С самого конца 1970-х,
, её развитие происходило мощными и довольно ритмичными рывками.
В 1990-х второе поколение сотовых систем (2nd generation, 2G) не только обеспечило повышение качества голосового обмена и шифрование соединений, но и предложило возможность пересылки текстовых — и даже мультимедийных — сообщений между абонентами. Сети 3G, начавшие распространяться в 2000-х, подняли типичную пропускную способность ещё на порядок (до 2 Мбит/с на старте; для 2G в начале пути характерным значением было 0,2 Мбит/с, для 1G — 2,4 Кбит/с), что открыло дорогу для видеокоммуникаций и веб-сёрфинга, пусть и довольно ограниченного по возможностям (в версии WAP — ), через сотовые аппараты.
2010-е стали временем активного развития сетей четвёртого поколения, по изначальному стандарту декларировавших минимальную скорость обмена данными в 12,5 Мбит/с, — это сделало возможным видеостриминг в приличном разрешении, полноценный доступ к веб-ресурсам и онлайновым играм со смартфонов. Введение первых сетей 5G в коммерческую эксплуатацию в 2019 г. не только вновь подняло скоростную планку более чем на порядок, но и существенно сократило латентность (задержку при передаче сигнала по сотовой сети между клиентом и сервером) примерно с 50 мс, характерных для 4G, до 10 мс и менее. А значит, эффективнее стали межмашинные коммуникации — в части как бытового Интернета вещей (Internet of Things, IoT), так и промышленных систем автоматизации (Industrial Internet of Things, IIoT).
Следующее поколение сотовой связи, шестое, , — и оно, разумеется, также в очередной раз расширит доступные пределы скорости обмена данными в мобильных сетях, снизит характерные значения латентности, увеличит пропускную способность и т. п. Так, ещё в 2018 г. эксперты IEEE в 1 Тбит/с на каждого абонента — примерно на три порядка больше фактически достижимой на оборудовании пятого поколения.
Но дело далеко не в одних лишь количественных изменениях: сети 6G их разработчики рассматривают как инструмент для органичного сопряжения физического и цифрового миров. Не случайно даже на официальном сайте Nokia Bell Labs, солидной исследовательской организации в области радиотехники, об этом светлом грядущем пишут : «В эпоху 6G границы между цифровым и физическим мирами и человеческим их восприятием сотрутся — что станет толчком к пробуждению сверхчувственных переживаний». Наступит, если верить пророчествам экспертов, эра (Internet of Everything, IoE) — мира, насыщенного непрерывно коммуницирующими между собой (и с людьми) умными датчиками и системами обратной связи, в немалой степени управляемыми искусственным интеллектом.
Прогнозы (IEEE) в отношении общемировых объёмов трафика в Эбайт/мес (слева) и удельного потребления того же трафика в пересчёте на одного абонента, Гбайт/мес Звучит как синопсис добротного научно-фантастического романа — хотя чисто технически поставленные разработчиками 6G цели вполне достижимы. Другое дело, что по экономическим, социальным и иным причинам всеобщий переход к 6G в намеченном разработчиками масштабе может и не удаться, — как, скажем, не удался он на данный момент и в отношении сетей пятого поколения. И речь сейчас вовсе не об одной только России, где ещё в конце 2010-х камнем преткновения для развития сетей 5G стала
: в Северной Америке к исходу 2023-го
будут производиться по стандарту 5G, в Южной Корее намерены перевести 90% мобильных абонентов на связь пятого поколения лишь к 2026 г., в Африке и Южной Америке покрытие сетями 5G до сих пор исключительно фрагментарное и т. п.
Значит, индустрии в целом — от разработчиков стандартов сотовой связи до производителей оборудования и операторов — необходимо отыскать какое-то невыразимо притягательное для широкой массы абонентов и для бизнеса одновременно ИТ-направление, принципиально нереализуемое за пределами сетей шестого поколения. Пока такого «killer feature» в явном виде не обнаружено.
