعد از 6G در بسیاری از آثار پژوهشی و صنعتی با عنوان طراحی شبکه برای «برقراری ارتباطات و حس‌گری همزمان» مطرح شده است. این موضوع که توسط بازیگران بزرگ اکوسیستم تحقیق و توسعه مخابرات نظیر Nokia-Bell Labs، Rohde & Schwarz و Qualcommدنبال می‌شود، عملاً شبکه را به یک حس‌گر تبدیل می‌کند.

حس‌گری رادیویی چیست؟

حس‌گری رادیویی به معنای تشخیص وجود اشیاء، شکل ظاهری، مکان و سرعت حرکت آن‌ها با استفاده از سیگنال‌های رادیویی مبادله شده میان عناصر شبکه است. ترکیب سیگنال‌های حس‌گرها با دیگر انواع داده‌ها نظیر برچسب‌های مکان و خروجی دستگاه‌هایی مانند شتاب‌سنج، ژیروسکوپ و دوربین تأمین‌کننده نیازهای راه‌حل‌های مبتنی بر نسل ششم ارتباطات بی‌سیم خواهند بود.

البته در حال حاضر نیز، LTE[9] و 5G علاوه بر ارائه خدمات ارتباطی، امکاناتی برای موقعیت‌یابی فعال با پروتکل‌های استاندارد برای اتصال عناصر و دستگاه‌های شبکه به بخش «عملکرد مدیریت موقعیت‌یابی مرکزی»[10] با استفاده از پروتکل موقعیت‌یابی LTE (LPP)[11] یا پروتکل موقعیت‌یابی NR (NRPPA)[12] ارائه می‌دهند. البته، یکی از محدودیت‌های موجود در خصوص موقعیت‌یابی مبتنی بر LTE یا 5G، لزوم عملکرد مبتنی بر LTE یا 5G حس‌گرهاست. به بیان ساده‌تر، با فناوری‌های LTE و 5G تنها قادر به مکان‌یابی اجسامی خواهیم بود که دارای یک فرستنده-گیرنده مبتنی بر این فناوری‌ها هستند.

یک طرح اولیه سناریوی JCAS در شکل 3 نشان داده شده است؛ یک سیستم سلولی معمولاً با تداخل چند سلولی، مجهز به آنتن‌های آرایه‌ای، با قابلیت شکل‌دهی پرتو، که در آن آرایه‌ها هم برای حس‌گری و هم برای ارتباطات با تأخیر کم نرخ بالا برای چندین کاربر استفاده می‌شوند.

محرک‌های کلیدی و موارد استفاده JSAC

در ابتدای این بحث، بد نیست خاطرنشان شود که پیش از این نیز سیستم‌های راداری به طور گسترده در کاربردهای متعدد نظامی، هواپیمایی، خودرویی و مانند آن به کار گرفته شده‌اند. به طور مشابه، حس‌گرهای حرکت، دما، رطوبت، کیفیت هوا، مدیریت زباله، شتاب‌سنج‌ها، ژیروسکوپ‌ها و دوربین‌ها نیز به طور گسترده در کاربردهای تجاری استفاده می‌شوند؛ و برای برقراری و برای ارتباط متکی به شبکه تلفن همراه هستند. این در حالی است که تاکنون سیستم‌های موبایل در کاربردهای تجاری برای سنجش محیط با استفاده از تکنیک‌های راداری استفاده نشده‌اند. سیستم‌های سلولی پیش از 5G دارای پهنای باند سیگنال محدودی هستند و ایستگاه‌های پایه (BS) معمولاً در سلول‌هایی با وسعت بالا مستقر می‌شوند که این امر، دقت سنجش قابل دستیابی را محدود می‌کند. از سوی دیگر، معرفی سیستم‌های با پهنای باند گسترده‌تر در 5G همراه با استقرار سلول‌های کوچک متراکم، استفاده از این سیستم‌ها برای حس‌گری و مکان‌یابی را بسیار امیدوارکننده می‌سازد. طراحی رابط هوایی 5G با سازگاری آینده‌نگرانه، امکان معرفی ویژگی‌های حس‌گری و مکان‌یابی را در نسخه‌های بعدی، فراهم کرده است. همچنین، در حالی که موقعیت‌یابی مبتنی بر حس‌گرهای فعال مجهز به فرستنده-گیرنده‌های LTE یا 5G می‌توانند بخش قابل توجهی از نیازهای حس‌گری امروزی را برآورده کنند، اما هر شخص، کالا یا شیء همیشه یک دستگاه یا برچسب مبتنی بر LTE و 5G را حمل نمی‌کند. بنابراین، در نسل بعدی ارتباطات بی‌سیم (از نسخه‌های بعدی NR) نیاز به تکنیک‌های جدیدی خواهد بود که قابلیت‌های حس‌گری RF را به‌طور سیستماتیک به نحوی ادغام کنند که می‌تواند در محدوده وسیع جغرافیایی به مدد پوشش پیوسته سیستم‌های سلولی با تعداد زیاد و چگالی بالای ایستگاه‌های پایه (BSها) محقق شده و در واقع، هر BS به عنوان یک رادار کوتاه برد در نظر گرفته شود.

