6G – что нас ждет?

Не успели представить 5G, как уже ведутся первые исследования его преемника. Как именно будет выглядеть 6G в скором времени, пока неясно. Тем не менее, уже заложены первые фундаментные основы, которые указывают путь вперед.

В последнее время, с появлением четвертого поколения мобильных телефонов 4G/LTE (Long Term Evolution), стало ясно, что развитие технологий идет скорее как эволюция, чем как революция. Это относится и к 2G/GSM (Global System For Mobile Communications), первой полностью цифровой мобильной сети. Это первое поколение было отключено в Швейцарии в 2021 году. 3G/UMTS (универсальная система мобильной связи), вероятно, постигнет та же участь не позднее 2024 года. Само его название показывает, что идея ISDN из фиксированной сети определила и его дизайн.

В Германии все как раз наоборот: лицензии UMTS, приобретенные на эффектных аукционах на рубеже тысячелетий, больше не действительны из-за отключения 3G. С другой стороны, 2G продолжает жить – в том числе из-за телеметрических приложений, работающих в этой сети, особенно в Восточной Европе. И 2G, и 3G в значительной степени ориентированы на голосовую связь и очень неэффективно используют дорогие частоты, приобретенные на аукционе. При их отключении частотные диапазоны 900 и 1800 МГц (2G) и 1,8/2,1/2,6 ГГц (3G) становятся доступны в качестве радио мощностей для 4G и 5G.

3GPP устанавливает стандарты

При разработке 5G основное внимание уделялось повышению спектральной эффективности. Он показывает в битах/Гц, сколько емкости можно извлечь из радиочастотного спектра. К этому добавились сверхнизкая задержка (около 3-10 миллисекунд) и высокая пропускная способность (около 1-3 Гбит/с). Быстрый доступ к сетевой информации позволяет осуществлять автоматизированный поиск сложного контента в локальных облаках или определять местоположение. Таким образом, 5G подходит в качестве основы для новых приложений, таких как управление движением, Интернет вещей (IoT), облачные вычисления и “промышленный 5G”.

Программа партнерства 3-го поколения” (3GPP) по-прежнему занимается стандартами, будь то 4G, 5G или в будущем 6G. Как ведущий орган по стандартизации мобильной связи, 3GPP за десятилетия добился больших и новаторских успехов – в основном незаметно для общественности. Стандарты разрабатываются шаг за шагом в эволюционном, итерационном процессе разработки и публикуются в виде релизов. Например, в этом месяце ожидается выпуск 3GPP Rel. 17 для фазы 3 5G, а затем Rel. 18 примерно в конце 2023 года для фазы 4 5G.

В настоящее время 3GPP (www.3gpp.org) объединяет шесть национальных органов по стандартизации из Европы (1), США (1), Японии (2), Кореи (1) и Китая (1), что свидетельствует об азиатском доминировании. Основы для очень успешного 4G были заложены уже в марте 2010 года (Rel. 9). Последние штрихи были внесены в Rel. 14 для LTE-A Pro. Однако важные технические основы для 5G уже были заложены в Rel. 13 и более ранних релизах, такие как Carrier Aggregation (CA), основы для IoT в 4G и 5G (Machine Type Communications, MTC), MIMO и формирование луча, позиционирование в помещении (важно для определения местоположения производственного оборудования в промышленном производстве), широковещательная передача сообщений в соте (например, в случае стихийного бедствия) или экстренные службы (в случае аварий/чрезвычайных ситуаций) и так далее.

Новые частотные спектры для 5G и 6G

Для 5G выделены частоты в диапазонах 700, 1400 и 2600 МГц, а также 3,5 ГГц. В частности, диапазон 700 МГц обладает очень хорошими передающими свойствами, что означает, что стены могут быть преодолены без усилителей сигнала или собственных передатчиков. На аукционах такие частоты стоят дорого. 5G также может использовать более высокие диапазоны частот свыше 6 ГГц вплоть до 60 ГГц, но в Швейцарии это не так. Для 6G обсуждаются диапазоны частот от 100-300 ГГц до 10 ТГц. Начиная примерно с 30 ГГц, речь идет о так называемых миллиметровых волнах (ммВ), которые имеют свои собственные характеристики и могут передавать сигналы только на близком расстоянии.

