Το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ μόνο το 2021 χρηματοδότησε με 6 εκατομμύρια $ έργα για να καταδείξουν πώς η προηγμένη ασύρματη σύνδεση θα ωφελήσει τη βασική επιστημονική έρευνα. Και αυτό γιατί τα δίκτυα 5G και μετά έχουν τη δυνατότητα να επηρεάσουν όλους τους τομείς της επιστημονικής έρευνας και να φέρουν επανάσταση στις εθνικές ερευνητικές υποδομές.
Πιο συγκεκριμένα, τα δίκτυα 5GB υπερτερούν του 4G σε μετρικές που αφορούν την επίδοση κατά τη μεταφορά δεδομένων, συμπεριλαμβανομένης της ταχύτητας επικοινωνίας (δεδομένα ανά δευτερόλεπτο), της καθυστέρησης, της αξιοπιστίας και της συνδεσιμότητας (ο αριθμός των υποστηριζόμενων συσκευών). Μεταξύ άλλων, μπορούν να μεταδώσουν έως και 100 φορές περισσότερα δεδομένα ασύρματα με καθυστερήσεις μόνο χιλιοστών του δευτερολέπτου, πετυχαίνοντας ισάξια επίδοση με τις ενσύρματες τεχνολογίες δικτύωσης. Επίσης, μπορούν να υποστηρίξουν περίπου 100 φορές περισσότερες συσκευές σε μια δεδομένη περιοχή.
«Το 5G προσφέρει τρεις διαφορετικές κλάσεις υπηρεσιών, τις: enhanced Mobile Broadband (eMBB), ultra reliable low latency communications (URLLC) και massive Machine Type Communications (mMTC)», εξηγεί ο Καθηγητής Ψηφιακών Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων στο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών και Διευθυντής του Εργαστηρίου Τηλεπικοινωνιακών Συστημάτων και Δικτύων του ΑΠΘ και συνεχίζει: «Η υπηρεσία eMBB επιτρέπει εξαιρετικά μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Μια πολύ ενδιαφέρουσα εφαρμογή αυτής της υπηρεσίας είναι η 5G Fixed Wireless Access, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως οικονομική εναλλακτική της οπτικής ίνας προσφέροντας ασύρματη ευρυζωνική σύνδεση υψηλών ταχυτήτων (συνήθως μεγαλύτερων από αυτών που προσφέρει η ίνα) σε τελικούς χρήστες, χωρίς να χρειάζονται ειδικές εργασίες στην περιοχή ή την οικία του τελικού χρήστη. Αντίστοιχα, η υπηρεσία URLLC επιτρέπει την υλοποίηση καινοτόμων εφαρμογών που απαιτούν επικοινωνία μεγάλης αξιοπιστίας και πολύ μικρής καθυστέρησης, όπως π.χ. τη διασύνδεση αυτοκινήτων, μη επανδρωμένων αεροσκαφών και ρομποτικών συστημάτων. Τέλος, η υπηρεσία mMTC καθιστά δυνατή τη συχνή και αυτοματοποιημένη εξ’ αποστάσεως λήψη μετρήσεων από ένα πολύ μεγάλο πλήθος συσκευών, π.χ., αισθητήρες και έξυπνους μετρητές ηλεκτρικής ενεργείας. Μεταξύ άλλων η σχετική έρευνα αποσκοπεί στην επίτευξη κάλυψης πολύ μεγάλης ακτίνας και ενεργειακής αυτονομίας των αισθητήρων».
Τα παραπάνω σημαίνουν ότι τα 5GB μπορούν να υποστηρίξουν και να επιταχύνουν την έρευνα σε πεδία που βασίζονται στη έγκαιρη διάθεση και επεξεργασία δεδομένων, όπως η τεχνητή νοημοσύνη, ο αυτοματισμός και η κβαντική επιστήμη των πληροφοριών, όπου υστερεί το 4G. Οι επιστήμονες ενδιαφέρονται να χρησιμοποιήσουν αυτές τις δυνατότητες για την ενοποίηση των τηλεπικοινωνιακών και υπολογιστικών δικτύων τόσο στο εργαστήριο όσο και σε πραγματικές εφαρμογές.