محرک‌های کلیدی از جنس (1) چالش در سیستم‌های کنونی و (2) فرصت‌های توسعه شبکه‌های مخابراتی، انتظار پشتیبانی از قابلیت‌های حس‌گری در قالب JCAS را در شبکه‌های 6G تقویت می‌کنند:

• استفاده کارآمدتر از طیف فرکانسی به عنوان یک منبع کمیاب برای حس‌گری و برقراری ارتباط به طور هم‌زمان بسیار مورد نیاز خواهد بود.
• با افزایش تراکم BSها در سیستم‌های سلولی 6G، پوشش رادیویی در همه جا و همه صنایع ایجاد خواهد شد. این چگالی استقرار، فرصت را برای فعال کردن قابلیت حس‌گری RF در یک منطقه وسیع با زیرساخت مشترک و استفاده مجدد از طیف فرکانسی فراهم می‌کند.
• پهنای باند سیگنال با ارتقاء نسل‌ها افزایش می‌یابد. LTE از حامل‌های 20 مگاهرتزی استفاده می‌کند. این در حالی است که 5G NR در فرکانس زیر 6 گیگاهرتز از پهنای باند 100 مگاهرتزی و در mmWave NR در پهنای باند 400 مگاهرتزی بهره‌برداری می‌شود. بنابراین، انتظار می‌رود سیستم‌های 6G پهنای باند بالاتری در حدود 1 گیگاهرتز یا بیشتر داشته باشند که امکان حس‌گری با وضوح بالا را فراهم می‌کند.
• ملاحظات حریم خصوصی سیگنال‌های RF در مقایسه با دوربین‌ها بسیار کمتر است و موضوع پذیرش فناوری و خدمات مبتنی بر آن با چالش‌های تنظیم‌گری بسیار کم‌تری مواجه خواهد بود.
• از حیث فنی نیز، استفاده از دوربین‌ها و سایر حس‌گرها در محیط‌های واقعی با گرد و غبار، آب و هوای بد یا نور ضعیف در شب دشوار است؛ این در حالی است که بسیاری از این موارد بر حس‌گری مبتنی بر RF بی‌تأثیر هستند.
• استقرار massive MIMO و تکنیک‌های پردازش فضایی که در حال حاضر از مؤلفه‌های کلیدی 5G نیز هستند، عملکرد حس‌گری رادیویی را به طور قابل‌توجهی ارتقاء می‌دهند.
• پیشرفت های اخیر در هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین (ML) راه را برای تبدیل شدن AI/ML به بخشی جدایی ناپذیر از طراحی سیستم‌های 6G هموار می‌کند.

بررسی موارد کاربری حس‌گری تحت شبکه و ملزومات تحقق آن

با مرور مقالات و پژوهش‌های صورت گرفته می‌توان دریافت که موارد کاربری حس‌گری و ملزومات آن در محیط‌های داخل ساختمانی[14] با استفاده از سیگنال‌های Wi-Fi به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. اما به نیازهای حس‌گری رادیویی در فضای باز و در محیط‌های صنعتی مانند کارخانه‌ها کمتر پاسخ داده شده است.

