Зачем нужны сети 6G, если 5G все еще так и не стали массовыми?

С самого конца 1970-х, когда зародилась мобильная сотовая связь, 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 — Wireless Application Protocol), через сотовые аппараты.

Источник: Pixabay

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, должно появиться в виде коммерчески эксплуатируемых сетей уже в 2030 г., — 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 оценивали типичную пропускную способность сетей 6G 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 весьма лирических выражениях: «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 Интернета всего (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 Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) в отношении общемировых объёмов трафика в Эбайт/мес (слева) и удельного потребления того же трафика в пересчёте на одного абонента, Гбайт/мес (источник: IEEE)

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 недоступность «золотого» частотного диапазона 3,4-3,8 ГГц: в Северной Америке к исходу 2023-го не более 32% мобильных соединений 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, полностью её не вытеснит — 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: примерно с 300 Мбит/с почти до 10 Гбит/с. В начале 2022 г. китайские инженеры, испытывая прототипы операторского и абонентского оборудования 6G в стенах лаборатории, отчитались о фактически замеренной скорости в 206,25 Гбит/с. 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 (источник: IEEE)

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. будет расти экспоненциально: 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 (источник: 6G Flagship)

Большая группа исследователей из Оулуского университета в Финляндии сформулировала в 2019 г. (когда, напомним, сети пятого поколения только начинали вводиться в коммерческую эксплуатацию) следующие отличительные черты грядущих 6G-коммуникаций:

• 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 — тактильный Интернет (для 4G максимум возможностей — потоковое видео, для 5G — виртуальная/дополненная реальность, VR/AR),
• антенная архитектура — реконфигурируемая умная поверхность (для 4G — MIMO, для 5G — Massive MIMO).

Уже сегодня в сетях 5G реализуются три важнейшие категории сервисов, недоступные для прежних поколений сотовой связи: eMBB, URLLC и mMTC. Именно комбинация трёх этих типов коммуникаций обеспечивает скорость передачи данных в сетях пятого поколения до 10 Гбит/с, плотность активных абонентов на уровне 1 млн устройств на 1 кв. км (основную массу которых должны, впрочем, составлять маломощные и нетребовательные к ширине полосы пропускания IoT-гаджеты) и надёжность обмена пакетами на уровне 10^–5 (1 потерянный пакет на 100 тыс. доставленных). 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 (источник: DOCOMO)

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 подходом QoS (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 прямое развитие высокоскоростных протоколов LTE; 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 (источник: DOCOMO)

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 робот-манипулятор подхватил изучавшего его датчики сотрудника фабрики 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.

⇡#Платформа цветущей сложности

Если сотовую сеть пятого поколения как платформу для гетерогенных коммуникаций можно свести к совокупности eMBB-, URLLC- и mMTC-сервисов, то сеть шестого, по замыслу её разработчиков, предоставит взаимодействующим устройствам самых различных типов (и людям, конечно же) значительно больше возможностей: и тех, что уже имеются — в усиленном, расширенном, обогащённом виде, — и совершенно новых, на нынешнем уровне развития мобильных технологий не реализуемых в принципе.

Только на платформе 6G — по крайней мере, потенциально; пока, напомним, спецификации её далеки от утверждения — удастся реализовать такие решительно фантастические на сегодня приложения, как трёхмерные беспроводные сети, квантовые коммуникации, голографическое формирование радиолуча, умные отражающие поверхности, проактивное кеширование и обмен данными через обратное рассеяние. За счёт обеспечиваемой сетями шестого поколения возможности оперировать огромными разнонаправленными потоками разнородных данных при минимальных задержках сигнала новый импульс к развитию получат интеллектуальные носимые устройства, умные импланты, самоуправляемые автомобили и иные машины, а также элементы вычислимой реальности (reality computing — взаимодействие компьютерных систем и операторов с цифровыми двойниками самых разных объектов, базирующееся на безусловной уверенности в полном соответствии этих двойников своим физическим прототипам). Всё это настолько непривычно на нынешнем уровне развития технологий, что заслуживает более внимательного рассмотрения, пусть даже и краткого.