Зато когда — и если — это произойдёт, уже первые успешно запущенные проекты 6G наглядно продемонстрируют тот качественный скачок в изменении самого восприятия мира, физического и цифрового, который обещают разработчики и провозвестники этой новейшей технологии. И в этом случае есть резон ожидать, что распространится она по миру быстрее своей предшественницы. Но, как предупреждает ряд экспертов, — сосуществуя (и применяясь для разных задач) с сетями и пятого, и даже четвёртого поколения. Тем более неплохо заранее разобраться в том, чем же на техническом уровне 6G отличается от 5G — и для каких приложений эта разница может оказаться действительно значимой.
Предлагаемые экспертами IEEE сценарии применения сотовой связи 6G включают межмашинные коммуникации, интерфейсы «мозг—компьютер», автономный транспорт во всех средах, виртуальную/дополненную/смешанную реальность — и многое другое
Стандартизация параметров сетей шестого поколения находится пока на самой ранней стадии, но — по оценке исследовательской группы Light Reading — к 2027-2028 г. некие первичные спецификации 6G уже могут быть приняты международным сообществом радиоинженеров и ИТ-вендоров за отправную точку для разработки необходимого серийного оборудования. Для чего такая спешка — если до сих пор не везде ещё в мире отключены сети третьего поколения, да и переход от 4G к 5G реализуется не самыми впечатляющими темпами?
Дело в том, что предельная пропускная способность в сетях 5G ограничена их базовыми спецификациями, тогда как трафика по ним передаётся всё больше, — и потому разработчики 6G стремятся подготовить новый стандарт заблаговременно, чтобы доступная ширина каналов сотовой связи не стала уже через считаные годы ограничивать общие темпы прогресса высоких технологий.
По относящейся к 2020 г. оценке ITU-R (ITU Radiocommunication Sector — Сектор радиосвязи Международного союза электросвязи), объём проходящих через Интернет данных по всему миру в 2020-2030 гг. : от 7,5 Эбайт в месяц в начале этого периода до 5 тыс. Эбайт в месяц в его конце. Причём в немалой степени — как раз за счёт беспроводных межмашинных коммуникаций, так что примерно к 2030-му сети пятого поколения с такими потоками данных просто физически перестанут справляться. Отсюда — потребность в разработке, утверждении и принятии на вооружение нового стандарта сотовой связи с куда более обширным потенциалом, рассчитанным по меньшей мере ещё на десяток лет экспоненциального роста, — собственно пресловутого 6G.
Набросанная нечёткими линиями фигура человека в окружении декларируемых визионерами отличительных особенностей 6G символизирует уже испытанное им киберфизическое слияние — без достижения которого, скорее всего, сети шестого поколения для обывателя не так уж кардинально будут отличаться от сетей пятого
Большая группа исследователей из Оулуского университета в Финляндии сформулировала в 2019 г. (когда, напомним, сети пятого поколения только начинали вводиться в коммерческую эксплуатацию) следующие
:
Важно, что, хотя формально некоторые из этих разновидностей коммуникаций возможно реализовать в сетях предыдущих поколений, особенно 4G LTE, только 5G за счёт присущей её архитектуре гетерогенности — высокой избирательности в плане того, как именно обрабатывать пакеты данных с различными характеристиками, — наиболее полно раскрывает потенциал такого рода сервисов. «Наиболее полно» — на текущий момент, конечно; предполагается, что стандарт 6G выведет eMBB, URLLC и mMTC на совершенно новую высоту.
Сервисы eMBB, URLLC и mMTC по-прежнему будут доступны и в сетях шестого поколения, однако уже на новом качественном уровне и, вероятно, с возможностью динамического изменения характеристик выделяемых для подключённых устройств коммуникационных каналов
Сервисы eMBB (enhanced mobile broadband — «расширенная полоса пропускания для мобильной связи») ориентированы на абонентов, обменивающихся высокоплотными потоками данных; это могут быть, скажем, веб-камеры высокого разрешения с беспроводным подключением или мобильные потребители HD-видеоконтента. Масштабные межмашинные коммуникации (mMTC, massive machine type communication) нужны в основном элементам IoT и IIoT — устройствам, которым достаточно активной лишь спорадически и относительно узкой полосы пропускания. Наконец, uRLLC (ultra-reliable low latency communication), критически значимые коммуникации с низкими задержками, служат каналами связи для немногочисленных, но крайне важных терминалов — например, сигналов тревоги.