در این راستا، اگرچه 5G برای برآورده کردن الزامات ارتباط با تأخیر کم و با قابلیت اعتماد بسیار بالا (URLLC)[15]طراحی شده است و انتظار می‌رود که راه‌حل‌های مبتنی بر 5G به طور گسترده برای برآوردن هم‌زمان نیازمندی‌های صنایع در حوزه ارتباطی و مکان‌یابی مورد استفاده قرار گیرد، اما قابلیت مکان‌یابی و ردیابی دقیق اجسام غیرفعال – اجسامی که فرستنده‌ها و گیرنده‌های رادیویی در آن وجود ندارد – موضوع کلیدی است که از طریق حس‌گری رادیویی مبتنی بر 6G محقق خواهد شد. این در حالی است که الزامات دقت مورد نیاز و سرعت حرکت این اجسام نیز در طراحی سیستم‌های سلولی نسل آینده مد نظر قرار خواهند گرفت. چند نمونه از موارد استفاده در فضای باز با الزامات دقت مورد نیاز و سرعت حرکت در جدول 1 آورده شده است.

جدول 1- نمونه‌ای از ملزومات وضوح و سرعت مورد نیاز حس‌گری در ورتیکال‌های مختلف [3]

• نظارت بر ترافیک شامل تخمین تعداد خودروها و سرعت آن‌ها در یک بخش معین از جاده در یک دوره زمانی معین. در این کاربرد، دقت وضوح حس‌گری باید کوچک‌تر از اندازه وسیله نقلیه معمولی باشد و حداکثر سرعت برآورد شده باید از سرعت بزرگراه تجاوز کند.
• یک مثال کلاسیک از حس‌گری فضای باز، شناسایی نقاط پارک در خیابان‌های شلوغ است. وضوح مورد نیاز این کاربرد نیز باید کوچک‌تر از ابعاد معمولی خودرو باشد. علاوه بر این، نیاز به اطلاعات محلی دقیق برای عملیاتی نمودن این کاربرد نیز وجود دارد.
• تشخیص رسیدن وسیله نقلیه به تقاطع از دیگر موارد کابری مورد انتظار در نسل آینده حمل‌ونقل است که به دلیل عدم وجود خط دید مستقیم، برای سیستم‌های هوشمند حمل‌ونقل چالش‌برانگیز است. در این کاربری نیز، وضوح حس‌گری باید کوچک‌تر از ابعاد خودرو باشد.
• تشخیص عابران پیاده در حال عبور از خیابان‌ها از مواردی است که ایمنی عبور و مرور را برای عابران و رانندگان بهبود می‌بخشد. در این کاربری، جهت حرکت برای تشخیص اینکه کاربر در امتداد خیابان حرکت می‌کند یا در عرض خیابان بسیار مهم است. وضوح حس‌گری نیز باید با ابعاد بدن انسان قابل مقایسه باشد.

شمارش تعداد افراد در یک منطقه به وضوح حس‌گری بیشتری نیاز دارد تا بتوان تمایز بین افراد را با کسری از متر مشخص نمود.

سخن آخر

حس‌گری یکپارچه یکی از اهداف اصلی مورد انتظار در سیستم‌های 6G خواهد بود. در این راستا، برد، آستانه اطمینان و دقت حس‌گری در کنار تأخیر کم و متناسب با موارد کاربری مورد انتظار شاخص‌های عملکرد کلیدی (KPI)[16]تحقق این هدف خواهند بود. به همین جهت، چشم‌انداز رابط هوایی سیستم‌های ارتباطی 6G در راستای پاسخ به نیازمندی‌های صنعت به سوی پشتیبانی از قابلیت‌های URLLC تقویت شده متمایل خواهد شد.

مراجع

[1] Why and what you need to know about 6G in 2022, Qualcomm Research, 2022.

[2] 6G wireless technology; On the verge of 6G? Rohde & Schwarz official website.

[3] Joint design of communication and sensing for Beyond 5G and 6G systems, White Paper, Nokia Bell Labs, 2023.

پی‌نوشت‌ها

[1] Joint Communication and Sensing (JCAS)

[2] Radio Frequency

[3] Real-Time Control

[4] Pervasive Access

[5] Immersive Platforms and Services

[6] Spatial Perception

[7] Societal Sustainability

[8] Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS)

[9] Long-Term Evolution (LTE)

[10] central localization management function

[11] LTE Positioning Protocol (LPP)

[12] NR Positioning Protocol a (NRPPa)

[13] User Equipment (UE)

[14] Indoor

[15] Ultra Reliable and Low Latency Communications (URLLC)

[16] Key Performance Indicator (KPI)