Περισσότεροι υπολογισμοί με πιο «έξυπνες» και ευέλικτες συσκευές πρώτης γραμμής
Οι ασύρματες συσκευές που συλλέγουν δεδομένα, όπως αισθητήρες ή drones, βρίσκονται στην «άκρη» (edge) του digital continuum ή αλλιώς μιας σειράς συνδεδεμένων ηλεκτρονικών συσκευών που μπορεί να ξεκινούν από μικρές συσκευές και να φτάνουν σε μεγάλα κέντρα αποθήκευσης και επεξεργασίας δεδομένων. Αυτές οι συσκευές είναι συνήθως προγραμματισμένες να εκτελούν μια συγκεκριμένη εργασία, είτε στέλνοντας πληροφορίες είτε λαμβάνοντας οδηγίες από έναν κεντρικό υπολογιστή. Ωστόσο, το 5G θα μπορούσε να διευκολύνει περισσότερους υπολογισμούς, καθιστώντας αυτές τις συσκευές πρώτης γραμμής πιο έξυπνες και πιο ευέλικτες.
Για παράδειγμα, το 5G μπορεί να υποστηρίξει έναν τεράστιο αριθμό ασύρματων συσκευών που αλληλεπιδρούν με προγράμματα τεχνητής νοημοσύνης, όπως π.χ. αυτόνομα οχήματα που κυκλοφορούν σε ώρες αιχμής. Σε εργαστήρια και βιομηχανικά περιβάλλοντα, τα ρομπότ θα μπορούσαν να αποσυνδεθούν από τα καλώδια και να γίνουν πιο ευέλικτα, εκτελώντας όλο και πιο περίπλοκες κινήσεις και εργασίες. Σε μεγάλες επιστημονικές εγκαταστάσεις, όπως πηγές φωτός και επιταχυντές σωματιδίων, τα μεμονωμένα πειράματα μπορεί να βελτιστοποιηθούν αυτόνομα σε πραγματικό χρόνο για την επίλυση ενός συγκεκριμένου επιστημονικού προβλήματος, αντί να αναδιαμορφωθούν ώρες ή ημέρες αργότερα μετά την παρατήρηση και αξιολόγηση από τους ανθρώπους.
Επίσης, η χαμηλή καθυστέρηση των δικτύων 5GB μπορεί να μας επιτρέψει την μετατροπή παραδοσιακών ενσύρματων συστημάτων σε ασύρματα, όπως συστήματα βιομηχανικού ελέγχου που εξαρτώνται από ένα αξιόπιστο και ασφαλές δίκτυο υψηλής ταχύτητας. Τα ασύρματα συστήματα ελέγχου θα μπορούσαν να βελτιώσουν τον τρόπο με τον οποίο παρακολουθείται και βελτιστοποιείται η ροή ηλεκτρικής ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο ή σχεδιάζονται μεγάλα πειράματα τελευταίας τεχνολογίας.
«Σε αντίθεση με τις προηγούμενες γενιές ασύρματων, τα δίκτυα 5G μπορούν να τεμαχιστούν για να παρέχουν προσαρμοσμένες υπηρεσίες σε διαφορετικές συνδεδεμένες συσκευές, μέσω της τεχνολογίας network slicing. Μια συσκευή στο δίκτυο ενός επιστημονικού πειράματος μπορεί να χρειάζεται χαμηλότερο λανθάνοντα χρόνο για τον έλεγχο της λειτουργίας των τμημάτων του πειράματος, ενώ μια άλλη συσκευή μπορεί να χρειάζεται υψηλότερο εύρος ζώνης για τη συλλογή και την κοινή χρήση μεγάλου όγκου δεδομένων. Ο τεμαχισμός δικτύου μειώνει επίσης τη χρήση ενέργειας αποφεύγοντας τη σπατάλη πόρων, μέσω της διάθεσης συγκεκριμένων υπηρεσιών μόνο σε κατηγορίες χρηστών που πραγματικά τις χρειάζονται», προσθέτει ο Καθηγητής Καραγιαννίδης.
