Шестое G: какой будет связь будущего

Сети 5G только начинают развертываться, однако за ними уже проступают контуры следующего поколения мобильной связи.
Шестое G: какой будет связь будущего

Прошедший 2019-й можно назвать «годом 5G». В апреле консорциум 3GPP, который разрабатывает спецификации мобильной связи, выпустил 15-й релиз, описывающий стандарты нового поколения, и сети стали развертываться по всему миру. Уточнение параметров 5G еще продолжается, и в 2020–2021-м должны по­явиться релизы 16 и 17, которые завершат описание 5G, доведя его до условного уровня «5++». Тем временем гонка к новому поколению 6G уже началась.

В марте 2019 года в финском Университете Оулу состоялась первая встреча консорциума 6G Flagship. Вуз, который выступает ключевой научно-исследовательской базой компании Nokia, возглавил работу над сетями следующего поколения. А в ноябре официальный старт разработкам технологий 6G дало и правительство Китая. К ним уже подключились все основные производители телекоммуникационного оборудования, и следующая встреча 6G Flagship должна состояться в марте 2020-го.

«Вопрос о 5G можно считать в целом закрытым на уровне релиза 15, – рассказал нам руководитель лидирующего исследовательского центра (ЛИЦ) Сколтеха Виталий Шуб, который принимает непосредственное участие в работе над новым поколением связи. – Спецификации определены, технологии созданы, идет промышленное производство оборудования. Китайские заводы выпускают под сотню тысяч базовых станций в месяц». Пора думать о том, как будет выглядеть связь 6G.

Смартфон

Вечный цикл

Телекоммуникационная инфраструктура использует сети двух принципиально различных типов. Сети с фиксированным ресурсом – такие, как, например, проводное подключение по медному, коаксиальному или оптоволоконному кабелю, – напрямую соединяют абонента с каким-либо портом оператора, который гарантирует определенную пропускную способность этого канала. Выделенная связь предназначена персонально для пользователя, как водопроводная труба, подведенная к крану в доме.

В отличие от них сотовые сети по определению являются сетями с делимым ресурсом. Их спецификация гарантирует определенную скорость передачи к общему пулу абонентов и от них только между ними и базовой станцией. Однако итоговая скорость обмена данными зависит от числа подключенных абонентов, от емкости сети и других факторов. «По сути, мобильная связь по 4-е поколение включительно – это уникальный бизнес, который может предоставлять сервис без каких-либо гарантий его качества, – говорит Виталий Шуб. – Более того, с этим ничего не поделать: такая особенность вытекает из самой “физики” сети, из ограниченности ее ресурса, который делится между всеми пользователями».

В результате каждое следующее поколение сотовой связи проходит одни и те же характерные этапы. Первое время после появления новой технологии абонентов в такой сети не слишком много и доступные им скорости по‑настоящему высоки. Однако затем сеть начинает заполняться, в ней становится все больше и пользователей, и требовательных приложений. В результате скорости падают и возникает потребность во внедрении новых технологий и нового поколения связи. Практика показывает, что такая смена занимает около 10–12 лет.

Смартфон

«Бизнес развивается «по пиле»: постепенное насыщение сетей завершается появлением следующего поколения связи, которое ослабляет эту нагрузку, – объясняет Виталий Шуб. – Сперва появляется предложение, оно рождает спрос на новые возможности. Но затем все меняется: возникший спрос требует нового предложения, новых технологий для его удовлетворения. Сотовые операторы просто вынуждены постоянно расширять сеть и улучшать ее характеристики».

Между пятым и шестым

Каждое следующее поколение сотовой связи можно связать с переходами к новым, все более сложным принципам кодирования сигнала. Первые из них использовали системы с частотным разделением (FDMA) – это простейший подход, при котором доступ к общему каналу разделяется между пользователями за счет временного выделения им определенных частот. Следом получили распространение технологии TDMA, позволяющие нескольким абонентам использовать один и тот же канал, деля его короткими интервалами времени.

Потом был внедрен множественный доступ с кодовым разделением (CDMA и WCDMA), который дает дополнительные возможности параллельного использования частот. Сигнал при этом модулируется специальной кодирующей последовательностью, для каждого абонента своей. Антенна базовой станции передает запутанный, похожий на шум сигнал, но каждый конечный получатель, зная свой код, способен выделить из него нужную для себя часть.

Затем был реализован множественный доступ с ортогональными несущими (OFDMA), при котором каждая несущая частота, в свою очередь, разделяется на множество поднесущих, модулируемых независимо друг от друга. Сегодня и этот подход приближается к своему теоретическому пределу. «Для каждой технологии существует предельная спектральная эффективность, то есть число бит в секунду, которые может передать 1 Гц радиоволны, – объясняет Виталий Шуб. – Пятое поколение приближается к 30–50 бит/с·Гц, почти полностью используя возможности математического аппарата кодирования. Это и дает огромную пропускную способность: добавьте сверхширокую полосу несущей, и вы получите цифры от 100 Мбит/с до 1 Гбит/с, а в некоторых случаях даже и 20 Гб/с».

Связь

Ожидается, что связь 6G достигнет уже от 100 Гбит/с до 1 Тбит/с, а скорость отклика сети – менее миллисекунды. Точные требования к стандарту еще не сформулированы, однако предполагается, что именно такие цифры понадобятся для работы беспилотного транспорта, сложных систем искусственного интеллекта и виртуальной реальности, роботизированной промышленности и логистики. Достижение нужных показателей потребует использования новых частот, новой математики и даже физики.

