6G — будущее беспроводной связи

Несмотря на то, что в ближайшие годы ожидается дальнейшее развитие и рост сетей 5G, технологические стратеги уже предлагают концепции, которые выходят далеко за рамки 5G. Если их сценарии 6G воплотятся в жизнь, в 2030-х годах нас ожидают настоящие чудеса в мире связи. Компания Rohde & Schwarz является ведущим поставщиком контрольно-измерительного оборудования с первых дней эры цифровой беспроводной связи. Сегодня концерн активно поддерживает отрасль как близкий партнер, помогая воплотить в жизнь концепцию шестого поколения беспроводной связи.

Дело только в высоких скоростях?

С момента внедрения стандарта LTE мобильный Интернет удовлетворяет потребности большинства пользователей. Скорости скачивания до нескольких сотен мегабит в секунду позволяют смотреть потоковое видео с высоким разрешением и скачивать огромные файлы в считанные секунды. Стандарт 5G, уже доступный в Германии во многих местах, в несколько раз увеличивает скорость передачи, но при этом не имеет практически никаких других преимуществ для рядовых пользователей. Однако уже некоторое время зреют идеи для следующего этапа эволюции. Возможно ли, что технически продвинутая система 5G, которая постоянно развивается и расширяется, не охватывает какие-либо требования, могущие послужить стимулом к такой дальнейшей эволюции?

Этот вопрос задали двое авторов в сентябре 2018 года*). С тех пор обсуждение данной темы набрало значительные обороты. Технология 6G, изначально служившая темой разговоров среди экспертов, со временем стала центральным предметом внимания в технике и промышленности, получая подпитку в виде многомиллионных грантов на исследования и разработки по всему миру. На основе анализа потенциала существующих технологий, а также новых технологий, разрабатываемых в настоящее время или ожидаемых в ближайшем будущем, сформировалась концепция, которая превосходит все, что было возможно до сих пор.

*) Klaus David, Hendrik Berndt: 6G vision and requirements: Is there any need for beyond 5G? Журнал IEEE Vehicular Technology Magazine, №13, выпуск 3, сент. 2018

На человеческом уровне

Всё началось очень традиционно более трех десятилетий назад. За первым поколением аналоговой связи (1G), корни которого уходят в 1950-е годы, последовало первое поколение цифровой беспроводной связи в начале 1990-х годов. Европейский стандарт 2G GSM (Глобальная система мобильной связи) стал важным предметом экспорта, как и имитатор системы GSM от Rohde & Schwarz. Данный имитатор и по сей день считается пионером беспроводной связи.

Первое поколение цифровой беспроводной связи было задумано как система голосовой телефонной связи в чистом виде. Даже такие простые функции передачи данных, как отправка текстовых сообщений, были добавлены на более позднем этапе. Стремительное распространение Интернета вскоре вызвало желание пользоваться Интернетом и на мобильных устройствах. В связи с этим возможности передачи данных стали ключевым элементом требований к следующему поколению связи, известному как 3G и запущенному в 2001 году. Однако вскоре стало очевидно, что стандарт 3G не обладает достаточной пропускной способностью, чтобы справиться с быстрым ростом трафика данных. Название следующего стандарта (4G) явно указывает на то, что его разработчики не хотели повторять ту же ошибку. Стандарт LTE, что означает Long-Term Evolution (буквально «долговременное развитие»), был рассчитан на то, чтобы в течение длительного времени удовлетворять всем будущим требованиям благодаря регулярным обновлениям. Первые сети на базе этого стандарта были запущены в 2010 году и на сегодняшний день образуют костяк системы беспроводной связи.

Все стандарты до 4G были ориентированы на связь между людьми. Основное внимание уделялось быстрому получению информации (нисходящему каналу связи), а потоковый просмотр видео с высоким разрешением был пределом желаний. С этой точки зрения стандарта 4G вполне достаточно. Стимулы к дальнейшему развитию дало совершенно иное направление.