Загвоздка с точки зрения организации беспроводной сети в том, что три эти разновидности коммуникаций выдвигают принципиально разные требования к сетевой архитектуре. Если просто механически их просуммировать, плановые характеристики проектируемой сети окажутся попросту нереалистичными, — и как раз по этой причине сети пятого и последующих поколений проектируются гетерогенными, т. е. способными отождествлять различные типы терминалов (и передаваемых/получаемых теми данных), предоставляя каждому из абонентов оптимально соответствующие его запросам сервисы. Принципиально это схоже с (quality of service; когда разным категориям трафика предоставляются различные приоритеты при обслуживании) для компьютерных сетей. Но в реалиях сотовой связи — огромное число активных абонентов для каждой базовой станции, включая перемещающихся в пространстве, — проблема организации гетерогенной среды обмена данными выходит далеко за пределы сортировки пакетов по степени важности в соответствии с их заголовками.
По сути, сервисы eMBB — это ; они рассчитаны на охочие до полосы пропускания устройства с достаточно стабильными паттернами потребления трафика. Стабильность эта позволяет системе (на уровне базовой станции) превентивно выделять для очередного подключившегося к ней eMBB-абонента определённый сетевой ресурс. При этом все такого рода абоненты, нуждаясь в высокоплотном потоке (обычно входящих) данных, довольно толерантны к потерям пакетов — надёжность доставки для них вполне допустима на уровне 10–3 — и заодно занимают отводимые им каналы интервально: от нескольких минут до единиц часов. Более того, активность их в пределах зоны покрытия данной базовой станции тоже вполне предсказуема: если это спальный район, пики нагрузки будут приходиться на утро и вечер, если деловой центр — на разгар рабочего дня и т. п.
Количественная разница рабочих параметров сетей 5G и 6G для различных сервисов настолько масштабна, что должна перейти в качественную
Напротив, mMTC-абоненты «просыпаются» вразнобой, непредсказуемым образом, — но трафик их при этом ничтожен по сравнению с поглощаемым eMBB-устройствами. Хотя одновременно в зоне покрытия могут находиться сонмы таких абонентов (до 1 млн на 1 кв. км в случае 5G, предположительно до 10 млн — в разрабатываемой спецификации 6G), в любой конкретный момент времени передают (и, реже, принимают) скромные потоки данных лишь считаные десятки, максимум сотни их. Как раз по этой причине крайне неразумным шагом было бы заведомо выделять каждому известному mMTC-абоненту пусть небольшую, но фиксированную полосу частот — в расчёте на то, что он, активизировавшись, сразу займёт отведённый канал и без каких бы то ни было затруднений отправит/передаст свои скромные порции данных.
Гораздо более эффективный подход — на основе статистики предыдущих подключений выделять для устройств, нуждающихся в подобных сервисах, определённую общую полосу частот, внутри которой каждый вновь активирующийся случайным образом абонент будет получать причитающуюся ему долю. В отсутствие средств машинного обучения, интегрированных в структуру сети, динамически предсказывать точную ширину такой полосы затруднительно — и, скорее всего, в стандарт 6G уже будут заложены ИИ-инструменты для решения этой и ряда иных схожих задач. Работу с mMTC-устройствами дополнительно облегчает то, что им чаще всего достаточно крайне низкой надёжности доставки пакетов — буквально 10–1: при любом сбое несложно и недорого оказывается повторить передачу.
Наконец, сервисы uRLLC ориентированы на немногочисленные, но имеющие критически важную значимость устройства, которым в неспецифичных для типов передаваемых данных сетях приходится нелегко. Объёмы передаваемых uRLLC-абонентами данных крайне скромны даже в сравнении с объёмами данных, передаваемых mMTC-абонентами, однако надёжность их доставки обязана превосходить 10–5.
