טכניקות של שינוי-Generation Modulation עבור 6G Wireless Systems

האבולוציה מ-5G ל-6G מייצגת שינוי פרדיגמטי בתקשורת אלחוטית, במטרה לספק שיעורי נתונים טרהביט-שניים, עצלות תת-מיל שנייה, וקישוריות בכל מקום ליישומים כגון טלוויזיות הולוגרפית, תאומים דיגיטליים ומערכות אוטונומיות.בלב השינוי הזה נמצא אתגר הנדסי בסיסי: כיצד לקוד ולהעביר מידע אמין יותר על פני מהירויות הדבקה ודרישות חד-חמצני יותר ויותר, מעבר לשיטות אלחוטיות מרובות, או לשיטות אלה, אשר נשלטות (אונקמות) על פני גורמות לשיטות אלקטרו-ממדיות (או-או-או-ממדיות (או-ממדיות) ולעמודות יותר ויותר, אשר נשלטות יותר ויותר על-מחדשניות) על-ממדיות (או-מחדשניות) על-מחדשניות (או-או-או-ידי גורמות לשיטות אלחוטיות) על-ידי גורמות לשיטות אלחוטיות (או-מחדשניות) על-מחדשניות (D) על-מחדשניות (או-ידי שימוש בלתי צפויות, על-ידי שימושיות, על-ידי שימוש בלתי צפויות, על-ידי שימוש בלתי צפויות, על-ידי גורמות לשיטות אלחוטיות) על-ידי שימוש בלתי צפויות, על-

גישות מתפתחות אלה ממינוף מרחבי, זמני, ואת הממדים הקוונטיים של גלים אלקטרומגנטיים כדי להשיג יעילות ספקטרלית חסרת תקדים, יעילות אנרגיה וביטחון. מאמר זה בוחן את המועמדים למודולציה מפתח עבור 6G, עקרונות היסוד שלהם, יתרונות, אתגרים יישום, ואת הנוף המחקר אשר יקבע אילו טכניקות בסופו של דבר למצוא את דרכם לסטנדרטים.

הקרן: למה שינוי משנה יותר מאשר אי פעם ב-6G

Modulation הוא תהליך של שינוי אחד או יותר תכונות של גלפור תקופתי, הנקרא אות המוביל, עם אות מודולר המכיל את המידע להיות מועבר. בתקשורת אלחוטית, זה בדרך כלל אומר לשנות את האמפול, תדירות, או שלב של נושאת רדיו- ⁇ .הבחירה של תוכנית מודולציה משפיעה ישירות על שיעור נתונים, יעילות, צריכת חשמל, ועוצמה לרעש והתערבות.

מגבלות של שינוי האמנה ב- 6G Context

של DM, עמוד השדרה של 4G LTE ו- 5G NR, שימש את התעשייה היטב על ידי מתן התנגדות רב-פתטית חזקה ושוויון פשוט באמצעות תיקון מחזורי.עם זאת, המגבלות שלה הופכות חמורות בתדרים terahertz וקשקשים מסיבי MIMO חזו עבור 6G:

  • (FLT:0) גבוה יחס כוח עליון לממוצע (PARA): FLT:1 של אותות DM מציג תנודות אמפיריות גדולות אשר מפחיתות את יעילות המגבר, בעיה קריטית עבור מכשירים מאומנים סוללות ו מ"מ-Wave/THz .
  • (FLT:0) יעילות מרכזית בלהקות:FLT ( 1 Guards) ו-Crefixes אופניים צורכים מעל פני השטח, שהופכים לאיסור כמו רוחב פס המשתרע למגוון רב של ג'יגההרץ.
  • (FLT:0) רגישות לרעש שלב ולתדירות של רעשים: אנדרט 1:1 כאשר תדרי נושא עוברים לתוך הלהקה תת-THz, אוסטרלטור חוסר יציבות של DM אוthogonality.
  • (FLT:0) גמישות עבור שירותים הטרוגניים: אנדרופט (ALT) 1 של DM קבוע ספאקר לא יכול לייעל במקביל עבור תעבורת eMBB גבוהה ו- אולטרה-מישירה נמוכה.

מגבלות אלה מניעות את חקר ארכיטקטורות שונות באופן יסודי, שיכולות לפעול ביעילות בתנאים הקיצוניים 6G חייבות לתמוך.

