Miniony rok 2019 można nazwać „rokiem 5G”. W kwietniu konsorcjum 3GPP, które opracowuje specyfikacje komunikacji mobilnej, opublikowało piętnaste wydanie, w którym opisano standardy nowej generacji, a sieci zaczęły być wdrażane na całym świecie. Trwa wyjaśnianie parametrów 5G, aw latach 2020-2021 powinny pojawić się wydania 16 i 17, które uzupełnią opis 5G, doprowadzając go do warunkowego poziomu „5 ++”. Tymczasem wyścig do kolejnej generacji 6G już się rozpoczął.
W marcu 2019 roku na Fińskim Uniwersytecie w Oulu odbyło się pierwsze spotkanie konsorcjum 6G Flagship. Uniwersytet, który jest kluczową bazą badawczo-rozwojową Nokii, zainicjował prace nad sieciami nowej generacji. A w listopadzie rząd Chin oficjalnie rozpoczął rozwój technologii 6G. Dołączyli do nich już wszyscy liczący się producenci sprzętu telekomunikacyjnego, a kolejne spotkanie 6G Flagship ma się odbyć w marcu 2020 roku.
„Sprawę 5G można uznać za ogólnie zamkniętą w wydaniu 15”, powiedział nam Witalij Szub, szef wiodącego centrum badawczego Skoltech, który jest bezpośrednio zaangażowany w prace nad komunikacją nowej generacji. - Specyfikacje zostały ustalone, powstały technologie, trwa przemysłowa produkcja urządzeń. Chińskie fabryki produkują około stu tysięcy stacji bazowych miesięcznie”. Czas pomyśleć o tym, jak będzie wyglądać połączenie 6G.
Wieczny cykl
Infrastruktura telekomunikacyjna wykorzystuje dwa zasadniczo różne typy sieci. Sieci o stałych zasobach - takie jak np. Połączenie przewodowe po kablu miedzianym, koncentrycznym lub światłowodowym - bezpośrednio łączą abonenta z portem operatora, co gwarantuje określoną przepustowość tego kanału. Dedykowane połączenie jest przeznaczone dla użytkownika osobiście, podobnie jak rura wodociągowa podłączona do kranu w domu.
Natomiast sieci komórkowe są z definicji sieciami podzielnymi. Ich specyfikacja gwarantuje określoną prędkość transferu do iz ogólnej puli abonentów tylko między nimi a stacją bazową. Ostateczny kurs wymiany danych zależy jednak od liczby podłączonych abonentów, przepustowości sieci i innych czynników. „W rzeczywistości komunikacja mobilna do czwartej generacji włącznie to wyjątkowa firma, która może świadczyć usługi bez żadnych gwarancji jej jakości” - mówi Vitaly Shub. „Co więcej, nic nie można na to poradzić: taka cecha wynika z samej„ fizyki”sieci, z ograniczonych zasobów jej zasobów, które są współdzielone przez wszystkich użytkowników”.
Film promocyjny:
W rezultacie każda kolejna generacja komunikacji komórkowej przechodzi przez te same charakterystyczne etapy. Po raz pierwszy od pojawienia się nowej technologii abonentów w takiej sieci nie ma zbyt wielu, a dostępne dla nich prędkości są naprawdę duże. Jednak wtedy sieć zaczyna się zapełniać, a użytkowników i wymagających aplikacji jest coraz więcej. W rezultacie spadają prędkości i istnieje potrzeba wprowadzenia nowych technologii i nowej generacji komunikacji. Praktyka pokazuje, że taka zmiana trwa około 10-12 lat.
„Biznes rozwija się wzdłuż linii piłowania: stopniowe nasycanie się sieci kończy się wraz z pojawieniem się nowej generacji komunikacji, która zmniejsza to obciążenie” - wyjaśnia Witalij Shub. - Po pierwsze, jest podaż, tworzy popyt na nowe możliwości. Ale potem wszystko się zmienia: pojawiający się popyt wymaga nowej podaży, nowych technologii, aby go zaspokoić. Operatorzy komórkowi są po prostu zmuszeni do ciągłej rozbudowy sieci i ulepszania jej parametrów”.
Między piątym a szóstym
Każda kolejna generacja komunikacji komórkowej może wiązać się z przejściem na nowe, coraz bardziej złożone zasady kodowania sygnałów. Pierwszy z nich wykorzystywał systemy multipleksowania z podziałem częstotliwości (FDMA), najprostsze podejście, w którym dostęp do wspólnego kanału jest dzielony między użytkowników poprzez czasowe przydzielanie im określonych częstotliwości. Następnie technologie TDMA stały się powszechne, umożliwiając kilku abonentom korzystanie z tego samego kanału, udostępniając go w krótkich odstępach czasu.
Następnie wprowadzono wielodostęp z podziałem kodowym (CDMA i WCDMA), co daje dodatkowe możliwości równoległego wykorzystania częstotliwości. W tym przypadku sygnał jest modulowany specjalną sekwencją kodowania dla każdego abonenta. Antena stacji bazowej przesyła splątany, podobny do szumu sygnał, ale każdy odbiorca końcowy, znając jego kod, jest w stanie wydobyć z niego potrzebną część.
