A Prospective Look: Key Enabling Technologies, Applications and Open Research Topics in 6G Networks

Abstract

Les réseaux mobiles de cinquième génération (5G) sont envisagés pour permettre une pléthore de percées dans les technologies sans fil, offrant la prise en charge d'un ensemble diversifié de services sur une seule plate-forme. Alors que le déploiement des systèmes 5G s'étend à l'échelle mondiale, il est temps de regarder au-delà des systèmes 5G. Cela est principalement dû aux tendances sociétales émergentes, qui nécessitent des systèmes entièrement automatisés et des services intelligents soutenus par une réalité étendue et des communications haptiques. Pour répondre aux exigences strictes de leurs applications potentielles, qui sont axées sur les données et définies par une connectivité sans fil extrêmement faible en latence, ultra-fiable, rapide et transparente, les initiatives de recherche se concentrent actuellement sur une feuille de route progressive vers les réseaux de sixième génération (6G), qui devraient apporter des changements transformateurs à cette prémisse. Dans cet article, nous mettons en lumière certaines des principales technologies habilitantes pour la 6G, qui devraient révolutionner les architectures fondamentales des réseaux cellulaires et fournir de multiples services homogènes basés sur l'intelligence artificielle, notamment les communications distribuées, le contrôle, l'informatique, la détection et l'énergie, de son cœur à ses nœuds finaux. En particulier, le présent document vise à répondre à plusieurs questions liées au cadre 6G : Quels sont les moteurs du développement de la 6G ? En quoi les technologies habilitantes de la 6G différeront-elles de celles de la 5G ? Quels types d'applications et d'interactions prendront-ils en charge qui ne seraient pas pris en charge par la 5G ? Nous répondons à ces questions en présentant une étude complète de la vision 6G et en décrivant sept de ses technologies perturbatrices, à savoir les communications mmWave, les communications térahertz, les communications optiques sans fil, les métasurfaces programmables, les communications basées sur les drones, les communications rétrodiffusées et l'Internet tactile, ainsi que leurs applications potentielles. Ensuite, en tirant parti de la littérature de pointe étudiée pour chaque technologie, nous discutons des exigences associées, des principaux défis et des problèmes de recherche ouverts. Ces discussions sont ensuite utilisées pour ouvrir l'horizon des futures orientations de recherche.Se prevé que las redes móviles de quinta generación (5G) permitan una gran cantidad de avances innovadores en tecnologías inalámbricas, brindando soporte a un conjunto diverso de servicios en una sola plataforma. Si bien el despliegue de sistemas 5G se está ampliando a nivel mundial, es hora de mirar más allá de los sistemas 5G. Esto se debe principalmente a las tendencias sociales emergentes, que exigen sistemas totalmente automatizados y servicios inteligentes respaldados por la realidad extendida y las comunicaciones hápticas. Para adaptarse a los estrictos requisitos de sus posibles aplicaciones, que se basan en datos y se definen por una conectividad inalámbrica extremadamente baja latencia, ultra confiable, rápida y sin interrupciones, las iniciativas de investigación se centran actualmente en una hoja de ruta progresiva hacia las redes de sexta generación (6G), que se espera que traigan cambios transformadores a esta premisa. En este artículo, arrojamos luz sobre algunas de las principales tecnologías habilitadoras para 6G, que se espera que revolucionen las arquitecturas fundamentales de las redes celulares y proporcionen múltiples servicios homogéneos potenciados por inteligencia artificial, incluidas las comunicaciones distribuidas, el control, la computación, la detección y la energía, desde su núcleo hasta sus nodos finales. En particular, el presente documento tiene como objetivo responder a varias preguntas relacionadas con el marco 6G: ¿Cuáles son las fuerzas impulsoras para el desarrollo de 6G? ¿En qué se diferenciarán las tecnologías habilitadoras de 6G de las de 5G? ¿Qué tipo de aplicaciones e interacciones admitirán que no serían compatibles con 5G? Abordamos estas preguntas presentando un estudio exhaustivo de la visión 6G y describiendo siete de sus tecnologías disruptivas, es decir, comunicaciones de ondas milimétricas, comunicaciones