Как возникают и развиваются стандарты систем связи: рассматриваем на примере 6G24.12.2023 17:00

Все слышали о поколениях мобильной связи, и сокращения 4G, 5G, а может быть даже и 6G уже у всех на слуху. Но чем определяется смена технологических поколений, кто решает, что новое поколение уже наступило? Как так вышло, что вроде бы 5G массово еще не используется, а уже начинают говорить про 6G? И кто создает стандарты, по которым потом живет мир?

В этой статье я рассказываю о трендах шестого поколения мобильной связи (6G) исходя из моего опыта разработки подобного рода систем, а также участия в создании современных стандартов связи в комитете 3GPP — фактически единственной организации в мире, которая разрабатывает спецификации для систем связи различных поколений.

План:

• Введение: текущие планы разработки технологии 6G и планы ее внедрения в коммерческие системы

• Требования для перспективных систем шестого поколения, модели использования и сравнение с технологиями предыдущих поколений

• Технические улучшения и инновации для 6G

• Процесс стандартизации в комитете 3GPP

К моменту, когда вы дочитаете эту статью, вы будете знать, зачем нужна эта красивая антенная решетка (на фото — прототип модуля от Samsung для 6G)

План разработки 6G

Прежде всего, отвечу на самый популярный вопрос:, а существует ли сейчас 6G, и если нет, то когда появится? Вот предварительный план разработки технологии мобильной связи 6G комитетом 3GPP:

• 2023 — работа по стандарту 6G официально еще не началась, 3GPP продолжает эволюцию систем связи пятого поколения, и в конце этого года планируется завершение очередного релиза этой системы

• 2024 — предварительное обсуждение основных требований и ключевых показателей эффективности систем связи 6G

• 2025 — изучение возможных технических решений, которые могут быть внедрены в спецификацию комитетом 3GPP

• 2027 — фактическая нормативная работа по спецификации систем связи 6G

• 2028 — первый релиз систем шестого поколения, то есть примерно 5 лет от текущего момента

Предварительная дорожная карта для 6G

Если брать за точку отсчёта 2017 год (первый релиз системы связи 5G) и дату выхода первого релиза 6G (2028), то этот интервал примерно соответствует десятилетнему интервалу появления нового поколения системы связи. Сейчас мы находимся в самом начале пути разработки технологии связи шестого поколения. Несмотря на это, многие компании уже выдвигают свое видение функциональности систем и планы развития этой технологии на будущее.

Кроме этого, на картинке отражен предварительный план работы организации ITU (МСЭ) по системам связи шестого поколения. Работа этой организации тоже очень важна для успешного внедрения системы по всему миру. ITU была создана в рамках ООН, одна из ее ключевых задач — разработка рекомендаций по глобальному выделению спектра для систем связи различных поколений, а также разработка требований к ним и методологии их проверки. Фактически, ITU принимает решение, может ли спецификация называться технологией определённого поколения — 4G, 5G или 6G.

Требования к связи 6G

Давайте поговорим про основные требования, которым должна будет удовлетворять технология мобильной связи шестого поколения. Поскольку эти требования еще не определены комитетом ITU, то постараемся их предсказать на примере требований, выработанных для систем мобильной связи предыдущих поколений.

Например, мобильные системы связи третьего поколения (или 3G) изначально проектировались в рамках концепции IMT2000, разработанной ITU, и оптимизировались под приложения для передачи голоса с возможностью передачи данных со скоростями несколько мегабит в секунду.

Типовые устройства для 3G. Кто помнит такие?

Далее, системы связи 4G уже были построены на основе концепции IMT-Advanced, к ним предъявлялись более высокие требования на скорость передачи данных в Интернете — порядка нескольких сотен мегабит в секунду. На этапе разработки технологии 4G практически все приложения, которые мы сейчас широко используем вместе с мобильным интернетом, еще не были разработаны. Тем не менее, разработка в рамках концепции IMT-Advanced позволила спроектировать очень успешную систему связи LTE-Advanced (которая является системой связи четвертого поколения), получившую широкое распространение по всему миру для передачи данных в сотовых системах связи.

Типовые устройства для 4G. Уже ближе к нам.

Примерно через 10 лет в индустрии в рамках уже концепции IMT-2020 стартовала разработка нового стандарта мобильной связи пятого поколения, и в 2017 был выпущен первый релиз спецификации 5G New Radio.