Когда общаются машины

Тем временем в различных отраслях промышленности начали возникать сценарии, для которых требовалась сверхэффективная инфраструктура беспроводной связи с функциями, недоступными в LTE. Например, концепция «Индустрия 4.0» основана на максимально надежных каналах радиосвязи со временем сквозной передачи сигналов в несколько миллисекунд. Для того чтобы машины могли синхронно выполнять общую задачу на полной скорости, требуется система передачи данных, способная работать в том же темпе. Это не проблема для обычных кабельных соединений, тогда как беспроводные соединения сталкиваются здесь с пределом своих возможностей. Однако использование беспроводной связи является обязательным условием обеспечения гибкости, присущей концепции «Индустрия 4.0».

Транспортная отрасль открывает абсолютно новые возможности для применения беспроводной связи. Даже на пока еще далеком уровне 5 беспилотное вождение будет и близко не таким беспилотным, как может показаться из названия. Ведь транспортные средства должны использовать дороги, светофоры и прочие элементы инфраструктуры совместно со многими другими участниками движения, и их взаимодействие требует высокого уровня согласованности. Здесь необходимы соединения не только между автомобилями, но также между автомобилями и устройствами, расположенными вдоль дорог, и соединения с центром управления дорожным движением. Поскольку на дороге возникает множество ситуаций, критических с точки зрения безопасности, таких как экстренное торможение, главным приоритетом является быстрая и надежная передача сигналов.

Тогда как в умных городах и умных домах к беспроводной связи предъявляются совсем иные требования. Различные устройства (например, приборы учета потребления и мусорные баки) оснащаются датчиками и элементами управления с возможностями дистанционного опроса или включения. Цель состоит в том, чтобы исключить необходимость ручного доступа к устройствам и обеспечить автоматическое выполнение различных действий в зависимости от полученных данных. Беспроводная передача данных происходит редко, при этом объем передаваемых данных очень мал. Типичный сценарий может включать в себя тысячи однотипных пользовательских устройств с батарейным питанием. В этой ситуации система, основанная на стандарте LTE, явно будет избыточной, поскольку ее широкие возможности останутся невостребованными. Кроме того, LTE не удовлетворяет некоторым особым требованиям, таким как низкое потребление тока.

Перечисленные выше области применения стали движущей силой в разработке стандарта 5G. Внимание сместилось с людей на устройства и машины, то есть на Интернет вещей (IoT).

Чего не хватает?

Связь 5G уже хорошо развита во многих странах. Однако изначально в центре внимания находилась расширенная мобильная широкополосная связь (eMBB), в том числе с точки зрения стандартизации в организации 3GPP. Ожидаемый переворот в технологиях связи для промышленности, транспорта и Интернета вещей пока не наступил. При этом уже появляются задачи, для решения которых 5G будет недостаточно даже при условии полноценной реализации всех технических возможностей данного стандарта. Для 5G также запланированы различные этапы развития. Начиная с 18-го выпуска спецификации стандарта (окончательная версия ожидается в 2024 году) будет применяться термин «5G-Advanced», т. е. расширенный 5G. Несмотря на отсутствие каких-либо официальных соглашений в отрасли было решено внести определенные рабочие характеристики в новое поколение связи, известное как 6G. Внедрение 6G было — более или менее по привычке — намечено на 2030 год.

10-летний цикл от поколения к поколению сохраняется начиная с 2G, поэтому кажется логичным продолжить его. Предыдущие поколения также различались с технической точки зрения — например, в них применялись различные методы доступа к каналу (способы использования каналов радиосвязи). Метод доступа к каналу, а также тип кодирования данных и доступная для передачи полоса пропускания оказывают существенное влияние на характеристики системы. Как поставщик контрольно-измерительного оборудования компания Rohde & Schwarz с самого начала вносит вклад в развитие этой технологии.

Начиная с 5G технические нововведения создаются под влиянием пожеланий от различных отраслей промышленности. Со всех сторон поступают желаемые сценарии будущего развития, и их сочетание образует удивительную общую картину. Для воплощения этой картины в жизнь потребуются технологии, большинство из которых еще не существует на сегодняшний день, однако их появление возможно в среднесрочной перспективе. Взаимодействие всех этих технологий получит название «шестое поколение беспроводной связи», причем этот сдержанный термин и близко не передает всю задуманную концепцию.

Цифровые двойники на голопалубе

Прошлой осенью основатель Facebook Марк Цукерберг представил свое видение будущего развития проекта. Главная идея состоит в постепенном превращении сегодняшней социальной сети в «метавселенную». От виртуальной реальности (VR) и дополненной реальности (AR) к расширенной реальности (XR) — путем слияния реального и виртуального мира будет создан искусственный мир. Пользователи, олицетворяемые цифровыми персонажами или аватарами с их голографической проекцией в пространстве расширенной реальности, будут свободно перемещаться между чатами, игровыми мирами и торговыми центрами, не покидая при этом искусственную среду. Конкретной информации о том, как всё это будет работать, пока нет, но очевидно, что главную роль здесь будут играть очки виртуальной реальности.

Это само по себе не новость. Очки виртуальной реальности уже много лет имеются в продаже и применяются в основном в промышленности. С помощью очков специалисты, к примеру, проецируют трехмерную модель монтируемой детали на реальное изображение — вместе с информацией о монтаже этой детали. Надев очки, вы даже можете взаимодействовать с голографической проекцией, прикасаться к ней или совершать различные действия с ней, как если бы она была реальным объектом. Многомиллионное тиражирование этой системы и обеспечение ее доступности для каждого станут одним из руководящих принципов 6G.

Расширенная реальность как сочетание реального и виртуального миров включает в себя целый ряд прочих идей, если довести ее до логического завершения. Главная цель в долгосрочной перспективе — добиться полного погружения в новый мир, который ничем не отличается от действительности. Это включает в себя такие элементы, как трехмерное оптическое разрешение, способное полностью стимулировать человеческое зрение, а также подходящее звуковое сопровождение, мгновенная реакция на все синтетические объекты (тактильный Интернет) и, наконец, правдоподобное представление всех этих аспектов.

При этом важно, чтобы некоторые из этих объектов соответствовали своим аналогам из реального мира. Такие «цифровые двойники» по сути являются интерактивным виртуальным воплощением объектов и машин из реального мира, которыми можно манипулировать, находясь в метавселенной. Возможность управлять машинами с любого расстояния будет иметь далеко идущие последствия с точки зрения организации рабочих процессов. Одним из косвенных последствий для общества может стать рост популярности сельских районов, так как снизится необходимость физического присутствия в городах.

Какое отношение всё это имеет к 6G? Вычислительная мощность, которая потребуется для реализации погружения каждого пользователя в искусственный мир, в разы превосходит возможности очков виртуальной реальности. Особенно если учитывать, что очки в идеале должны быть не менее удобными и незаметными, чем обычные очки. Потребуется внешняя вычислительная мощность, и единственным используемым устройством здесь станет смартфон в кармане пользователя. Если его мощности будет недостаточно, задача будет передаваться на ближайший компьютер или облачный сервер (периферийные, туманные и облачные вычисления).

Здесь в дело вступает 6G. Передача огромных объемов данных на очки с видеоразрешением не менее 8К в стерео означает скорость передачи в несколько сотен гигабит в секунду. К этому следует добавить время передачи сигнала в считанные доли миллисекунд, чтобы имитировать естественную реакцию в реальном времени. Стандарт 5G не рассчитан на такие объемы и скорости. Рациональное распределение вычислительной мощности между различными сервисами 6G на основе искусственного интеллекта будет еще одной задачей сети. Искусственный интеллект фактически станет неотъемлемой частью 6G.

Технические ключевые показатели эффективности 6G

С учетом сложности стоящих перед 6G задач необходимо одновременно улучшить все основные параметры производительности сети радиосвязи. Далее перечислены обсуждаемые в настоящее время ключевые показатели эффективности 6G, рядом для сравнения указаны аналогичные показатели для 5G.