Практическую важность качественно иного подхода к таким абонентам демонстрирует недавний трагический случай в южнокорейской провинции Кёнсандо, когда и, словно ящик с овощами (для манипуляций с которыми и был установлен), так плотно приложил к конвейерной ленте, что серьёзно повредил ему голову и грудную клетку, — человек позже скончался в больнице. Если бы этот агрегат был частью 5G- или тем более 6G-платформы с интегрированными uRLLC-сервисами (в идеале — умными), то с неисправным аварийным датчиком он просто не смог бы шевельнуться. А если каким-то чудом и смог бы — одновременно не сработали бы несколько блокирующих контуров на самом манипуляторе, — то внешняя система безопасности на уровне службы видеонаблюдения в цеху, моментально отождествив ситуацию как аварийную, по uRLLC-каналу тут же обесточила бы проблемный агрегат.
В 1990-х второе поколение сотовых систем (2nd generation, 2G) не только обеспечило повышение качества голосового обмена и шифрование соединений, но и предложило возможность пересылки текстовых — и даже мультимедийных — сообщений между абонентами. Сети 3G, начавшие распространяться в 2000-х, подняли типичную пропускную способность ещё на порядок (до 2 Мбит/с на старте; для 2G в начале пути характерным значением было 0,2 Мбит/с, для 1G — 2,4 Кбит/с), что открыло дорогу для видеокоммуникаций и веб-сёрфинга, пусть и довольно ограниченного по возможностям (в версии WAP — ), через сотовые аппараты.
Следующее поколение сотовой связи, шестое, , — и оно, разумеется, также в очередной раз расширит доступные пределы скорости обмена данными в мобильных сетях, снизит характерные значения латентности, увеличит пропускную способность и т. п. Так, ещё в 2018 г. эксперты IEEE в 1 Тбит/с на каждого абонента — примерно на три порядка больше фактически достижимой на оборудовании пятого поколения.
Но дело далеко не в одних лишь количественных изменениях: сети 6G их разработчики рассматривают как инструмент для органичного сопряжения физического и цифрового миров. Не случайно даже на официальном сайте Nokia Bell Labs, солидной исследовательской организации в области радиотехники, об этом светлом грядущем пишут : «В эпоху 6G границы между цифровым и физическим мирами и человеческим их восприятием сотрутся — что станет толчком к пробуждению сверхчувственных переживаний». Наступит, если верить пророчествам экспертов, эра (Internet of Everything, IoE) — мира, насыщенного непрерывно коммуницирующими между собой (и с людьми) умными датчиками и системами обратной связи, в немалой степени управляемыми искусственным интеллектом.
Прогнозы (IEEE) в отношении общемировых объёмов трафика в Эбайт/мес (слева) и удельного потребления того же трафика в пересчёте на одного абонента, Гбайт/мес
Значит, индустрии в целом — от разработчиков стандартов сотовой связи до производителей оборудования и операторов — необходимо отыскать какое-то невыразимо притягательное для широкой массы абонентов и для бизнеса одновременно ИТ-направление, принципиально нереализуемое за пределами сетей шестого поколения. Пока такого «killer feature» в явном виде не обнаружено.
Зато когда — и если — это произойдёт, уже первые успешно запущенные проекты 6G наглядно продемонстрируют тот качественный скачок в изменении самого восприятия мира, физического и цифрового, который обещают разработчики и провозвестники этой новейшей технологии. И в этом случае есть резон ожидать, что распространится она по миру быстрее своей предшественницы. Но, как предупреждает ряд экспертов, — сосуществуя (и применяясь для разных задач) с сетями и пятого, и даже четвёртого поколения. Тем более неплохо заранее разобраться в том, чем же на техническом уровне 6G отличается от 5G — и для каких приложений эта разница может оказаться действительно значимой.