Концепция IMT-2020, для 5G

В концепции IMT-2020 помимо еще более высоких требований на скорость передачи данных до нескольких Гб /c (для широкополосного интернета или т.н. eMBB) появились новые требования для поддержки передачи данных между устройствами Интернета вещей. Связь с устройствами существенно отличается от привычной нам связи для приложений смартфонов:

●     Для простых устройств Интернета вещей (или т.н. Massive IoT) появляется требование по количеству соединений. Согласно IMT-2020, это требование составляет 1 миллион устройств на 1 кв.км

●     Для промышленных устройств или для критически важных приложений в концепции IMT-2020 появляется дополнительное требование на поддержку ультранадёжной связи с низкой задержкой (т.н. URLLC). Суть этих требований в необходимости обеспечения очень высокой надежности передачи данных на физическом уровне с вероятностью ошибки порядка 0.001% и задержек порядка 1 мс.

Разнообразие устройств для 5G

Если мы постараемся экстраполировать эти требования для концепции IMT-2030, разрабатываемой для систем связи шестого поколения в ITU, то стоит ожидать, что они будут более экстремальными или более высокими. Например, требования на пиковую скорость передачи для широкополосного интернета, или требования на количество соединений для IoT-устройств. Возможно, появятся дополнительные требования или их комбинации для поддержки мобильного соединения для новых видов устройств и приложений. Резюмируя, можно качественно сформулировать новые требования для 6G как возможность поддержки передачи данных для всех устройств и в различных условиях.

Примеры использования 6G

Поговорим о моделях использования систем связи 6G:

• Новые системы будут использоваться для существующих приложений, например, для передачи широкополосного Интернета, но будут работать эффективнее, и, как следствие, удовлетворять новым более высоким требованиям

• Передачу голографических изображений можно рассматривать как эволюцию передачи обычного видео. Из-за бОльшего объема информации, необходимого для представления таких изображений, требования на скорость передачи данных существенно возрастут

• Приложения тактильного Интернета можно рассматривать как эволюцию передачи видео и голоса

• Поддержка сенсоров, которые работают как устройства Интернета вещей, но с более высокими требованиями на энергоэффективность в сравнении с IoT-устройствами, которые поддерживаются системами связи 5G

• Новые модели применения — использование цифровых двойников (digital twins) сетей, которые за счет сбора данных и использования нейронных сетей позволят операторам связи оптимизировать работу сети в реальном времени

Если посмотреть на всю картину и области применения, то системы связи 6G должны поддержать переход различных сфер индустрии на цифровой формат. Как результат, спектр требований от компаний и их количественные значения существенно возрастут:

• Для передачи данных стоит ожидать требования на пиковые значения скоростей до нескольких Гб/с

• Для практических систем будут важны не только пиковые, но и реально достижимые значения скорости передачи

• Поддержка зоны покрытия в несколько сот километров для спутниковой связи

• Энергоэффективность важна с точки зрения пользовательского опыта использования широкополосного интернета на смартфонах

• Для индустриального интернета и критически важных приложений требования на надежность и задержку также возрастут

• И как я говорил ранее, скорее всего появятся новые требования или их комбинация для новых приложений

Ключевые особенности 6G

Так что же такое 6G c технической точки зрения? Я нашел интересную картинку, которую опубликовали сотрудники корейского оператора SK Telecom.

На ней показаны ключевые слова, которые компании упоминают в своих документах с обзором технологии 6G. Как видно, рассматривается очень богатый спектр возможных технических решений:

• Поддержка нейронных сетей

• Новые диапазоны частот

• Спутниковая связь

• Новые типы устройств и передачи информации

• Поддержка новой функциональности с точной локализацией предметов и их зондирование

Спектры

Первое и ключевое направление развития систем связи — использование различных спектров.

Вот выражение для пропускной способности канала, полученное Шенноном.

Пропускная способность — это верхняя граница достижимой скорости передачи. Как видно из этого выражения, ее увеличение возможно путем повышения отношения сигнал-шум, задаваемое переменной SNR (signal-to-noise ratio). Но на практике это не всегда возможно для всех пользователей из-за ограничений на уровень передаваемой мощности, а также условий распространения сигнала. Другой, более эффективный подход — увеличение полосы передачи сигнала, задаваемое параметром B (bandwidth), который входит в выражение линейным коэффициентом.