Λιγότερη ενέργεια για τα δίκτυα 5G
Ειδικοί εκτιμούν ότι η χρήση ενέργειας για δίκτυα 5G αναμένεται να μειωθεί έως και 90%, γεγονός που παρουσιάζει νέες δυνατότητες για πειράματα που στηρίζονται σε μεγάλους χρόνους συλλογής δεδομένων. Για παράδειγμα, στο πλαίσιο πειραμάτων για τη μέτρηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής συχνά τοποθετούνται αισθητήρες και άλλος εξοπλισμός σε τροπικά δάση, στην αρκτική τούνδρα ή σε άλλες απομακρυσμένες τοποθεσίες όπου παραμένουν για χρόνια. Εάν αυτές οι συσκευές καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια, μπορεί να μην χρειαστούν ποτέ νέες μπαταρίες, μειώνοντας το κόστος, τον χρόνο συλλογής δεδομένων και τον κίνδυνο για τους επιστήμονες.
Τα νέα χαρακτηριστικά του 5G μπορούν επίσης να επιτρέψουν την κατανομή αισθητήρων σε μεγαλύτερη έκταση. Αυτοί οι κατανεμημένοι αισθητήρες θα μπορούσαν να συντονίζονται ασύρματα μεταξύ τους για τη συλλογή δεδομένων υψηλότερης ακρίβειας σε μεγαλύτερες επιφάνειες. Επιπλέον, το υψηλότερο εύρος συχνοτήτων του 5G μπορεί να επιτρέψει τη συνδεσιμότητα σε ακραία περιβάλλοντα, όπως υπόγεια, στο διάστημα ή μέσα σε θερμά ή ραδιενεργά περιβάλλοντα, όπως πυρηνικούς αντιδραστήρες. Η πρόσβαση σε ακραία περιβάλλοντα θα μπορούσε να οδηγήσει σε εντελώς νέα ερευνητικά μονοπάτια.
Τελευταίο, αλλά όχι λιγότερο σημαντικό χαρακτηριστικό των δικτύων 5GB είναι η αύξηση της ασφάλειας και το απορρήτου κατά την επικοινωνία, που είναι απαραίτητα, ιδιαίτερα για την προστασία κρίσιμων υποδομών και των προσωπικών δεδομένων. Μέρος της έρευνας που χρηματοδοτείται από το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ αφορά την προστασία των πληροφοριών που μεταδίδονται μέσω δικτύων 5G. Για συστήματα όπως το ηλεκτρικό δίκτυο ή τα αυτόνομα οχήματα, η ασφάλεια των ασύρματων επικοινωνιών δεν αφορά μόνο την προστασία πληροφοριών αλλά και τη φυσική ασφάλεια.
«Αξίζει να σημειωθεί ότι η έρευνα στα δίκτυα επικοινωνιών συνεχίζεται με εντατικούς ρυθμούς από κορυφαίες ερευνητικές ομάδες παγκοσμίως, με στόχο της ανάπτυξη των δικτύων έκτης γενιάς (6G). Η σχετική έρευνα που διενεργείται τώρα σε ακαδημαϊκό επίπεδο θα αποτελέσει τη βάση της τεχνολογίας που θα κυκλοφορήσει εμπορικά σε περίπου 8-10 χρόνια. Με την ανάπτυξη του 6G, θα αρχίσουμε να βλέπουμε εφαρμογές πρωτόγνωρες και ασύλληπτες για μερικά χρόνια πριν, όπως είναι η σύγκλιση του ψηφιακού και του πραγματικού κόσμου μέσω της συνέργειας των τεχνολογιών digital twins και εικονικής πραγματικότητας, αλλά και εφαρμογές στην υγεία και στην πρόληψη και προστασία έναντι φυσικών καταστροφών», καταλήγει ο Έλληνας επιστήμονας.
*Με στοιχεία από το U.S. Department of Energy’s Office of Science