מועמדים לשינוי מפתח עבור 6G מערכות

כמה משפחות של טכניקות מודולציה נמצאות תחת חקירה פעילה על ידי קבוצות מחקר אקדמיות ותעשייתיות ברחבי העולם, בעוד שאף תוכנית אחת לא תוכל לשלוט בכל פריסות 6G, כל אחת מציעה יתרונות ברורים עבור מקרים ספציפיים של שימוש ולהקות תדר.

מדד ה-IM (IM)

Modulation Index הוא סוג של טכניקות כי קודמו פיסות מידע נוספות על ידי הפעלת subset של משאבי שידור זמינים, כגון אנאנטנות, תת-קרר, חריצים זמן, או קודים מתפשטים.האינדיקציות של המשאבים הפעילים לשאת את המידע, תוספת של מודולציה סמל קונבנציונלי. לדוגמה, במודולציה מרחבית (צורה של IM עבור מערכות MIMO), רק אחד מועבר בכל זמן, 000), שבו ניתן שימוש באנטנות (N2t) שימוש באינדקס.

(ב) ויקרא י"ד:

  • באופן בלתי צפוי נמוך יותר PAPR בהשוואה ל-DM, שכן רק תת-קבוצה של תת-קרירים או אנטנה הם פעילים, צמצום תנודות המעטפות.
  • יעילות אנרגיה: הפעלת פחות משאבים מפחיתה את העברת כוח וסימולציות דרישות שרשרת RF.
  • יתרונות ספציפיים: ביטים אינדקס מגיעים "לחינם" ללא צורך רוחב פס נוסף או כוח, שיפור השימוש ב bits-per-channel.
  • ידידותי למוקש עבור MIMO מסיבי: מודולציה ספארי מפחית התערבות בין ערוצים ואת הצורך בקידוד מורכב.

(FLT:0)Challenges: FLT 1 Index Modulation סובל ממורכבות זיהוי ב המקלט, במיוחד כאשר מספר המשאבים הפעילים גדל.מאזני זיהוי הגדלים באופן מקסימלי, הדורש אלגוריתמים נמוכים כמעט-אופטימיים.

ההתקדמות האחרונה בגילוי מבוסס למידה עמוקה, כגון רשתות עצביות עמוקות (DNN) מסווגים מאומן למפות קיבלו אותות לתביעות משאבים פעיל, הראו הבטחה לסגור את הפער לביצועים אופטימליים עם מורכבות ניהולית.מחקר ממשיך על גרסאות כולל מודולציה מרחבית כללית, מודולציה מרחבית quadrature, ו- orthogonal time- ⁇ - ⁇ space (OTS) בשילוב עם מדד לתרחישים גבוהים.

Orbital Angular Momentum (OAM) Multiplexing

מומנטום אורביטל angular מנצל את מבנה השלב המרחבי של גלים אלקטרומגנטיים כדי ליצור ערוצי נתונים אורטוקונים על אותו תדירות.גל אלקטרומגנטי הנושא את OAM יש חזית שלב הלייקאלי המאופיינת על ידי מטען טופולוגי לאטרגר, l. Waves עם ערכים שונים של l הם אוטגוניים וניתן להעביר בו זמנית ללא הפרעה, ביעילות מכפילה את היכולת במרחב ללא צורך רוחב פס נוסף.

(ב) ויקרא י"ד:

  • יעילות ספקטרלית גבוהה במיוחד: OAM מאפשר באופן תיאורטי מספר לא ממומש של מצבי אורטוקונים, מוגבל רק על ידי גדלים מעשיים ויחס אות-לא-מס.
  • תאימות עם להקות מ"מ ו- THz: תנאי הפרדה מרחביים של OAM מאורך הגל הקצר יותר ורווחי מערך גדולים יותר זמינים בתדרים גבוהים יותר.
  • אבטחה בלתי פוסקת: זיהוי מצב OAM דורש מקלטים רגישים בשלב מיוחד, מה שהופך את הקשה ללא הישור מדויק.