Скорости и частоты
Наиболее разительным (для конечного пользователя) отличием сетей пятого поколения от предшествующих, 4G LTE, стал резкий взлёт потолка предельно достижимой скорости обмена данными: . В начале 2022 г. китайские инженеры, испытывая прототипы операторского и абонентского оборудования 6G в стенах лаборатории, . Понятно, что в реальных сетях шестого поколения, особенно на первых порах, фактически доступный предел пропускной способности будет пониже, но это в любом случае солидная заявка на успех. Важно также, что заявленная скорость была достигнута при использовании радиоволн терагерцевого диапазона (точнее, неуказанных полос в границах от 300 ГГц до 3 ТГц), — а именно этот диапазон рассматривается сегодня как основной для будущих коммерческих реализаций сетей 6G.Предлагаемые экспертами IEEE сценарии применения сотовой связи 6G включают межмашинные коммуникации, интерфейсы «мозг—компьютер», автономный транспорт во всех средах, виртуальную/дополненную/смешанную реальность — и многое другое
Дело в том, что предельная пропускная способность в сетях 5G ограничена их базовыми спецификациями, тогда как трафика по ним передаётся всё больше, — и потому разработчики 6G стремятся подготовить новый стандарт заблаговременно, чтобы доступная ширина каналов сотовой связи не стала уже через считаные годы ограничивать общие темпы прогресса высоких технологий.
По относящейся к 2020 г. оценке ITU-R (ITU Radiocommunication Sector — Сектор радиосвязи Международного союза электросвязи), объём проходящих через Интернет данных по всему миру в 2020-2030 гг. : от 7,5 Эбайт в месяц в начале этого периода до 5 тыс. Эбайт в месяц в его конце. Причём в немалой степени — как раз за счёт беспроводных межмашинных коммуникаций, так что примерно к 2030-му сети пятого поколения с такими потоками данных просто физически перестанут справляться. Отсюда — потребность в разработке, утверждении и принятии на вооружение нового стандарта сотовой связи с куда более обширным потенциалом, рассчитанным по меньшей мере ещё на десяток лет экспоненциального роста, — собственно пресловутого 6G.
Набросанная нечёткими линиями фигура человека в окружении декларируемых визионерами отличительных особенностей 6G символизирует уже испытанное им киберфизическое слияние — без достижения которого, скорее всего, сети шестого поколения для обывателя не так уж кардинально будут отличаться от сетей пятого
- пиковая скорость передачи данных — 1 Тбит/с,
- задержка сигнала при обмене с удалённым сервером — не более 0,1 мс,
- типичный срок службы аккумулятора радиомодема — 20 лет (отражает крайне высокую энергоэффективность коммуникаций в сети шестого поколения), плюс возможность подзарядки устройства от самих же высокочастотных радиоволн,
- объёмная плотность одновременно обслуживаемых базовой станцией абонентских радиомодемов — до 100 единиц на кубический метр, пространственная — до 10 млн на 1 кв. км,
- предельно допустимая частота потери данных — 1 утраченный пакет на 1 млн отправленных,
- точность позиционирования абонентского устройства (только на основе радиоданных, без привлечения спутниковой и иной дополнительной навигации) — 10 см внутри помещений и 1 м на открытой местности,
- максимальная эффективность использования доступного для передачи данных радиоспектра — 100 бит/с на каждый герц (для сравнения: у 4G этот показатель — 15 бит/с на герц, у 5G — 30 бит/с на герц),
- поддержание устойчивой связи с абонентами, движущимися со скоростью до 1000 км/ч (для 4G — 350 км/ч, для 5G — 500 км/ч),
- полная интеграция со спутниковыми каналами передачи данных (прежними стандартами не предусматривалась),
- предельные рабочие частоты — 10 ТГц (для 4G — 6 ГГц, для 5G — 90 ГГц),
- уровень предоставляемого по беспроводному каналу сервиса — (для 4G максимум возможностей — потоковое видео, для 5G — виртуальная/дополненная реальность, VR/AR),
- антенная архитектура — (для 4G — MIMO, для 5G — Massive MIMO).
Важно, что, хотя формально некоторые из этих разновидностей коммуникаций возможно реализовать в сетях предыдущих поколений, особенно 4G LTE, только 5G за счёт присущей её архитектуре гетерогенности — высокой избирательности в плане того, как именно обрабатывать пакеты данных с различными характеристиками, — наиболее полно раскрывает потенциал такого рода сервисов. «Наиболее полно» — на текущий момент, конечно; предполагается, что стандарт 6G выведет eMBB, URLLC и mMTC на совершенно новую высоту.