de terahercios, comunicaciones ópticas inalámbricas, metasuperficies programables, comunicaciones basadas en drones, comunicaciones de retrodispersión e Internet táctil, así como sus posibles aplicaciones. Luego, aprovechando la literatura de vanguardia encuestada para cada tecnología, discutimos los requisitos asociados, los desafíos clave y los problemas de investigación abiertos. Estas discusiones se utilizan a partir de entonces para abrir el horizonte para futuras direcciones de investigación.The fifth generation (5G) mobile networks are envisaged to enable a plethora of breakthrough advancements in wireless technologies, providing support of a diverse set of services over a single platform. While the deployment of 5G systems is scaling up globally, it is time to look ahead for beyond 5G systems. This is mainly driven by the emerging societal trends, calling for fully automated systems and intelligent services supported by extended reality and haptics communications. To accommodate the stringent requirements of their prospective applications, which are data-driven and defined by extremely low-latency, ultra-reliable, fast and seamless wireless connectivity, research initiatives are currently focusing on a progressive roadmap towards the sixth generation (6G) networks, which are expected to bring transformative changes to this premise. In this article, we shed light on some of the major enabling technologies for 6G, which are expected to revolutionize the fundamental architectures of cellular networks and provide multiple homogeneous artificial intelligence-empowered services, including distributed communications, control, computing, sensing, and energy, from its core to its end nodes. In particular, the present paper aims to answer several 6G framework related questions: What are the driving forces for the development of 6G? How will the enabling technologies of 6G differ from those in 5G? What kind of applications and interactions will they support which would not be supported by 5G? We address these questions by presenting a comprehensive study of the 6G vision and outlining seven of its disruptive technologies, i.e., mmWave communications, terahertz communications, optical wireless communications, programmable metasurfaces, drone-based communications, backscatter communications and tactile internet, as well as their potential applications. Then, by leveraging the state-of-the-art literature surveyed for each technology, we discuss the associated requirements, key challenges, and open research problems. These discussions are thereafter used to open up the horizon for future research directions.من المتوقع أن تتيح شبكات الهاتف المحمول من الجيل الخامس (5G) عددًا كبيرًا من التطورات المتقدمة في التقنيات اللاسلكية، مما يوفر دعمًا لمجموعة متنوعة من الخدمات عبر منصة واحدة. في حين أن نشر أنظمة 5G يتوسع عالميًا، فقد حان الوقت للتطلع إلى ما وراء أنظمة 5G. ويرجع ذلك أساسًا إلى الاتجاهات المجتمعية الناشئة، التي تدعو إلى أنظمة مؤتمتة بالكامل وخدمات ذكية مدعومة باتصالات الواقع واللمسات الموسعة. لاستيعاب المتطلبات الصارمة لتطبيقاتها المحتملة، والتي تعتمد على البيانات ويتم تحديدها من خلال اتصال لاسلكي منخفض للغاية وموثوق به للغاية وسريع وسلس، تركز المبادرات البحثية حاليًا على خارطة طريق تقدمية نحو شبكات الجيل السادس (6G)، والتي من المتوقع أن تحدث تغييرات تحويلية في هذه الفرضية. في هذه المقالة، نسلط الضوء على بعض التقنيات التمكينية الرئيسية للجيل السادس، والتي من المتوقع أن تحدث ثورة في البنى الأساسية للشبكات الخلوية وتوفر خدمات متعددة متجانسة مدعومة بالذكاء الاصطناعي، بما في ذلك الاتصالات الموزعة والتحكم والحوسبة والاستشعار والطاقة، من جوهرها إلى العقد النهائية. على وجه الخصوص، تهدف هذه الورقة إلى الإجابة على العديد من الأسئلة المتعلقة بإطار الجيل السادس: ما هي القوى الدافعة لتطوير الجيل السادس ؟ كيف ستختلف التقنيات التمكينية للجيل السادس عن تلك الموجودة في الجيل الخامس ؟ ما نوع التطبيقات والتفاعلات التي سيدعمونها والتي لن تدعمها 5G ؟ نتناول هذه الأسئلة من خلال تقديم دراسة شاملة لرؤية الجيل السادس وتحديد سبعة من تقنياتها التخريبية، أي اتصالات mmWave، واتصالات تيراهرتز، والاتصالات اللاسلكية البصرية، والواجهات الفوقية القابلة للبرمجة، والاتصالات القائمة على الطائرات بدون طيار، والاتصالات المبعثرة للخلف والإنترنت اللمسي، بالإضافة إلى تطبيقاتها المحتملة. ثم، من خلال الاستفادة من أحدث الأدبيات التي تم استطلاعها لكل تقنية، نناقش المتطلبات المرتبطة بها والتحديات الرئيسية ومشاكل البحث المفتوحة. تُستخدم هذه المناقشات بعد ذلك لفتح الأفق لاتجاهات البحث المستقبلية.