Таким образом, эволюция возможностей технологий (как минимум с точки зрения скорости передачи) и появление новых поколений связи в первую очередь связаны с возможностью эффективного использования нового спектра, недоступного в предыдущем поколении. В качестве примера приведены приблизительные диапазоны частот, которые использовались различными поколениями систем связи.

Системы связи 4G в основном проектировались для см-диапазона частот от 1 до 2.5 ГГц. В этом диапазоне доступны каналы с полосой передачи порядка нескольких десятков МГц, но этот спектр, как правило, фрагментирован и ограничен.

Для обеспечения более высоких скоростей передачи в системах 5G была внедрена поддержка более высоких диапазонов частот. Так, в см-диапазоне верхняя граница сместилась до 3.5 ГГц, где стали доступны каналы с шириной полосы порядка 100 МГц, а также была добавлена поддержка мм-диапазона от 30 до 60ГГц с полосой частот порядка 1ГГц.

Чтобы удовлетворить новым требованиям концепции IMT-2030, в системах связи 6G планируется поддержка дополнительного спектра частот 7–13 ГГЦ (upper mid band), терагерцового или суб-терагерцового диапазона (sub-Thz).

Какие же задачи будут стоять?

• В первую очередь, 6G будет развернута на существующих частотах, которые используются системами связи предыдущих поколений. Для оператора систем связи очень важно эффективно поддержать работу сразу двух или более технологий в одном диапазоне (например, 6G и 5G). Это нетривиальная задача: внедрение новых устройств, поддерживающих новый стандарт связи, осуществляется крайне неравномерно. В рамках одного города и даже в одном месте пропорция использования устройств с различной поддержкой технологии может изменяться в течение суток.

• В рамках 5G были разработаны интересные технические решения плавного перехода от одной технологии к другой без существенного снижения эффективности работы каждой из них — так называемое динамическое разделение спектра (dynamic spectrum sharing). В контексте 6G такая задача плавного перехода будет также очень актуальна.

• Для миллиметрового диапазона основной задачей будет являться повышение эффективности работы системы связи. К сожалению, в системах связи 5G опыт применения этого диапазона был не совсем однозначным.

• Наверное, наиболее интересным диапазоном с точки зрения его использования в системах сотовой связи является частота несущей от 7 до 13 ГГц. Этот диапазон теоретически можно использовать с помощью уже существующей инфраструктуры сети без добавления или с минимальным добавлением новых локаций базовых станций (об этом будет далее). В нем есть дополнительные участки непрерывного спектра с шириной полосы в несколько сотен мегагерц. Эти участки можно использовать для существенного увеличения пропускной способности системы связи. Причем в этом диапазоне в зависимости от региона могут быть развернуты и другие радиотехнические системы (включая системы передачи данных) — необходимо решать задачу совместимости.

• Суб-терагерцовый диапазон тоже очень интересен с точки зрения доступности участков непрерывного спектра шириной в несколько ГГц. Однако из-за высоких потерь в линии связи применение этого диапазона будет возможно только для локальных моделей использования в условиях распространения с прямой видимостью.

Проблема уменьшения зоны покрытия

Поговорим немного о сложностях использования новых диапазонов высоких частот. Вот формула Фрисса, задающая мощность принимаемого сигнала в свободном пространстве в зависимости от параметров системы:

Здесь стоит обратить внимание, что уровень принимаемого сигнала падает с увеличением расстояния между передатчиком и приемником d, и самое важное, уровень сигнала также падает с уменьшением длины волны λ, то есть ростом несущей частоты.

Получается, что использование диапазона с более короткой длиной волны делает спектр более доступным. В тоже время, малая длина волны существенно ограничивает зону покрытия сети даже в открытом пространстве. С другой стороны, с точки зрения операторов очень важно использование существующей инфраструктуры (вышек и зданий), на которых уже развернута сеть.

Итак, поставлена задача: использование нового высокочастотного спектра с той же зоной покрытия, что и существующие системы связи. Какие же существуют способы ее решения?