Выход сетевой структуры сотовой связи в третье измерение сам по себе потребует значительной переработки её спецификаций (источник: IEEE)

Трёхмерная сетевая структура (3D networking) предполагает существенно увеличенную по вертикали зону действия сотовой сети: не только вблизи земной поверхности, где размещаются классические базовые станции, но и в воздухе (базовые станции на пилотируемых аппаратах и автономных дронах, а также на дирижаблях) и даже в космосе (на низкоорбитальных спутниках — от 500 до 2000 км, на манер «созвездий», обеспечивающих сегодня работу сетей Starlink и OneWeb). При этом все три слоя коммуникационных узлов будут интегрированы в единую SDN-систему — что принципиально отличается от доступной уже сегодня возможности задействовать современную спутниковую связь (именно как дополнительную услугу, часто лишь для аварийных вызовов при отсутствии покрытия сотовой сетью) на наиболее передовых 5G-смартфонах.

С прикладной точки зрения 3D networking представляет собой эволюционное развитие таких хорошо отработанных радиоинженерами технологий, как Massive MIMO (multi-user multiple-input multiple-output; эксплуатация большим числом абонентов одновременно множественных каналов передачи и приёма данных за счёт существенно многоантенной конфигурации базовых станций, — когда речь идёт об антенных массивах в сотни полуволновых диполей), beamforming (формирование направленного радиолуча для коммуникации с каждым отдельным абонентом), DSS (dynamic spectrum sharing, динамическое совместное использование радиоспектра, когда в одном и том же диапазоне частот сосуществуют радиоканалы с различными характеристиками, в том числе разных G-поколений). Правда, для успешного воплощения трёхмерной структуры сотовой сети придётся справиться с целым рядом вызовов — включая существенно более значимую, чем для «одноуровневых» сетей, интерференцию потоков данных между базовой станцией и различными её абонентами, повышенные энергозатраты на коммуникации с более удалёнными абонентами, а также необходимость дополнительной защиты «трёхмерных» информационных каналов.

Квантовое запутывание — основа налаживания квантовой коммуникации (источник: MIT)

Квантовые коммуникации (quantum communications), кстати говоря, позволят решить вопрос усиления информационной безопасности в сетях 6G едва ли не автоматически — для тех, разумеется, устройств, на которых будут реализованы. Одно из принципиально важных следствий квантовой теории, теорема о запрете клонирования, утверждает невозможность создания идеальной копии произвольного неизвестного квантового состояния. Когда по обычной информационной сети распространяется пакет данных, сделать его копию не составляет труда практически на любом коммутаторе, к которому может получить доступ злоумышленник, — потому процедура обмена ключами шифрования перед началом кодированной коммуникации в классических сетях настолько уязвима. Квантовую же частицу (точнее, её предварительно неизвестное состояние) нельзя скопировать незаметно, и потому попытка перехвата данных в канале квантовой коммуникации сразу же будет обнаружена взаимодействующими сторонами. Впрочем, квантовая криптография — тема совершенно особая, не сводящаяся к сетям 6G, и её имеет смысл рассмотреть позже в отдельной статье.

Голографическое формирование луча в топологии Massive MIMO позволяет формировать направленные каналы радиосвязи для множественных абонентов (источник: Ellintech)

Голографическое формирование луча (holographic beamforming, HBF) представляет собой развитие идеи MIMO в том самом направлении, которое в целом задаёт переход к сетям шестого поколения, — в сторону киберфизической реальности (о которой мы ещё упомянем чуть ниже). Если антенные массивы MIMO/Massive MIMO реализуются на привычном для радиофизики аппаратном уровне, то в случае HBF они определяются программно. Точнее, речь идёт о пассивных антеннах с электронным управлением, функционирующих в милли- и микрометровом диапазонах радиоволн, и «голограммой» в данном случае называется пространственная структура импедансов составляющих фазированную решётку антенн. В зависимости от конкретного вида этой структуры излучаемая антенной энергия концентрируется в основном на заданном направлении, что позволяет гораздо эффективнее, чем в случае MIMO, формировать узконаправленные радиолучи. По заявлению компании Pivotal Commware, разработавшей технологию HBF, та обеспечивает недостижимое чисто аппаратными аналогами соотношение между себестоимостью, физическими габаритами, массой и рабочей мощностью готового устройства. С точки зрения трёхмерной сетевой структуры это чрезвычайно важно: типичный MIMO-блок из 200 антенн для миллиметрового радиодиапазона представляет собой прямоугольник размерами примерно 1,5 × 0,75 м — для размещения на спутнике или дроне это чрезвычайно много.

Различные типы метаповерхностей для радиоволн, слева направо: отражатель, динамический пропускатель, «линза» (источник: DOCOMO)

Умные отражатели (intelligent reflecting surface, IRS, они же «умные» или «реконфигурируемые» поверхности) решают ту же задачу, что и HBF-системы, — но не управляемым изменением импедансов составляющих фазированную антенную решётку диполей, а путём прямого контроля над свойствами отдельных участков (ячеек) так называемых метаматериалов. Для формирования направленных радиолучей (за счёт продуманного сочетания конструктивной и деструктивной интерференций) его ячейки должны обладать способностью менять некие свойства падающих на метаматериал волн — амплитуду, фазу и/или поляризацию. И если для макрообъектов — диполей в HBF-системах — управляющие «голограммы» импедансов ещё можно рассчитывать с использованием алгоритмической автоматизации, то для управления IRS уже, несомненно, потребуется привлекать средства машинного обучения. Особенно если речь будет идти о целом ряде последовательных контролируемых переотражений — например, для того, чтобы создать нормальную зону покрытия 6G в узком «каньоне» между высокими зданиями в деловом центре города. Да, ту же задачу можно решить с использованием репитеров или дополнительных усиливающих мини-станций, но вмонтированные прямо в стены домов или даже под плитку на пешеходных дорожках метаповерхности обещают в этом плане заметную экономию.

Впрочем, проактивное кеширование (proactive caching) данных на базовых станциях в сетях 6G всё равно потребуется, поскольку станции эти неизбежно окажутся ещё более компактными и ещё теснее расположенными, чем для сетей пятого поколения. Радиоволны рассеиваются в атмосфере тем сильнее, чем выше их частота, так что при одной и той же мощности излучения и высоте размещения зона уверенного покрытия у базовой станции 6G (десятки гигагерц, терагерцы) будет заметно меньше, чем у 5G (максимум единицы гигагерц). Если просто последовательно передавать сигнал с одной станции на другую, это увеличит задержку, особенно для нисходящего трафика (даунлинка), который востребован огромным количеством eMBB-абонентов в значительных объёмах. По этой причине интеллектуальное кеширование наиболее часто запрашиваемых данных сделается в сетях шестого поколения насущной необходимостью — и тут, как легко заметить, снова не обойтись без ИИ, который один только и окажется в силах адекватно оптимизировать эту процедуру в реальном масштабе времени при суммарной фактической ёмкости канала даунлинка, исчисляемой сотнями гигабит в секунду.

Схематическое изображение динамической реорганизации малого участка сети 6G с применением метаповерхностей и обратного рассеяния для оптимизации пространственных каналов радиосвязи с отдельными абонентами (источник: IEEE)

Обмен данными через обратное рассеяние (ambient backscatter communication, AmBC) использует крайне высокую энергетическую насыщенность высокочастотного радиоизлучения для того, чтобы налаживать коммуникации между электронными устройствами, вовсе не имеющими батарей. Это особенно важно для элементов IoT/IIoT, а в дальнейшем и IoE: чем больше повсюду будет становиться умных датчиков, тем острее окажется вопрос их энергетического снабжения — в плане регулярной подзарядки/замены батарей, их обслуживания и т. п. Принцип получения абонентом энергии от самой же принимаемой радиоволны известен давно — он лежит в основе детекторных приёмников. На небольших расстояниях и при малом объёме передаваемых данных mMTC-абоненты окажутся вполне в состоянии использовать отражённые сигналы от самих же сотовых базовых станций, от радаров умных авто, от вышек цифрового телевещания и т. п. — чтобы обмениваться информацией либо между собой, либо с некими дополнительными устройствами, играющими роль AmBC-коммутаторов. Даже в заметно насыщенном радиоволнами пространстве большого города трудно гарантировать доступность в каждый момент времени радиоволн нужного частотного диапазона, падающих на данный конкретный безбатарейный датчик, — однако как раз для mMTC-устройств это совершено не проблема. В случае же инсталляций IoE, когда информацию с множества сенсоров необходимо собирать непрерывно и с крайне малыми задержками по времени, само формирование радиолуча для опроса таких датчиков в сетях 6G наверняка уже будет вестись с изрядным энергетическим запасом — как раз ради активации AmBC-абонентов.

⇡#Нужен убийца (в хорошем смысле)

Как видно, масштаб задач, которые придётся решать разработчикам сетей шестого поколения, поистине титанический. Но вот вопрос: чего ради приниматься за столь сложную инженерную проблему? На чём в принципе основана уверенность экспертов ITU-R, о которой упоминалось несколько ранее, что потребление мобильного трафика на планете в перспективе ближайшего по меньшей мере десятилетия продолжит расти экспоненциально?

Доли смартфонов с различными диагоналями экранов в анонсах новых моделей по месяцам с января 2007 по май 2014 г. (Источник: SomosPostPC)

К примеру, переход от 3G к 4G сделал возможным просмотр со смартфона видеороликов в высоком разрешении. Однако какой смысл разглядывать такие ролики на экранчике с диагональю 3 дюйма и меньше? Между тем сотовые аппараты именно с такими — крохотными по современным меркам — дисплеями доминировали на рынке вплоть до 2009 г., — до самого финала «эры новизны» 3G, когда этот стандарт организации связи продолжал оставаться наиболее передовым из внедрённых на практике. И вот как раз на первое полугодие 2009-го пришлось драматическое обрушение прежней структуры смартфонного рынка: если в январе того года модели с 3-дюймовыми и ещё более мелкими экранами составляли почти 70% всех анонсированных за текущий месяц новинок, то уже к июлю их доля упала примерно до 20% — и после уверенно снижалась, хотя и с рядом временных отскоков, выйдя на статистически незначимый уровень 0-5% во второй половине 2021-го. И наоборот: новинки с дисплеями диагональю 4 дюйма и более в июле 2010-го фигурировали чуть более чем в 5% анонсов, — а к середине 2013-го их доля выросла примерно до 85%.

Иными словами, каждому новому стандарту мобильной связи куда проще прокладывать себе дорогу, когда от его скорейшего внедрения получают весомые преимущества другие высокотехнологичные направления — даже те, что не имеют прямого отношения к собственно вышкам с операторским оборудованием и к сотовым аппаратам в руках абонентов. Если среди этих направлений-бенефициаров можно уверенно выделить одно, которое с очевидностью не только больше прочих выиграло от перехода абонентов на новый G-стандарт, но и само — в силу своей широкой популярности — поспособствовало заметному ускорению этого перехода, то именно его и называют в англоязычной терминологии killer app или killer feature — «приложением-убийцей» (в том смысле, что именно оно оказывается важнейшей причиной массовой потери интереса к связи прежнего поколения).

Один из вариантов схемы управления сетью 5G как платформой, стремящейся учесть интересы различных инвесторов в её развитие, — а сети 6G обещают быть ещё сложнее в плане организации (источник: TM Forum)

Ещё в 2017 г., когда до запуска в коммерческую эксплуатацию первой сети пятого поколения оставалось около двух лет, глобальная отраслевая некоммерческая организация телеком-отрасли TM Forum опубликовала исследование с говорящим названием «5G: Is platform the killer use case?», в котором был сделан довольно недвусмысленный вывод: из неспецифичной (в смысле — безразличной к разновидностям переносимых информационных пакетов) среды передачи данных сеть пятого поколения должна трансформироваться в платформу, дающую операторам возможность с предельной адекватностью реагировать на динамически меняющиеся запросы и нужды своих абонентов. «Следует перестать думать о сетях как о проводниках неких абстрактных сигналов — и начать рассматривать их как платформы для создания приложений, имеющих самые непосредственные применения в реальности», — написал в предисловии к упомянутому исследованию д-р Лестер Томас (Dr. Lester Thomas), главный архитектор систем в Vodafone Group.

Платформа принципиально отличается от «проводящей среды» наличием двух стратегических элементов: бизнес-модели, завязанной на построение цифровых маркетплейсов, где находят друг друга поставщики и потребители товаров/услуг, а также ИТ-архитектуры для поддержки этих маркетплейсов. Перечень платформенных сервисов включает (не ограничиваясь ими) такие ставшие популярными за последнее десятилетие развития облачных услуг аббревиатуры, как IaaS (Infrastructure as a Service — имеется в виду возможность для заказчика, обычно крупной частной корпорации или компании с госучастием, развёртывать на инфраструктуре провайдера свою собственную экосистему приложений, недоступную неавторизованным абонентам), PaaS (Platform as a Service — применение предоставляемых провайдером API для разработки заказчиком приложений на общей для всех абонентов платформе), SaaS (Software as a Service — доступ абонентов, частных и коммерческих, к предлагаемым самим провайдером приложениям), NaaS (Network as a Service — подвариант SaaS с упором на сетевую функциональность, когда заказчик выстраивает из предложенных провайдером программных блоков собственную — частную — сеть передачи данных, функционирующую поверх «железной» основы оператора за счёт виртуальных маршрутизаторов и брандмауэров и обеспечивающую динамический контроль доступной полосы пропускания и иную умную функциональность).

Пример локальной оптимизации зоны покрытия 6G внутри помещения с использованием программно определяемых метаматериалов для выборочного пропускания радиоволн (источник: University of Glasgow)

По мнению экспертов IEEE, нуждаться в сотовых сетях именно шестого поколения к началу 2030-х будут по меньшей мере четыре следующие отрасли:

• тесное (выходящее далеко за пределы ввода команд управления и считывания ответной информации с монитора) человеко-машинное взаимодействие,
• сверхплотное межмашинное взаимодействие на уровне умных датчиков, периферийных вычислительных систем (edge computing) и облака,
• слияние мультисенсорных потоков данных (multisensory data fusion) для эффективного погружения оператора в смешанную реальность,
• беспроводной контроль объектов физического мира на расстоянии через цифровые каналы с применением прецизионных датчиков и актуаторов.

В 2019-м группа исследователей из университета Глазго предсказала, что как раз к 2030-му пропускных способностей сетей 5G перестанет хватать для удовлетворения неуклонно растущих потребностей оперирующих в них устройств: к примеру, суммарный трафик мобильных операторов по всему миру превысит к тому времени 5 Збайт/мес, общее число абонентов сотовых сетей (среди которых будут превалировать различные сенсоры и машины) достигнет 17,1 млрд, а средний трафик в пересчёте на одно мобильное устройство вплотную подберётся к 260 Гбайт/мес (для сравнения: в 2010-м он составлял 1,35 Гбайт/мес, в 2020-м оценивался в 10,3 Гбайт/мес). Наряду с увеличенной пропускной способностью, сети 6G станут предлагать своим абонентам повышенную надёжность налаженных беспроводных каналов связи, улучшенную энергоэффективность, более экономное использование радиочастотного ресурса, — словом, резонов не переходить на них с сетей пятого поколения попросту не останется.