Następnie zaimplementowano wielokrotny dostęp do nośnej ortogonalnej (OFDMA), w którym każda częstotliwość nośna z kolei jest podzielona na wiele podnośnych, modulowanych niezależnie od siebie. Dziś podejście to zbliża się do swoich teoretycznych granic. „W przypadku każdej technologii istnieje ograniczona wydajność widmowa, to znaczy liczba bitów na sekundę, jaką może przesłać 1 Hz fal radiowych” - wyjaśnia Witalij Shub. - Piąta generacja zbliża się do 30-50 bitów / sHz, prawie całkowicie wykorzystując możliwości aparatu do kodowania matematycznego. Daje to ogromną przepustowość: dodaj ultraszerokie pasmo nośne, a otrzymasz liczby od 100 Mb / s do 1 Gb / s, aw niektórych przypadkach nawet 20 Gb / s”.
Oczekuje się, że komunikacja 6G osiągnie już od 100 Gbps do 1 Tbps, a szybkość odpowiedzi sieci - poniżej milisekundy. Dokładne wymagania normy nie zostały jeszcze sformułowane, ale zakłada się, że są to liczby, które będą potrzebne do obsługi pojazdów bezzałogowych, złożonych systemów sztucznej inteligencji i wirtualnej rzeczywistości, przemysłu robotycznego i logistyki. Osiągnięcie pożądanych wskaźników będzie wymagało zastosowania nowych częstotliwości, nowej matematyki, a nawet fizyki.
Nowe prędkości
Szybkość transmisji danych jest określana przez przepustowość i wydajność widmową, a praca dla 6G odbywa się w obu kierunkach. Aby więc zwiększyć szerokość nośnej, konieczne jest zastosowanie nowego zakresu, który nie jest jeszcze dostępny do komunikacji, przechodząc na jeszcze krótsze fale radiowe - o częstotliwości do 100 GHz i jeszcze wyższej, w zakresie terahercowym, submilimetrowym (300 GHz - 3 THz), który pozostaje praktycznie niezajęty i pozwoli na wykorzystanie szerokiego zakresu pracy.
Do niedawna nadajniki i odbiorniki terahercowe pozostawały tak złożone i nieporęczne jak wczesne komputery. Dopiero w ostatnich latach takie instalacje znalazły szerokie zastosowanie - np. Podczas badania bagażu w poszukiwaniu materiałów wybuchowych, w medycynie i materiałoznawstwie. W szóstej generacji komunikacji urządzenia terahercowe powinny stać się jeszcze bardziej miniaturowe i energooszczędne. Oprócz tego szerokiego kanału powinny pojawić się nowe technologie kodowania sygnału, które zwiększą jego wydajność widmową. Jednym z kluczowych obszarów tej pracy stały się „wiry optyczne”, które są aktywnie realizowane przez deweloperów ze Skolkovo. „Fale świetlne można sobie wyobrazić jako korkociąg lub spiralę” - wyjaśnia Witalij Shub. - Skok tej spirali może być nierówny, ponadto można ją kontrolować. Nauczywszy się modulować takie nieregularności fal,otrzymujemy dodatkowy sposób kodowania sygnału”. Takie technologie posuwają się skokowo naprzód, aw 2018 roku australijscy naukowcy zmniejszyli system modulacji kątowego momentu orbitalnego (OAM) do rozmiaru mikroczipa, całkiem nadającego się do użytku w kieszonkowym gadżecie. Według niektórych szacunków użycie kodowania OAM zwiększy wydajność widmową co najmniej pięciokrotnie. „Teoretyczne ograniczenia nie zostały jeszcze ustalone, ponieważ nie jest jeszcze jasne, jak bardzo będziemy w stanie zmieniać i kontrolować„ krok wiązki”- dodaje Witalij Shub. „Jest możliwe, że wzrost będzie dziesięć lub sto razy”.aw 2018 roku australijscy naukowcy zredukowali system modulacji orbitalnego momentu pędu (OAM) do rozmiaru mikroczipa, całkiem nadającego się do użytku w kieszonkowym gadżecie. Według niektórych szacunków użycie kodowania OAM zwiększy wydajność widmową co najmniej pięciokrotnie. „Teoretyczne ograniczenia nie zostały jeszcze ustalone, ponieważ nie jest jeszcze jasne, jak bardzo będziemy w stanie zmieniać i kontrolować„ krok wiązki”- dodaje Witalij Shub. „Jest możliwe, że wzrost będzie dziesięć lub sto razy”.aw 2018 roku australijscy naukowcy zredukowali system modulacji orbitalnego momentu pędu (OAM) do rozmiaru mikroczipa, całkiem nadającego się do użytku w kieszonkowym gadżecie. Według niektórych szacunków użycie kodowania OAM zwiększy wydajność widmową co najmniej pięciokrotnie. „Teoretyczne ograniczenia nie zostały jeszcze ustalone, ponieważ nie jest jeszcze jasne, jak bardzo będziemy w stanie zmieniać i kontrolować„ krok wiązki”- dodaje Witalij Shub. „Jest możliwe, że wzrost będzie dziesięć lub sto razy”.„Jest możliwe, że wzrost będzie dziesięć lub sto razy”.„Jest możliwe, że wzrost będzie dziesięć lub sto razy”.