Антенная решетка (XMIMO — Extreme MIMO)

Рассмотрим пример использования нескольких антенных элементов для передачи сигнала (антенную решетку). В радиофизике хорошо известно, что использование нескольких антенн приводит к формированию диаграммы направленности (beamforming). При этом происходит концентрация излучаемой мощности в определенном направлении и рост коэффициента усиления (antenna gain) антенной решетки. С ростом количества антенн в антенной решетке ширина диаграммы направленности уменьшается, и растет коэффициент усиления антенны.

Технология использования нескольких антенн на передатчике и приемнике в литературе получила название MIMO и позволяет компенсировать потери, связанные с увеличением несущей частоты в новых диапазонах, про которые мы говорили ранее. MIMO позволяет гибко управлять диаграммой направленности в зависимости от требуемого направления на пользователя и создавать несколько пространственных каналов на одного или нескольких пользователей.

Данная технология была успешно реализована в системах связи пятого поколения для диапазона частот 3.5ГГц и получила название Massive MIMO. Она позволяет обеспечить надежную передачу данных в данном диапазоне частот.

Пример антенной решётки, содержащей 256 антенных элементов с двумя поляризациями:

Для диапазона частот 13ГГц для 6G предполагается использовать антенну примерно такого же физического размера, но из-за более короткой длины в том же корпусе можно разместить гораздо большее  количество антенных элементов (например, около 3000 элементов, как показано на рисунке). Как следствие, коэффициент усиления антенной решетки увеличивается, тем самым компенсируя потери при распространении сигнала в данном диапазоне.

Такая технология получила название Extreme MIMO (XMIMO) из-за экстремально большого количества используемых антенн, и считается одной из самых перспективных для систем связи шестого поколения для поддержки диапазонов частот 7–13ГГц.

XMIMO дает и другие преимущества:

• За счет использования узкого луча можно передавать (или принимать) сигналы к бОльшему числу устройств (например, до 64) в том же частотном канале, при этом не создавать большие помехи между этими сигналами

• Можно формировать бОльшее количество пространственных лучей одному устройству (до 16) и передавать параллельно несколько сигналов, тем самым повышая скорость передачи на устройство в несколько раз

• Узкий луч позволяет снизить помехи на устройства, обслуживаемые другими базовыми станциями

• Антенная решетка становится похожа на настоящий радар, что позволяет решать ряд дополнительных интересных задач (например, задачу зондирования), про которые мы поговорим чуть позже

Зона покрытия

Еще одна проблема реальных сетей — зона покрытия. Вот стандартная топология сети, в которой зона покрытия определяется расположением базовых станций.

Развертывание базовых станций с точки зрения оператора определяется наличием относительно большого числа абонентов. В городах зона покрытия достаточная хорошая, однако за городом развертывание базовых станций становится проблематичным из-за требуемой инфраструктуры и капитальных затрат оператора. Как результат, типичный сценарий (особенно для таких больших стран, как Россия) — отсутствие мобильного Интернета за городом в малонаселенных областях.

Возможное решение проблемы — спутниковая система связи, где спутниковый Интернет обеспечивает базовую связь с большой зоной покрытия, а там, где необходима высокоскоростная передача, дополнительно используют наземные базовые станции. Фактически, наземные и спутниковые системы дополняют друг друга. Технология спутниковой связи уже успешно применяется в некоторых странах. Пример — StarLink от компании SpaceX.

Но есть ряд направлений, где использование 6G для спутниковой связи будет иметь преимущество относительно существующих решений:

• Использование одного оборудования и одного вида устройств будет очень выгодно абонентам и операторам с точки зрения стоимости услуг мобильной связи. Напомню, что StarLink от компании SpaceX требует определенного оборудования

• Бесшовное покрытие сети будет позволять переключаться от спутниковой связи к наземной в зависимости от условий распространения сигнала

• Более эффективное использование спектра между наземными и спутниковыми системами

Есть, конечно, и ряд технических проблем, связанных с поддержкой спутниковой связи:

• Для геостационарных спутников, которые располагаются на высокой орбите относительно поверхности Земли, уровень принимаемого сигнала будет очень маленьким и необходимы технические решения для надежной связи. На физическом уровне будут очень высокие задержки из-за времени распространения сигнала от устройств до спутника

• Для низкоорбитальных спутников основной проблемой является компенсация Допплеровского смещения, связанного с высокой скоростью перемещения спутника относительно поверхности Земли

Тем не менее, все эти проблемы решаются, и применение спутниковой связи становится очень привлекательным сценарием использования 6G.