Сотовая связь шестого поколения, как полагают её провозвестники, самым кардинальным образом изменит структуру и способ сосуществования физического и цифрового миров, по сути стерев границу между ними, — произведя то, что называют киберфизическим слиянием (cyber-physical fusion). Визионеры уверяют, будто уже первый опыт взаимодействия с такими системами окажет на их пользователей настолько мощное психологическое воздействие, что те попросту не в состоянии будут после этого возвращаться к типичному на сегодня набору средств человеко-машинных коммуникаций — включая клавиатурный и сенсорный ввод, визуальное считывание данных с мониторов и голосовое управление.

Некоторые исследователи рассматривают биологический мир (отдельно от физического) как обособленный элемент киберфизического слияния (источник: IEEE)

Крупнейшая телекоммуникационная компания Японии DOCOMO уже не первый год публикует отчёты-прогнозы о состоянии и перспективах новейших разновидностей сотовой связи, 5G Evoluion и 6G. Наиболее свежий на момент написания настоящего материала из этих отчётов, датированный январём 2023 г., содержит такого рода пассажи, написанные, насколько можно судить, с полной серьёзностью и отражающие реальное направление прикладной деятельности разработчиков 6G:

«В 2020-х годах будут созданы и найдут практическое применение многие сервисы, основанные на киберфизическом слиянии. В 2030-х возникнет потребность в ещё более совершенных системах такого рода. Передача и обработка — фактически в отсутствие задержек — значительного объёма информации между цифровым и физическим пространствами позволят организовать более тесное сопряжение этих областей — так, что в конечном итоге киберпространство и физическая реальность сольются в единую среду без каких бы то ни было зазоров. Для человека интерфейсами киберфизического слияния станут носимые гаджеты или же размещаемые внутри тела высокотехнологичные микроустройства на манер нейроимплантов. Люди и станут взаимодействовать не через киберпространство (как совокупность каналов передачи данных) с объектами реального мира, но с самим киберпространством — со средой, органично интегрирующей полностью адекватные действительности цифровые двойники этих объектов: транспортных систем, строительного оборудования, станков, камер видеонаблюдения, различных датчиков. Такое взаимодействие будет обеспечивать безопасность, решать социальные проблемы и поддерживать благополучную жизнь людей».

Детали на данный момент не имеют значения: понятно, что, если такого рода слияние цифрового и реального миров действительно сможет быть реализовано, по силе притягательности и по практической выгоде оно окажется вполне сопоставимым с самим появлением сотовой связи, освободившим человека от привязки к стационарному телефону (а позже и компьютеру) как средству коммуникации. Достаточно только представить, какими станут VR-игры, онлайн-совещания или концерты с эффектом присутствия, спортивные состязания, дейтинговые приложения…

Важно подчеркнуть, что сам принцип киберфизического слияния подразумевает действительно неразрывную связь между реальным объектом и его цифровым двойником. В наши дни эта связь опосредована: как раз вследствие того, что каналы обмена данными не всегда достаточно широки, а задержки при распространении сигнала довольно значительны, невозможно облепить, если можно так выразиться, некий объект (и тем более сложную многосоставную систему) таким количеством датчиков и актуаторов, чтобы его цифровая копия в любой момент времени оказывалась в точности адекватной его же реальному состоянию.

Радиосеть 6G в предельном своём воплощении будет являться одновременно и физической сетью повсеместно присутствующих, непрерывно коммуницирующих между собой умных устройств (источник: ИИ-генерация на базе модели SDXL 1.0)

Стандарты же 6G разрабатываются именно с расчётом на то, чтобы сделать эту сказку былью. Удастся ли воплотить столь амбициозную задачу в реальности — уже всего-то через семь лет, — покажет время и, конечно же, успех в разработке такой экономической модели предоставления сотовых сервисов шестого поколения, которая сделает для сотовых операторов максимально выгодным внедрение соответствующих сетей. Ясно, однако, что, если всё перечисленное получится реализовать, мир вокруг нас однозначно перестанет быть прежним — по крайней мере, мир в пределах зон покрытия 6G.