Такие короткие волны не проникают в здания и имеют крайне малый радиус действия. Они подходят практически только для передачи данных в ближней зоне и для внутреннего применения. Сегодня предполагается, что для 6G, по аналогии с WLAN, внутренние точки доступа будут обеспечивать покрытие внутри зданий или в труднодоступных точках. Поэтому 6G не будет использовать отдельную сеть радиодоступа (RAN), а будет опираться на несколько сетей. Помимо безлицензионных сетей, таких как WLAN, они будут включать и другие виды доступа к сети, некоторые из которых еще не существуют. К ним относится передача сигнала через соединения видимого света (VLC), которые включают видимый свет в диапазоне от 400 до 800 ТГц. Планируются также спутниковые соединения – своего рода “многосвязность”.

До сих пор каждый терминал, принимающий и передающий сигналы на нескольких частотах одновременно, потреблял много энергии. Тем не менее, предполагается, что энергопотребление конечных устройств 6G снизится максимум на одну сотую по сравнению с 5G. Для приложений IoT на 6G время автономной работы должно составлять не менее десяти лет, что примерно равно сроку службы аккумулятора. Также проводятся исследования того, как радиоволны из окружающей среды могут быть использованы для выработки энергии в конечном устройстве, чтобы продлить срок службы его батареи.

---

СОПРОТИВЛЕНИЕ 6G НЕПРЕМЕННО ПОЯВИТСЯ

В 6G данные будут передаваться очень быстро. Планируется пиковая скорость передачи данных до 1 терабита в секунду (1 терабит = 1 000 гигабит = 1 000 000 000 бит). Пользователь по-прежнему должен получать 8 гигабит в секунду, что в 8000 раз больше, чем при использовании 5G. Тем не менее, данные должны не только быстро передаваться, но и быстрее поступать. Одним из показателей этого является задержка передачи данных, так называемая латентность, которая в 5G уже составляет всего 3 миллисекунды, а в 6G должна снизиться до 100 микросекунд. Такие ключевые данные могут быть получены только при использовании самых сложных сетевых архитектур и высокопроизводительных и высокоинтегрированных чипсетов. Длина волны будет настолько короткой, что сигнал не достигнет зданий или отдаленных уголков. Таким образом, необходимо установить как можно больше передатчиков с высокой мощностью. Ни то, ни другое не имеет экономического или экологического смысла и вряд ли будет выгодно операторам сетей.

Противники антенн, вероятно, окажут большее сопротивление. Миллиметровые волны, необходимые для 6G, уже использовались в качестве основного аргумента в пользу 5G, хотя 5G вообще не использует их, а работает в более низких частотных диапазонах (максимум 3,5 ГГц). С другой стороны, 6G в один прекрасный день будет передавать данные на частотах до 10 ТГц. Доказательство их безвредности является важной задачей для исследований. Операторы сетей должны учиться на ошибках, допущенных при создании 5G, и заботиться не только о хорошо функционирующей архитектуре сети, но и о возможном воздействии на организм человека. Потому что сопротивление обязательно будет, и тогда только факты будут иметь значение.

---

Новая опорная сеть 6G

Как и RAN, опорная сеть для 6G будет структурирована совершенно иначе и будет следовать принципу когнитивных сетей. Это связано с тем, что запланированные максимальные скорости и сверхнизкие задержки требуют механизмов управления, которые не просто реагируют на поступление запроса на обслуживание, а действуют проактивно, т.е. заранее знают, что на самом деле хочет тот или иной субъект (человек, машина и т.д.). Вдохновленный преимуществами сетей на базе программного обеспечения, 6G делает поток сигналов и предоставление услуг абсолютно гибкими. В зависимости от требуемой пропускной способности, задержки и качества обслуживания управляющий интеллект постоянно решает, по какому пути пойдет сигнал и какие ресурсы необходимы.