Эволюция систем позиционирования

Теперь поговорим про нестандартное применение мобильных систем связи, не связанное с передачей данных. А именно, про эволюцию систем позиционирования, то есть определения местоположения пользователя.

Всем хорошо известны спутниковые системы позиционирования, такие как GPS и GLONASS. Данные системы показали свою эффективность, когда устройство находится вне помещения. Мобильные системы сотовой связи тоже используются для определения местоположения, особенно когда устройство находится внутри помещения. Местоположение пользователя в этом случае определяется с помощью сигналов, передаваемых и принимаемых базовой станцией. При этом возможно определение местоположения пользователя в трехмерном пространстве, то есть определения этажа в здании, на котором он находится.

Такие методы позиционирования уже внедрены в системы связи различных поколений, и мы ими уже активно пользуемся. Как эволюцию развития технологии позиционирования, в системах связи 6G предлагается ввести методы зондирования объектов (sensing). С помощью этой технологии можно узнавать другие параметры объектов, а не только их координаты. Например, классифицировать тип объекта, его свойства, движение и расстояние до него. По сути, инфраструктура сети может быть использована для решения дополнительных радарных задач.

Переиспользование сетевой инфраструктуры для зондирования объектов

При этом объекты, для которых будет проводиться зондирование, могут быть и пассивными, то есть не иметь устройства приема и передачи. Это открывает дополнительные возможности для операторов с помощью существующей инфраструктуры решать новые задачи путем объединения возможности передачи информации, позиционирования и зондирования.

Примеры использования техники зондирования

Вот несколько примеров, которые можно встретить в литературе. Первый пример — определение локальных погодных условий с помощью базовых станций. Всем известно, что распространение сигнала зависит от свойств среды. Таким образом, изменение параметров среды из-за погодных условий можно классифицировать по измерениям принимаемого сигнала.

Далее, с помощью технологии sensing можно проводить локализацию объектов для беспилотных автомобилей. Например, определения типа препятствий, расстояния до препятствий и т.д. По сути, использование радиосигнала позволяет получить дополнительные измерения для управления автомобилем и в комбинации с видеоизображением заменить более дорогостоящие лидары.

Далее, с помощью зондирования на производстве можно обнаруживать различные объекты, определять расстояние до них, использовать эту информацию для оптимизации и обеспечения безопасности.

С помощью системы зондирования возможно удаленное измерение биологических параметров объектов, таких как частота сердцебиения и дыхания.

Интересно использование технологии зондирования для распознавания жестов и выполнения определенных функций на устройстве без использования камеры. Такое приложение наиболее выгодно для небольших предметов, таких как наручные часы.

С помощью технологии зондирования можно определять изменения в условиях распространения сигналов и детектировать события внутри помещения, такие как падение человека.

Процедуру зондирования можно также использовать для оптимизации работы сети, где параметры передачи могут быть изменены в зависимости от наличия препятствия.

Энергоэффективность

В некоторых странах энергопотребление является одной из основных частей операционных затрат оператора, и для повышения привлекательности технологии 6G системы должны реализовывать алгоритмы экономии энергии. Например, частичное отключение радиоблоков базовых станций на определенных частотах в зависимости от загрузки сети, положения пользователей или предсказания их траекторий.

Повышение энергоэффективности актуально и для мобильных устройств. Так, для устройств Интернета вещей в системах связи 6G будет интересна поддержка соединения для так называемых zero-energy или zero-power устройств. Это простейшие сенсоры, которые будут работать без замены батарейки и получать энергию от внешних источников: радиоизлучения телевизионных сигналов, механических вибраций, изменения температуры и тд. Здесь перед инженерами стоит много задач по проектированию системы со сверхнизким энергопотреблением. Многие функции, выполняемые устройствами в существующих системах связи, такие как мобильность, шифрование и обработка сигнала, требуют существенных энергозатрат.

Для привычных нам смартфонов задача повышения энергоэффективности тоже важна. Для многих пользователей скорость передачи в существующих системах уже достаточна, и низкое энергопотребление устройства важнее для улучшения опыта использования мобильного Интернета. Для решения этой задачи, например, можно рассматривать динамическое отключение некоторых блоков приемного устройства в зависимости от паттерна принимаемого трафика.