Сервисы eMBB, URLLC и mMTC по-прежнему будут доступны и в сетях шестого поколения, однако уже на новом качественном уровне и, вероятно, с возможностью динамического изменения характеристик выделяемых для подключённых устройств коммуникационных каналов
Загвоздка с точки зрения организации беспроводной сети в том, что три эти разновидности коммуникаций выдвигают принципиально разные требования к сетевой архитектуре. Если просто механически их просуммировать, плановые характеристики проектируемой сети окажутся попросту нереалистичными, — и как раз по этой причине сети пятого и последующих поколений проектируются гетерогенными, т. е. способными отождествлять различные типы терминалов (и передаваемых/получаемых теми данных), предоставляя каждому из абонентов оптимально соответствующие его запросам сервисы. Принципиально это схоже с (quality of service; когда разным категориям трафика предоставляются различные приоритеты при обслуживании) для компьютерных сетей. Но в реалиях сотовой связи — огромное число активных абонентов для каждой базовой станции, включая перемещающихся в пространстве, — проблема организации гетерогенной среды обмена данными выходит далеко за пределы сортировки пакетов по степени важности в соответствии с их заголовками.
По сути, сервисы eMBB — это ; они рассчитаны на охочие до полосы пропускания устройства с достаточно стабильными паттернами потребления трафика. Стабильность эта позволяет системе (на уровне базовой станции) превентивно выделять для очередного подключившегося к ней eMBB-абонента определённый сетевой ресурс. При этом все такого рода абоненты, нуждаясь в высокоплотном потоке (обычно входящих) данных, довольно толерантны к потерям пакетов — надёжность доставки для них вполне допустима на уровне 10–3 — и заодно занимают отводимые им каналы интервально: от нескольких минут до единиц часов. Более того, активность их в пределах зоны покрытия данной базовой станции тоже вполне предсказуема: если это спальный район, пики нагрузки будут приходиться на утро и вечер, если деловой центр — на разгар рабочего дня и т. п.
Количественная разница рабочих параметров сетей 5G и 6G для различных сервисов настолько масштабна, что должна перейти в качественную
Гораздо более эффективный подход — на основе статистики предыдущих подключений выделять для устройств, нуждающихся в подобных сервисах, определённую общую полосу частот, внутри которой каждый вновь активирующийся случайным образом абонент будет получать причитающуюся ему долю. В отсутствие средств машинного обучения, интегрированных в структуру сети, динамически предсказывать точную ширину такой полосы затруднительно — и, скорее всего, в стандарт 6G уже будут заложены ИИ-инструменты для решения этой и ряда иных схожих задач. Работу с mMTC-устройствами дополнительно облегчает то, что им чаще всего достаточно крайне низкой надёжности доставки пакетов — буквально 10–1: при любом сбое несложно и недорого оказывается повторить передачу.
Наконец, сервисы uRLLC ориентированы на немногочисленные, но имеющие критически важную значимость устройства, которым в неспецифичных для типов передаваемых данных сетях приходится нелегко. Объёмы передаваемых uRLLC-абонентами данных крайне скромны даже в сравнении с объёмами данных, передаваемых mMTC-абонентами, однако надёжность их доставки обязана превосходить 10–5.
Практическую важность качественно иного подхода к таким абонентам демонстрирует недавний трагический случай в южнокорейской провинции Кёнсандо, когда и, словно ящик с овощами (для манипуляций с которыми и был установлен), так плотно приложил к конвейерной ленте, что серьёзно повредил ему голову и грудную клетку, — человек позже скончался в больнице. Если бы этот агрегат был частью 5G- или тем более 6G-платформы с интегрированными uRLLC-сервисами (в идеале — умными), то с неисправным аварийным датчиком он просто не смог бы шевельнуться. А если каким-то чудом и смог бы — одновременно не сработали бы несколько блокирующих контуров на самом манипуляторе, — то внешняя система безопасности на уровне службы видеонаблюдения в цеху, моментально отождествив ситуацию как аварийную, по uRLLC-каналу тут же обесточила бы проблемный агрегат.
Последнее редактирование:
