eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.237.6.116.128
В статье рассмотрены вопросы архитектуры и основных технологий, требующихся для развертывания 6G-сетей, и проблемы их реализации. Приводятся маршрутная карта развития 6G-сетей, составленная специалистами ЕС и США, а также примеры различных разработок для 6G-сетей.
В статье рассмотрены вопросы архитектуры и основных технологий, требующихся для развертывания 6G-сетей, и проблемы их реализации. Приводятся маршрутная карта развития 6G-сетей, составленная специалистами ЕС и США, а также примеры различных разработок для 6G-сетей.
Аспекты развития 6G-сетей. Часть 2
М. Макушин
В предыдущем номере были затронуты вопросы инновационных тенденций эры 6G, такие как новая архитектура, необходимые технологии и требующие разрешения проблемы. Во второй части завершается обзор требующих решения проблем, рассматриваются перспективные направления исследований в области 6G-сетей, американо-европейская маршрутная карта развития 6G-сетей и некоторые разработки в этой области.
Цифровые двойники
Цифровые двойникиi (ЦД) – это цифровые копии физического объекта или продукта, которые служат его неотличимым цифровым аналогом для практических целей, таких как моделирование системы, интеграция, тестирование, мониторинг и техническое обслуживание. Благодаря развитию коммуникационных и вычислительных технологий ЦД состоит из трех уровней развертывания: мониторинга, моделирования и эксплуатации.
Уровень мониторинга. ЦД используется для зеркального отображения или виртуального представления физического объекта, который не взаимодействует со своей виртуальной моделью (и наоборот).
Уровень моделирования. ЦД является имитатором физического объекта, понятного, предсказуемого и оптимизируемого моделированием. Виртуальная модель развивается вместе с изменениями, но изменения в ней не влияют на физический объект.
Уровень работы. Взаимодействие физических объектов и их ЦД – двунаправленное. Изменение состояния любого объекта будет обновляться и отражаться как
на двойниках, так и на физических объектах [15].
Технология ЦД уже применяется в ряде областей для мониторинга, управления и оптимизации физических объектов. В плане использования ЦД в развитии 6G-сетей и технологий предложены ряд решений, в том числе:
решение для совершенствования управления 6G БПЛА-системами с использованием модели ЦД как для уровня краевых вычисленийii, так и для уровня IoT (оптимизация моделей на основе входных показателей, таких как потребляемая мощность передачи сигнала, параметры загрузки/разгрузки БПЛА, пропускная способность краевых и IoT-узлов, и т.д.);
решение для 6G-систем мобильных краевых вычислений (Mobile Edge Computing, MEC) с минимальным временем ожидания (создание ЦД краевых узлов, передача состояния краевых узлов и всей системы MEC для обучения ЦД с целью принятия решений
о разгрузке систем);
решение для оптимизированного управления автомобильными системами на основе создания ЦД транспортных средств и дорожной инфраструктуры (автомобильные системы получают эффективные и надежные схемы снижения нагрузки за счет оптимизации моделей ЦД на основе глубокого обучения с подкреплением).
Специалисты считают перспективным оптимизацию моделей ЦД на основе обратного взаимодействия с реальными системами и моделями. ЦД становятся возможным решением для оптимизации систем, повышения производительности и сокращения времени отклика служб для приложений, чувствительных к времени ожидания. То есть ЦД – это эффективный способ моделирования, анализа, прогнозирования и оптимизации физических систем, способный внести свой вклад в развитие 6G-сетей [16].
Также к числу технологий, оказывающих существенное воздействие на развитие 6G-сетей, можно отнести сверточные нейронные сети и графовые нейронные сети, симбиотические радиосети (SRN), дальнейшее совершенствование используемой в 5G-сетях технологии massive MIMO и технологии метавселенной.
Проблемы и перспективные направления исследований
Исследования в области 6G-сетей находятся на начальном этапе, поэтому до их развертывания необходимо решить ряд задач (рис. 2). Наиболее существенными являются: гетерогенные сети, терагерцевый диапазон, ИИ, краевые вычисления, безопасность и конфиденциальность.
Гетерогенные сети. Концепция 6G будет заключаться в интеграции наземных, воздушных и подводных сетей. Это требует разработки более инновационных и гибких протоколов маршрутизации, адаптирующихся в соответствии с условиями окружающей среды (обеспечение бесперебойного подключения и интерактивных возможностей в различных средах передачи данных) [17].
Терагерцевый диапазон. Данный диапазон привлекателен для 6G-сетей благодаря повышению пропускной способности системы за счет большего числа полос спектра. Но здесь возникают две проблемы: высокие потери на поглощение окружающей средой и помехи между компонентами устройства. Поэтому его использование возможно на небольших дальностях связи при низкой мощности. Решение – разработка схем меньшего размера и устройств с меньшей рабочей мощностью [4].