Освоение подводного мира

Широкая зона покрытия является общей темой в мире беспроводной связи. После внедрения 6G белые пятна на карте уйдут в прошлое. Сверхскоростная беспроводная связь для погружения в искусственный мир будет доступна во всех точках земной поверхности, включая сельскую местность и ненаселенные районы — также в третьем измерении. Концепция охватывает даже подводный мир. Где бы ни находились люди и машины, они должны быть доступны по быстрой беспроводной связи. Для этого требуются не только такие новые технологии, как передача оптических сигналов под водой, где поглощаются радиоволны, но и развитая надземная инфраструктура. Например, это может быть флотилия спутников или летающих платформ, т. е. пилотных и беспилотных летательных аппаратов.

Реальный Интернет вещей

Теоретическая концепция Интернета вещей известна уже достаточно давно. Теперь она постепенно находит воплощение в реальном мире. Этому процессу будет способствовать внедрение стандарта 5G, особенно в промышленности и транспорте. Приложения для умных домов и умных городов также внесут свой вклад. Однако даже тогда будет рано говорить о всеобъемлющем объединении в сеть. Это часть концепции 6G. Благодаря своей технической конфигурации и функциональности сеть 6G позволит работать с неограниченным количеством устройств всех мыслимых категорий. В бытовом, коммерческом или общественном контексте — любые предметы, с которыми мы хотим взаимодействовать или которые играют важную роль в нашей жизни, являются потенциальными кандидатами для подключения к сети. Для примера рассмотрим мосты и автомагистрали. В каком состоянии они находятся? Когда и в каких местах они нуждаются в ремонте? Встроенные беспроводные датчики могли бы предоставить все необходимые данные. Метки RFID, широко применяемые в розничной торговле и логистике, могут считываться только на малом расстоянии. Однако, если оснастить их специальными датчиками и увеличить дальность действия, их можно использовать, к примеру, в целях контроля качества продуктов питания и отправки соответствующих отчетов.

Последний пример включает в себя сразу несколько областей текущих исследований. Если небольшой подвижный объект контролируется с целью извлечения его из потока в нужный момент, должно быть известно его точное местонахождение. Во многих других задачах также требуются данные о местоположении партнера по связи, поскольку сервисы 6G будут, как правило, предоставляться на локальном уровне. По техническим причинам в 6G будут использоваться сфокусированные направленные радиосигналы для передачи энергии радиоволн на конкретные удаленные станции. Сеть 6G будет состоять из сети радиосвязи и сети датчиков, способных определять позицию пользователей в трехмерном пространстве с точностью до нескольких сантиметров. Вопрос о том, какие именно методы будут использоваться для этого, пока изучается, однако одним из возможных вариантов является радиолокационная техника в точках доступа.

Еще одной непростой задачей, связанной с массовым внедрением беспроводных датчиков, станет снабжение их энергией. Ввиду огромного количества этих устройств и их миниатюрных размеров замена батарей не представляется возможной. А поскольку во многих случаях предусмотрена многолетняя работа, датчики должны самостоятельно обеспечивать себя энергией. «Нулевая энергия» и «сбор энергии» — вот ключевые понятия для данной концепции. Современные датчики RFID работают по этому принципу, но они снабжаются электромагнитной энергией непосредственно от расположенного рядом считывателя. Датчикам 6G придется обходиться без этого удобства и получать энергию из любых доступных локальных источников, таких как тепло, свет или движение. Как и во многих других аспектах 6G, исследования в данной области пока находятся на ранней стадии. Несмотря на это, контрольно-измерительное оборудование Rohde & Schwarz уже сегодня помогает разобраться в структуре потребления энергии устройствами и создавать энергосберегающие конструкции.

6G станет не только неистощимой основой для Интернета вещей, но и откроет для нас новый Интернет. По аналогии с тем, как мы применяем привычное нам название «Интернет» к сети (компьютерных) сетей, мы будем обозначать термином 6G сеть, состоящую из множества сетей радиосвязи. Монолитная структура сегодняшних сетей беспроводной связи создаст фундамент для непрерывно изменяющейся неоднородной сетевой инфраструктуры («органическая сеть»). Коммерческие, частные и общественные подсети любых размеров будут взаимосвязаны таким образом — от существующих на сегодняшний день макросот с покрытием в целый квадратный километр до атто- и зептосот с покрытием в одно помещение или салон автомобиля.