(FLT:0)Challenges: FLT:1 OAM מרובותxing דורש היערכות מדויקת בין משדר למקבל, כמו כל גורם לא נכון לחצות את הגבול בין-מודד. aאטמוספירה turbulence in קישורים חיצוניים גם מעוות חזיתות שלב, באופן רציני מרתיע אוטגוניות בשלב זה, יתר על כן, יצירת וזיהוי של אנטנות גבוהה של OAMs דורשות מתוחכמות כגון שלב ספירלי, או ספירלה, הן מורכבות, הן מורכבות, עם ספקטרום פתוח, עם מורכבות, הן מורכבות, עם ספקטרום פתוח, עם ספקטרום רחב יותר, או נוסחאות מורכבות, עם נוסחאות מורכבות, עם נוסחאות מורכבות, כולל, כולל, עם נוסחאות מורכבות, או גלקסיות מורכבות, עם גלקסיות מורכבות, עם נוסחאות מתמטיות, או נוסחאות מורכבות, או נוסחאות מורכבות, או גלקסיות מורכבות, גלקסיות מחקר פתוח.

למרות המכשולים האלה, OAM הוכחה באופן ניסיוני ב-28 GHz ו 60 GHz עם שיעורי נתונים מעל 100 Gbps, ומאמצים הם להמשיך לשלב OAM עם עיבוד MIMO קונבנציונלי כדי ליצור ארכיטקטורות היברידית המנצלת את שני הזנים מרחביים ואת מגוון מצב OAM.

גישה לא-אורטוקונלית (NOMA) עם שינוי מתקדם

גישה לא-orthogonal היא טכניקת גישה מרובות המאפשרת למשתמשים מרובים לשתף את אותו משאב זמן- ⁇ על ידי הבחנה אותות שלהם באמצעות דומיין כוח או מספרי קוד מספרxing. in Power-domain NOMA, משתמשים מוקצה רמות כוח שונות, ואת המקלט משתמש ביטול התערבות מוצלחת (SIC) כדי לפענח אותות על מנת להפחית את הכוח. כאשר בשילוב עם תוכניות מתקדמות כגון noulation או התאמה, במיוחד תרחישים של מערכת ההפעלה.

(ב) ויקרא י"ד:

  • קישוריות מסיבית: NOMA תומך במספר גדול יותר של משתמשים בו-זמנית בהשוואה לגישה מרובה אוטוקונים (OMA), קריטי עבור רשתות IoT וחיישנים מסיביות.
  • ירידות: משתמשים עם תנאי ערוץ עניים מקבלים הקצאת חשמל גבוהה יותר ועדיין יכולים להשיג שיעורים מקובלים ללא משתמשים בעלי סיכון גבוה יותר.
  • תאימות עם גלי מילימטר ו MIMO מסיבי: NOMA ניתן לשכב על גבי beamforming ורבקסing מרחבי כדי להשיג שיתוף משאבים תלת מימדי.

(FLT:0)Challenges: FLT:1 מורכבות SIC גדל עם מספר המשתמשים, והתאמה שגיאה בתהליך ביטול יכולה להגביל את הביצועים. אופטימיזציה של כוח הוא בעיה לא-convex כי הופך אינטנסיבי מבחינה חישובית ברשתות צפופות.בנוסף, NOMA דורש מידע מדויק של מצב ערוץ על מנת לקבוע רמות כוח, אשר הוא קשה בסביבות רב-תרבותיות גבוהה.

הצעות אחרונות משלבות את NOMA עם שיעור תפוצה של גישה מרובות (RSMA), שבו הודעות מחולקות לחלקים משותפים ופרטיים, כדי לשפר את החוסן לשגיאות הערכת ערוצים.הקצאת כוח מבוססת למידה, באמצעות סוכני למידה חיזוק המאומנים למקסם את הסכום תוך אכיפת מגבלות ההוגנות, הראו הישגים משמעותיים על אסטרטגיות הקצאת כוח שבריריות מסורתיות.

המונחים:

Modulation קוונטי חוקר את השימוש של מצבים קוונטיים של אור, כגון קיטוב פוטושופ, שלב, או זמן-bin ⁇ , לשאת מידע.בניגוד למודולציה קלאסית, אשר מניפולציה תכונות מאקרוסקופיות של גלים אלקטרומגנטיים, מודולו הקוונטי פועל ברמה של מדינות קוונטיות בודדות, המציע ביטחון טבועה באמצעות עקרונות מכניקת הקוונטים.