Новые скорости

Скорость передачи данных определяется шириной несущего канала и спектральной эффективностью, и работа для 6G ведется по обоим направлениям. Так, чтобы увеличить ширину несущей, необходимо задействовать новый, пока недоступный для связи диапазон, переходя к еще более коротковолновым радиоволнам – частотой до 100 ГГц и даже выше, в терагерцовую, субмиллиметровую область (300 ГГц – 3 ТГц), которая остается практически незанятой и позволит использовать широкий рабочий диапазон.

До недавнего времени терагерцовые передатчики и приемники оставались сложны и громоздки, как ранние компьютеры. Такие установки нашли массовое применение лишь в последние годы – например, при досмотрах багажа в поисках взрывчатки, в медицине и материаловедении. Для шестого поколения связи терагерцовые устройства должны стать еще более миниатюрными и энергоэффективными. А в дополнение к этому широкому каналу должны появиться и новые технологии кодирования сигнала для повышения его спектральной эффективности. Одним из ключевых направлений этой работы стали «оптические вихри», которыми активно занимаются разработчики из Сколково. «Световую волну можно представить, как штопор или спираль, – поясняет Виталий Шуб. – Шаг этой спирали может быть неравномерным, более того, его можно контролировать. Научившись модулировать такие неоднородности волны, мы получаем дополнительный способ кодирования сигнала». Такие технологии движутся вперед семимильными шагами, и в 2018 году австралийские ученые уменьшили систему для модуляции углового орбитального момента волны (OAM) до размеров микрочипа, вполне подходящего для использования в карманном гаджете. По некоторым оценкам, применение OAM-кодирования позволит увеличить спектральную эффективность как минимум впятеро. «Теоретические пределы тут пока не установлены, поскольку пока неясно, насколько мы сумеем варьировать и контролировать «шаг луча», – добавляет Виталий Шуб. – Возможно, что рост составит и десять, и сотню раз».

Ноутбук

Рекордные реакции

Совершенно иные проблемы ставит необходимость довести время отклика сетей 6G до суб-миллисекундных показателей. По словам Виталия Шуба, это потребует глобальных изменений в топологии сети. Дело в том, что все последние годы они развивались с ориентацией на «облачное» хранение данных. Наши файлы, музыка, фотографии физически могут находиться где угодно, на сервере в США, в Австралии или Дании. Пока «узким местом» в доступе к ним остается скорость беспроводной связи, большого значения это не имеет. Однако связь 5G уже достаточно быстра, и даже самого мощного проводного канала между сотовым оператором и сервером оказывается недостаточно: хранение необходимо переносить ближе к абоненту. «Все начинает возвращаться на круги своя, – говорит Виталий Шуб. – То, что в третьем и четвертом поколениях двинулось в одну сторону, разворачивается обратно». Такой подход воплощает концепция Mobile Edge Computing (MEC): центры пакетной коммутации, которые накапливают наиболее востребованные пользователями данные для ускорения доступа к ним, переезжают максимально близко к получателю, а «умное» программное обеспечение по­стоянно корректирует содержание и распределение контента в зависимости от потребностей абонента. Вместо высокой, многоярусной иерархии сеть становится почти «плоской», и время задержек внутри нее резко снижается. 

Реализация MEC сталкивается с рядом новых и нерешенных технических проблем. В частности, необходима еще большая миниатюризация систем пакетной коммутации сигнала и накопителей данных, повышение их емкости и снижение энергопотребления. Пока же 6G делает лишь первые приблизительные шаги в ожидании времени, когда предыдущее поколение приблизится к «этапу насыщения». Скорее всего, это произойдет около 2025–2027 годов, когда станут ясны новые запросы абонентов и приложений. Лишь затем будут сформулированы конкретные требования к следующим стандартам связи.

Политическое поколение

Основные игроки на этом поле уже определены – помимо Nokia и китайского Huawei, это корпорации Samsung и Ericsson. Ожидается, что около 2028–2030 годов они выработают основные параметры 6G, и консорциум 3GPP выпустит очередной релиз с описанием ключевых стандартов нового поколения. Однако все способно пойти и по другому, неожиданному сценарию. «Можно ждать, что шестое поколение станет самым политизированным, – говорит Виталий Шуб. – Попытки Запада «обуздать» Китай проявляются уже на этапе 5G, и они могут продолжиться, разрушив всю сложную систему международной кооперации». В самом деле, патентный пул на технологии связи 5G почти на треть принадлежит китайскому Huawei, – а с шестым поколением эта ситуация, видимо, только усугубится. Помимо уже принятой государственной программы по развитию 6G, КНР может опираться на недоступные более нигде в мире внутренние ресурсы, на свой огромный рынок и колоссальные объемы «больших данных». «Вся современная экономика – это «экономика поголовья»», – добавляет Виталий Шуб.

Впрочем, и в рамках такой экономики для России пока что сохраняется своя небольшая уникальная ниша. Наши разработчики активно вовлечены в создание физического и технологического фундамента, на основе которого появятся и патенты, и стандарты 3GPP. «Это новые материалы, новая математика, новые принципы – кошмарная по объемам работа, – резюмирует Виталий Шуб. – Остается лишь надеяться, что нам удастся уложиться в обычный 10-летний цикл реализации».