Для автоматизированного подключения сети к общей структуре потребуется максимально возможная виртуализация сетевых функций. Это включает в себя описание функций абстрактным способом, что в некоторой степени уже было опробовано в 5G. Блоки сетевых функций должны поддерживать абстрактные языки различных изготовителей и интерпретировать их согласно стандарту. Компания Rohde & Schwarz участвует в работе организации O-RAN Alliance, которая занимается вопросами стандартизации и функциональной совместимости в данной области. Как и для всех предыдущих поколений, всемирная стандартизация 6G играет очень важную роль.

Когда всё приобретает атрибут «сверх-»

В своих сценариях развития 6G технологические стратеги ни в чем не ограничивают свое воображение. Для них нет ничего невозможного. Тогда как стандарт 5G рассчитан на три группы областей применения (eMBB, mMTC и URLLC), в концепции 6G предусмотрено множество групп и их комбинаций. В названиях своих сценариев эксперты предпочитают использовать атрибуты в превосходной степени. Простое правило: ко всем рабочим характеристикам добавляется приставка «сверх-». Поскольку терминология еще продолжает разрабатываться, а до стандартизации пока очень далеко, технические статьи переполнены такими терминами, как «дополнительно расширенная мобильная широкополосная связь» (feUMBB), «сверхчувствительная связь с низкими задержками» (uHSLLC), «службы передачи данных сверхвысокой плотности» (uHDD), «сверхвысокая энергоэффективность» (uHEE), «сверхвысокая надежность и чувствительность» (uHRS), «сверхвысокая надежность и потребительские характеристики» (uHRUx), «сверхнадежная связь с низкими задержками» (uLLRS) и так далее.

Возникает резонный вопрос: действительно ли описываемый выше научно-фантастический мир настолько близок к реализации, как пытаются внушить нам его архитекторы? Многое зависит от того, смогут ли исследователи достичь поставленных ими целей в установленные сроки, чтобы стал возможен запуск серийного производства. На фоне всеобщего мирового интереса к данной технологической концепции, который, как ожидается, сохранится в ближайшие десятилетия, и существенного объема средств, вкладываемых в нее, не говоря уже о размерах рынка и политических интересах, энтузиазм по поводу 6G можно считать оправданным.

Гонка началась

О 6G впервые заговорили всего несколько лет назад, однако уже завертелись колеса в промышленности, исследовательских институтах и политике. По всему миру были инициированы научно-исследовательские проекты, организована финансовая поддержка и сформированы объединения. На государственном уровне пришло понимание того, что конкурентоспособность и экономическое процветание целых стран могут напрямую зависеть от равного участия в системе 6G. Важно избежать состояния зависимости. Так, например, Япония и США на высшем уровне достигли соглашения о совместном инвестировании 4,5 миллиардов долларов США в исследования 6G.

В Европе был запущен флагманский проект по исследованию 6G, известный под названием Hexa-X. В этом проекте принимают участие организации из девяти стран. Кроме того, Немецкое министерство образования и научных исследований выделило 700 миллионов евро до 2025 года. Из этих средств 250 миллионов вскоре поступят в четыре немецких исследовательских центра, которые уже подали заявки на финансирование программ, в которых также принимает участие компания Rohde & Schwarz. Южная Корея имеет грандиозные замыслы, согласно которым она намерена провести первые полевые испытания уже в 2026 году и к этому моменту инвестировать в исследования около 195 миллионов долларов США. А как дело обстоит в Китае? Разумеется, Китай не намерен сдавать свои сильные позиции в 5G по приходу следующего поколения. Министерство науки и технологий КНР совместно с другими министерствами и госучреждениями работает над выделением национальных ресурсов, необходимых для того, чтобы привести 6G в состояние готовности к внедрению в кратчайшие возможные сроки.

С самых первых дней эры цифровой беспроводной связи компания Rohde & Schwarz выступает в роли близкого отраслевого партнера и ведущего поставщика контрольно-измерительного оборудования. Продукция и технологии компании уже сегодня применяются в различных проектах по исследованию 6G. Постепенно становится доступным измерительное оборудование для работы с 6G.