Эндогенный ИИ. Интеграция эндогенного ИИ в 6G-сети приведет к существенному повышению как вычислительной мощности, так и возможности обрабатывать большие объемы данных. Важным аспектом развития 6G-сетей станет оптимизация энергопотребления. Наиболее энергозатратными являются такие приложения, как голограммы, тактильная связь, дополненная, виртуальная и смешанная реальности. Одним из наиболее перспективных решений для экономии энергии становится решение на основе больших интеллектуальных поверхностей (Large Intelligent Surface, LIS) [18].
Краевые вычисления. Они позволяют значительно увеличить вычислительную мощность сети, их сочетание с ИИ приводит к значительному улучшение вычислительных возможностей, эффективности использования системных ресурсов и производительности сети. Но при ограниченных ресурсах и емкости хранения данных управлять сложными алгоритмами на основе ИИ, требующих обработки больших объемов данных на краевых узлах, очень сложно. Требуется продолжение разработки оптимальных алгоритмов ИИ, эффективного планирования и методов разгрузки краевых узлов – для повышения производительности периферийных систем [4].
Безопасность и конфиденциальность. Интеграция разнородных систем, сбор и передача больших объемов данных в 6G-сетях приводит к проблемам безопасности данных и конфиденциальности. Необходимо разработать новые алгоритмы шифрования и методы защиты на физическом уровне, а также продолжить изучение вопросов надежности архитектуры сетей [19].
Американо-европейская
маршрутная карта создания 6G-технологий
В декабре 2023 года американские и европейские исследователи опубликовали совместную «Маршрутную карту развития 5G- и 6G-технологий» (EU-US Beyond 5G/6G Roadmap, далее – Маршрутная карта). Она охватывает сферу исследований, определения основных направлений работ и выработки рекомендаций в области развития 6G-сетей и услуг. В реализации Маршрутной карты предусмотрено участие академического сообщества, бизнеса и государственных структур. Период совместных работ – с 2025 года и до выполнения основных задач. С европейской стороны в разработке и реализации маршрутной карты участвует Европейская совместная инициатива по интеллектуальным сетям и услугам (European Smart Networks and Services Joint Undertaking, SNS JU), государственно-частное партнерство, обладающее статусом общеевропейской программы, финансируемой ЕС. США представлены «Альянсом следующего поколения» (Next G Alliance), входящего в североамериканский «Альянс разработки решений для телекоммуникационной промышленности» (Alliance for Telecommunications Industry Solutions, ATIS). В работе Next G Alliance участвуют промышленные фирмы, различные исследовательские организации
и университеты. Одним из источников финансирования является Национальный институт стандартов и технологии (NIST) министерства торговли США.
Одна из основных не афишируемых задач сторон при реализации маршрутной карты – добиться стратегического превосходства над КНР, не допустить повторения ситуации значительных успехов Поднебесной в области разработки 5G-технологий, развертывания 5G-сетей и лидерства по числу заявленных/полученных патентов.
В собственно Маршрутной карте план-график совместных работ не отражен. Для иллюстрации этого аспекта подходит маршрутная карта SNS JU (рис. 3).
Основными областями сотрудничества ЕС и США в соответствии с Маршрутной картой являются:
Взаимосвязь перечисленных направлений сотрудничества представлена на рис. 4 [20].
Продвижение жизнеспособных 6G-решений
Американо-европейская Маршрутная карта формировалась с учетом различных национальных и международных исследований, законодательных актов и т. п., включая опубликованное Европейской Комиссией в 2023 году исследование о перспективах цифровизации Европы [21] и определенных ООН (2020) 17 целей устойчивого развития [22]. Отмечается, что комплексная система 6G будет устойчивой и жизнеспособной в той мере, в которой она будет способствовать устойчивости и жизнеспособность других секторов экономики. Это охватывает все три столпа устойчивого развития (экологическое, социальное и экономическое) и особенно касается таких сетевых аспектов, как надежность, конфиденциальность и интеграция в цифровые технологии.
Для повышения энергоэффективности 6G-сетей потребуется оптимизировать все этапы жизненного цикла оборудования, от проектирования и производства до окончания срока службы, разработка сетей радиодоступа (RAN) и их основных архитектур, эффективное использование искусственного интеллекта (ИИ) и облачных сервисов, всех необходимых приборов и устройств, частотных диапазонов и алгоритмов прикладного уровня.
Также важен переход к экономике замкнутого цикла, что требует применения методов проектирования, способствующих сокращению объемов используемых материалов и случаев ремонта, повторному использованию, рециркуляции и утилизации продуктов, их составных частей, компонентов и материалов.
Кроме того, внедрение 6G-сетей потенциально может повысить качество жизни, включая такие государственные услуги, как здравоохранение, образование, охрана труда и окружающей среды [20].
Для обеспечения устойчивого развития 6G-сетей
и продвижения жизнеспособных решений необходимы руководящие принципы и процессы. К ним относится, в частности, рамочная система ключевых показателей эффективности (КПЭ), используемая для управления разработкой, ориентированной на достижение максимальных характеристик. Она также может использоваться при разработке, ориентированной на увеличение добавленной стоимости, с помощью специальных показателей, особенно связанных с устойчивостью и жизнеспособностью. Тем не менее, оценка «стимулирующего эффекта» 6G-сетей, то есть их положительного влияния на другие сектора деятельности, остается сложной задачей [23].