(ב) ויקרא י"ד:

  • אבטחת מידע-תיאורטית: קוונטין מודולציה מספקת ערבויות אבטחה שאינן אפשריות עם הצפנה קלאסית, אפילו נגד יריבים ללא מטרות חישוביות.
  • יכולת גבוהה עקרונית: קונדום סופר-חושי יכול לשדר עד שתי נקודות קלאסיות ל-qubit, וחיבור מחוספס על ידי סבך יכול להשיג רווחים על פני ערוצים קלאסיים.
  • תאימות עם סיבים ואופטיקה חופשית של חלל: ניתן לשלב את המודולציה הקוונטית עם תשתיות פוטוניות קיימות לרשתות קלאסיות-קונטיות היברידיות.

(FLT:0)Challenges: FLT:1 קוונטית מודולציה ניצבת מכשולים מעשיים עצומים עבור פריסת 6G אלחוטית. מקורות צילום יחיד גלאי דורשים קירור Cryogenic או טכנולוגיות nanowire מתוחכמת כי הם רחוק מכיתת צרכנים. Decoherence והפסד באווירה או באמצעות מכשולים טווח חמור ושיעורי נתונים.

בעוד שמודולציה קוונטית טהורה עבור אלחוטית נטויה היא כנראה עשרות שנים משם, גישות היברידיות המשלבות מודולציה קלאסית ו קוונטית על אותו נושא נחקרים.לדוגמה, מודולציה קוונטית מתמשכת משתמשת במדינות קוהרנטיות וגילוי הומוודין, המנצלים רכיבי אופטיים ו RF קיימים, המאפשרים פוטנציאל כמעט לטווח קצר אבטחה עבור קישורים אחוריים או גישה אלחוטית קבועה.

ניתוח השוואתי של המועמדים לשינוי

Technique Primary Benefit Primary Challenge Best Suited For
Index Modulation Energy efficiency, low PAPR Detection complexity Massive MIMO, IoT, mmWave
OAM Multiplexing Ultra-high spectral efficiency Alignment, turbulence sensitivity Fixed line-of-sight, backhaul
NOMA + Advanced Modulation Massive connectivity, fairness SIC complexity, CSI accuracy Dense urban, massive IoT
Quantum Modulation Unconditional security Hardware, range, rate Security-sensitive fixed links

אף טכניקה אחת היא panacea. Practical 6G מערכות סביר להניח להעסיק מסגרת מודולציה היברידית, מחדש, שנבחרה בין גישות אלה בהתבסס על תדירות הלהקה, תרחיש פריסה, דרישות שירות.לדוגמה, תחנת בסיס עשויה להשתמש OAM מרובותxing עבור קישורים backhaul, indexulation עבור IoT מסיבי למטהlink, ו- NOMA-enhd של MD משופר עבור פס רחב.

טכנולוגיות ל-Generation Modulation

הכדאיות של תוכניות מודולציה מתקדמות אלה תלויה התקדמות במספר תחומים טכנולוגיים תומכים:

משטחים חכמים (RIS)

RIS הם מנגנונים פסיביים או סמי-סגנית של אלמנטים הניתנים לתוכנה שיכולים לשלוט באופן דינמי את ההשתקפות, הנקמה או הקליטה של גלי אלקטרומגנטיים מקריים. על ידי התאמה בקפידה של שינויים שלב מעבר פני השטח, RIS יכול ליצור מסלולים וירטואליים של נתיבי ראייה, ביטול, או אפילו ליצור מצבי OAM. יכולת זו היא בעלת ערך במיוחד עבור שיטות מדידה ומערכות OAM, אשר תלויות מדויק על בקרת המרחב.

ערוץ מתקדם Coding and Modulation

Modulation וקידוד הם יותר ויותר בלתי נפרדים.טכניקות כמו bit-intersideted Modulation עם קידוד heerative decoding (BICM-ID) ומודולציה מקולקת מורחבות לעבוד עם קבוצות IM ו- OAM. Machine למידה משותפת coding ומודולציה, שבו רשתות עצביות ישירות ממפות מידע על דגימות גלפורות, הוא כיוון מתפתח המבטיח לייעל ביצועים ללא צורות קבוצתיות.

מהפכת RF ו- RF Front-End Evolution

טכניקות רבות של מודולציה הדור הבא מציבות דרישות קיצוניות על חומרת RF.OAM דורשות מערכי שלב עם שליטה מהירה בשלב; קוונטית Modulation דורש גלאי צילום יחיד.קדמה ב CMOS במערךים ממולאים ב mmWave ו תדרי T, כמו גם התקדמות ב- Superconducting ננוwire-Photons (SNSPDs) לתקשורת כמעט-infrared, הם בהדרגה בין סוללת סיליקון לפלטפורמות מורכבות.

ממשק אווירי AI-Native Air Interface

אינטליגנציה מלאכותית מוטבעת לתוך השכבה הפיזית כדי לאפשר בחירת מודולציה הסתגלות, הערכת ערוץ, וזיהוי אותות.מודלים למידה עמוקה יכולים ללמוד את תוכנית המודולציה האופטימלית עבור תנאי ערוץ נוכחיים, מעבר בין DM, IM, OAM, ו- NOMA מודs על בסיס חד-חבילה. Reinforcement Learning סוכנים יכולים לייעל באופן קבוע הקצאת כוח, משאבים פעילים, וניתן ליצור קשר במערכות OAM ללא סטנדרטים מתמטיים.

מחקר וסטנדרט Outlook

ארגונים בינלאומיים כולל איגוד התקשורת הבינלאומי (ITU), פרויקט השותפות של הדור השלישי (3GPP), ו- IEEE מתחילים להגדיר דרישות 6G וטכנולוגיות מועמדות. מסגרת ITU-2030 של ITU מזהה תרחישים של שימוש 6G כולל תקשורת immersive, תקשורת היפר-reliable ונמוכת, וקישוריות בכל מקום, אשר דורשות שינוי מתקדם מעבר 5G.

יוזמות מחקר גדולות כגון פרויקט ה-Hxa-X האירופי, ה-G Alliance הבא בצפון אמריקה, ו- IMT-2030 של סין (6G) קידום הקבוצה חוקרות באופן פעיל טכניקות מודולציה. A 2023 Review Magazine של IEEE Communications מספק מספר מקיף של מועמדים ל- 6G והופעתם תחת מודלים מציאותיים של ערוצים.

סטנדרטיזציה של ממשק אוויר 6G צפוי להתחיל בסביבות 2027 ב 3GPP לשחרר 21 או 22, עם פריסות מסחריות הצפויות ל- 2030.מודולציה טכניקות שמוכיחות יתרונות ברורים בניסויים מעבדה, בדיקות שדה, וחסכוניות יוערכו להכללה.סביר להניח ש-6G יתקן פורמטים מודולציה מרובים, אולי אפילו "גלופורמולת גל" חד-משמעית שיכולה בין DM, ו-AM, בהתאם לתבניות מדידה.

מסקנה

טכניקות של מודולציה הדור הבא הן הגיבורים הלא-מעורבים של 6G, המאפשרות את הקפיצה ביצועים קיצוניים משיעור הנתונים של 5G של ג'יגהביט-פר-שני לשני הצדדים לחזון של 2030 ומעבר.מודולציה מציעה יעילות אנרגיה ושפל של הרש"פ עבור קישוריות מסיבית; OAM מרובותxing פותח את הממד המרחבי עבור צפיפות ספקטרום חסר תקדים; לא משולב עם מודולציה מתקדמת מאפשר גישה קוונטית ורמתית לטווח ארוך;

כל טכניקה נושאת אתגרים טכניים משמעותיים, מגילוי מורכבות ועד לסובלנות לחומרה ועד רגישות סביבתית.הדרך קדימה תלויה התקדמות בו זמנית בטכנולוגיות כגון משטחים חכמים, ממשקי אוויר של בינה מלאכותית, ומוליכים למחצה מתקדמים וחומרה פוטונית.

הנוף של המודולציה 6G אינו טכניקה אחת, אלא ערכת כלים של אפשרויות, להיות נבחר בשילוב על בסיס דרישות של יישומים ספציפיים, להקות תדר ותרחישים פריסה. כמו תהליך סטנדרטיזציה מאיץ, ההחלטות שהתקבלו על ידי התעשייה וגופים תקנים יעצבו את הבד האלחוטי של העשור הבא. הבטחת 6G היא עצומה, ואת הטכניקות מודולציה כי לשאת אותות שלה יהיה הבסיס שעליו הבטחה בנויה.