Rejestruj reakcje
Konieczność skrócenia czasu odpowiedzi sieci 6G do poziomu poniżej milisekundy stwarza zupełnie inne problemy. Według Witalija Shuba będzie to wymagało globalnych zmian w topologii sieci. Faktem jest, że w ostatnich latach rozwinęli się z naciskiem na przechowywanie danych w „chmurze”. Nasze pliki, muzyka, zdjęcia mogą znajdować się fizycznie w dowolnym miejscu, na serwerze w USA, Australii czy Danii. Dopóki „wąskim gardłem” w dostępie do nich jest prędkość bezprzewodowa, nie ma to większego znaczenia. Jednak komunikacja 5G jest już wystarczająco szybka, a nawet najpotężniejszy kanał przewodowy między operatorem komórkowym a serwerem nie wystarczy: pamięć masową należy przenieść bliżej abonenta. „Wszystko zaczyna wracać do normy” - mówi Witalij Shub. „To, co szło w jednym kierunku w trzecim i czwartym pokoleniu, zawraca”. Podejście to ucieleśnia koncepcję Mobile Edge Computing (MEC): centra komutacji pakietów, które gromadzą dane najbardziej pożądane przez użytkowników, aby przyspieszyć dostęp do nich, zbliżają się do odbiorcy jak najbliżej, a inteligentne oprogramowanie nieustannie dostosowuje zawartość i dystrybucję treści w zależności od potrzeb abonenta … Zamiast wysokiej, wielopoziomowej hierarchii, sieć staje się prawie „płaska”, a opóźnienie w niej drastycznie spada.wielopoziomowa hierarchia, sieć staje się prawie „płaska”, a czas opóźnienia w niej jest znacznie skrócony.wielopoziomowa hierarchia, sieć staje się prawie „płaska”, a czas opóźnienia w niej jest znacznie skrócony.
Wdrażanie MEC napotyka szereg nowych i nierozwiązanych wyzwań technicznych. W szczególności wymagana jest jeszcze większa miniaturyzacja systemów przełączania pakietów sygnału i urządzeń do przechowywania danych, zwiększenie ich pojemności i zmniejszenie zużycia energii. W międzyczasie 6G robi tylko pierwsze zgrubne kroki w oczekiwaniu na moment, w którym poprzednia generacja zbliży się do „etapu nasycenia”. Najprawdopodobniej stanie się to około 2025-2027 r., Kiedy nowe prośby abonentów i zgłoszeń staną się jasne. Dopiero wtedy zostaną sformułowane szczegółowe wymagania dla poniższych standardów komunikacyjnych.
Pokolenie polityczne
Zidentyfikowano już głównych graczy na tym polu - poza Nokią i chińskim Huawei są to korporacje Samsung i Ericsson. Oczekuje się, że w latach 2028-2030 opracują podstawowe parametry 6G, a konsorcjum 3GPP wyda kolejną publikację opisującą kluczowe standardy następnej generacji. Jednak wszystko może potoczyć się według innego, nieoczekiwanego scenariusza. „Można się spodziewać, że szóste pokolenie stanie się najbardziej upolitycznione” - mówi Witalij Szub. „Próby„ okiełznania”Chin przez Zachód są już widoczne na etapie 5G i mogą być kontynuowane, niszcząc cały złożony system współpracy międzynarodowej”. W rzeczywistości chiński Huawei jest właścicielem prawie jednej trzeciej puli patentów 5G, a sytuacja prawdopodobnie pogorszy się wraz z szóstą generacją. Oprócz przyjętego już państwowego programu rozwoju 6G,ChRL może polegać na zasobach wewnętrznych niedostępnych nigdzie indziej na świecie, na jej ogromnym rynku i kolosalnych ilościach „dużych zbiorów danych”. „Cała nowoczesna gospodarka to gospodarka hodowlana” - dodaje Witalij Shub.
Jednak nawet w ramach takiej gospodarki Rosja nadal zachowuje swoją małą, wyjątkową niszę. Nasi programiści są aktywnie zaangażowani w tworzenie fizycznych i technologicznych podstaw, z których wyłonią się zarówno patenty, jak i standardy 3GPP. „To są nowe materiały, nowa matematyka, nowe zasady - koszmarna praca pod względem objętości”, podsumowuje Witalij Shub. „Możemy mieć tylko nadzieję, że uda nam się sprostać zwykłemu 10-letniemu cyklowi wdrożeniowemu”.
Roman Fishman