Когнитивные технологии позволяют реализовать когнитивные способности и искусственный интеллект (ИИ) в технической системе. Это включает машинное обучение и мышление, а также адаптивное управление данными и знаниями. Когнитивное мышление зародилось в самом человеке. Мы воспринимаем происходящее вокруг нас, обсуждаем это восприятие, комбинируем его с предыдущим, делаем выводы и действуем для достижения определенной цели. Когнитивная сетевая среда для 6G будет работать аналогичным образом, собирая информацию посредством восприятия, формируя знания о сетевой среде и ее пользователях, а затем действуя соответствующим образом. Он будет работать автономно, принимая сложные интеллектуальные решения, которые раньше мог принимать только человек.

Сетевая среда 6G распознает закономерности

Например, с помощью наблюдений когнитивная сеть может автономно находить закономерности в использовании ресурсов и целенаправленно принимать меры по оптимизации этого использования. Когнитивная система обладает способностью оценивать свои действия на основе определенной функции полезности. Таким образом, он может определить, какое действие имеет предпочтительный эффект. Это позволяет автономной системе не только адаптироваться к новым ситуациям в управляемой среде, но и охватывать и выполнять все больший спектр бизнес-задач – лучше, чем это мог бы сделать человек.

Когнитивная сеть достигает высокой степени автономности и освобождает оператора сети от непосредственных задач управления сетью, таких как принятие решений о стратегиях решения для достижения целей и проведение оперативных мероприятий. Благодаря развитию когнитивных сетей для 6G, задачи человека будут эволюционировать в сторону управления процессами. Операторы 6G будут руководить сетью в процессе обучения и принятия решений, чтобы сеть приобрела более высокую степень автономии и самоуправления. Это позволит разгрузить оператора и целенаправленно оптимизировать услугу, как с точки зрения QoS, так и в направлении новых сфер бизнеса.

Совершенно новый образ мышления

Большая автономность сети также означает, что люди взаимодействуют с ней, устанавливая требования и цели для определения и приведения в действие бизнес-целей оператора и потребностей клиентов. Чтобы сеть 6G функционировала автономно, ей должна быть предоставлена определенная степень свободы выбора действий. Здесь тоже есть параллель с нами, людьми: воспитание детей или управление сотрудниками. Основное внимание уделяется целям и намерениям, которые должны быть достигнуты, а не инструкциям о том, как что-то сделать. Таким образом, когнитивная сеть может найти стратегии решения для выполнения этих требований без дополнительных инструкций, что освобождает оператора сети.
Чтобы реализовать когнитивные сети для 6G, есть несколько ключевых областей в архитектуре сети, которые необходимо перепроектировать или доработать в ближайшем будущем. Для того чтобы разработать необходимые функции для оптимизации работы и достижения желаемой операционной эффективности, были определены несколько, но ключевых “технологических помощников”. К ним относятся:

• управляемые данными ИТ и сетевые операции;
• распределенный интеллект;
• постоянное наблюдение и обучение;
• автоматизация на основе намерений;
• объяснимый и заслуживающий доверия искусственный интеллект (ИИ);
• когнитивная система 6G и сетевая среда.

Перспективы

В настоящее время можно предположить, что 6G постепенно заменит своих предшественников не ранее 2030 года. Но до этого момента предстоит еще много работы, особенно в органах стандартизации, а также в области исследований. Потому что 6G включает в себя так много новых компонентов, которые требуют глубокого проектирования системы и тщательного тестирования, чтобы в итоге надежность 5G была действительно превзойдена. Потому что давление на провайдеров будет очень большим – со стороны требований к пропускной способности, приложений и пользователей. Благодаря успешным предшественникам 4G и 5G, ожидания высоки. Провайдеры не могут позволить себе глубокие технические проблемы, как это было с отдельными новичками 5G в начале 2020 года.

Интересное на эту тему: Хакерская компьютерная атака с помощью лазерного луча