Полный дуплекс

Еще одно интересное направление развития технологии 6G — поддержка передачи данных с полным дуплексом.

Для начала рассмотрим разделение передачи в нисходящем (Downlink, DL) и восходящем (Uplink, UL) канале с помощью частотного разделения (FDD), которое применяется в существующих системах. В таких системах передача сигнала в DL и UL происходит одновременно, но с частотным разнесением.

Частотное разделение — Frequency Division Duplex (FDD). Восходящий и нисходящий канал используют разные частоты.

Другой пример, более привычный для нас — временное разделение, когда нисходящая и восходящая линии связи работают в одном частотном канале, но разделяют время на передачу сигнала в различных направлениях. Как результат, скорость передачи в таких системах сокращается в зависимости от выделяемого времени на соответствующую передачу.

Временное разделение — Time Division Duplex (TDD). Восходящий и нисходящий канал используют одну и ту же частоту в разное время.

Для систем связи 6G рассматривается третий, дополнительный и более эффективный вариант — передачи с полным дуплексом, когда передача по восходящей и нисходящей линии связи осуществляется в одном диапазоне и без разделения во времени. Например, базовая станция может передавать сигнал одному пользователю в нисходящей линии связи и одновременно принимать сигнал от другого пользователя в восходящей линии связи.

Если приводить аналогию для нашего общения, это эквивалентно возможности общаться с собеседником, одновременно говоря и слушая его.

Полный дуплекс — Full Duplex (XDD). Восходящий и/или нисходящий канал используют одну и ту же частоту в одно и то же время.

Здесь основная проблема в высоком уровне помех, которые будет создавать базовая станция себе при передаче сигнала.

Существует несколько решений:

• пространственное разнесение приемных и передающих антенн

• направленная передача сигнала с помощью алгоритмов beamforming

• использование алгоритмов активной компенсации помех, которые применяются в современных наушниках для подавления внешнего шума

Как устроена стандартизация в 3GPP

Теперь мы плавно переходим к обзору стандартизации в 3GPP. И в первую очередь хотелось бы проиллюстрировать, как изменялись компании-участники со временем. Когда разрабатывалась технология LTE, основными участниками разработки были телекоммуникационные компании и операторы. Поскольку мобильная связь в основном использовалась для обычных приложений мобильного Интернета.

Трансформация экосистемы 3GPP

Однако картина существенно изменилась, когда комитет 3GPP начал разработку систем связи пятого поколения. Поскольку системы связи 5G могут применяться и для других приложений, круг компаний, принимающих участие в разработке стандарта существенно вырос. Появились компании из другого бизнеса: производители автомобилей, авиастроение, автоматизация индустрии, и т.д. Для систем 6G, скорее всего, мы также будем наблюдать этот тренд из-за более широкого круга задач, решаемых данной системой.

Так что же такое 3GPP? Это глобальная организация, в которую входит множество компаний-участников. Основная задача — разработка спецификации всей системы связи от устройства до базовых компонент сети. На высоком уровне в 3GPP входят три группы по спецификациям, в каждой из них несколько рабочих групп. Наиболее популярна RAN1, которая отвечает за разработку физического уровня.

Структура 3GPP

Разработка групп ведется на основе технических документов (contribution), которые компании готовят для обсуждения. Все решения принимаются на основе консенсуса и принимаются практически без формального голосования на основе результатов дискуссии.

Samsung — одна из компаний-лидеров, которая активно вносит вклад в развитие технологий. Несколько сотрудников компании занимают позиции председателей рабочих групп. Например, на момент публикации этой статьи председатель группы RAN1 — сотрудник компании Samsung.

Почему же стандартизация так популярна?

• Возможность определять направления развития технологии согласно приоритетам компании

• Возможность внедрять наиболее предпочтительные решения и тем самым защищать бизнес компании

• Возможность повысить прибыльность бизнеса за счет лицензирования. Многие компании в 3GPP предлагают запатентованные решения, которые будут использоваться во всех устройствах, реализующих данный стандарт.

Статья основана на материале лекции, прочитанной в финале Межвузовского конкурса выпускных проектов Samsung Innovation Campus.

Об авторе

© Habrahabr.ru