Микроэлектроника и 6G-технологии
Микроэлектроника и полупроводниковая промышленность (если взять шире) обеспечивают элементную базу развития 6G-сетей и технологий. США и ЕС признали микро-
электронику стратегической отраслью промышленности как с экономической, так и с политической точек зрения.
В 2022 году США приняли «Закон о создании полезных стимулов для производства полупроводниковых приборов и развития науки» (Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors and Science Act, CHIPS and Science Act) [24]. В этом же году ЕС принял аналогичный закон (EU Chips Act) [25]. Оба закона направлены на развитие научного и промышленного потенциала путем привлечения частных и государственных инвестиций, а также обеспечения безопасности цепочек поставок. Эти законы охватывают применение инновационных микроэлектронных решений и в секторе связи – например, США выделили 1,5 млрд долл. на чипсеты для систем беспроводной связи. Технологии 6G значительно расширят возможности и создадут новые требования к промышленной базе для обслуживания глобальных рынков.
Ожидается, что переход к виртуализированным сетям, начавшийся с 5G-сетей, продолжится и активизируется с появлением 6G-сетей. С этой точки зрения требования к микроэлектронике разнообразны и характеризуются необходимостью:
По мнению составителей Маршрутной карты, сотрудничество ЕС и США в области микроэлектроники, ориентированной на 6G-сети и технологии, должно быть
направлено на:
Облачные решения
и распределенные вычисления
Предполагается, что 6G-облако будет работать как единое целое (базовое, периферийное и удаленное), включающее в себя интеллектуальные и повсеместные вычислительные, коммуникационные и информационные сервисы, охватывающие региональные и городские центры обработки данных, сотовые узлы, локальное оборудование и устройства. Системные 6G-функции и приложения могут поддерживаться в 6G-облаке в качестве рабочих нагрузок, распределенных для обеспечения обработки больших объемов данных в непосредственной близости от источника, минимизации передачи данных, использования специализированных вычислительных возможностей (повышение производительности и адаптация к динамике сети). Дополнительно могут внедряться вычислительные системы и системы передачи данных с выделенными функциями вычисления и управления данными [20].
Распределенные вычисления потребуют интеграции мобильных устройств для предоставления вычислительных услуг и услуг передачи данных. Обнаружение, сбор
и обработка данных локально в устройствах с ограниченными ресурсами сводят к минимуму затраты на передачу данных. Но это зависит от их типа – от устройств Интернета вещей до мощных потребительских устройств, поддерживающих промышленные, корпоративные приложения и приложения расширенной реальностиiii (XR). Соответственно требуется интеграция вычислительных и коммуникационных возможностей устройств и сетей для создания единой сети вычислительных и коммуникационных ресурсов (с учетом безопасности и конфиденциальности) [26].
Открытые решения
Открытые сети являются многообещающим решением для поддержки постоянно растущего трафика данных и удовлетворения потребности в уплотнении сети с оптимизацией совокупной стоимости владенияiv. При развитии открытых сетей необходимо учитывать такие аспекты, как:
Открытые сети становятся важной тенденцией, в рамках которой множество заинтересованных сторон прилагают все усилия для достижения желаемых преимуществ и решения возникающих проблем. Несколько известных инициатив в области открытых сетей становятся общепринятыми. Но, хотя некоторые инициативы, такие как Open RAN, уже реализуются, эта область все еще находится в стадии разработки, и для обеспечения широкого внедрения во всех областях необходимы дополнительные исследования и участие различных заинтересованных сторон [20].
Искусственный интеллект и 6G-технологии
Ныне осуществляется переход радиоинтерфейса и других сетевых уровней на ИИ/машинное обучение (МО), начиная с замены определенных функций в сети, устройствах и радиоинтерфейсе. Это должно сопровождаться рядом улучшений функциональности и архитектуры, поддерживающих внедрение методов ИИ/МО [20]. Внедрение ИИ/МО в 6G-технологии порождает ряд проблем.
Во-первых, обучение модели ИИ/МО и формирование логических выводов могут быть сопряжены с большими затратами вычислительных ресурсов и увеличением энергопотребления. Это требует устойчивого и энергоэффективного использования ИИ/МО в 6G-сетях/устройствах (особенно в RAN, на которые приходится большая часть энергопотребления, в частности для устройств с ограниченными ресурсами, включая БПЛА). Растет техническая и вычислительная сложность инфраструктуры управления наборами данных и жизненным циклом моделей ИИ/МО (включая постоянный сбор данных и мониторинг/переподготовку моделей), особенно если модели ИИ/МО динамически оптимизируются под различные местоположения, конфигурации сети, условия дорожного движения и/или условия распространения радиосигнала [27].
Во-вторых, решающее значение для хода исследований в области ИИ/МО и стандартизации 6G-сетей будет иметь создание эталонных наборов данных и моделей. Здесь важны:
То есть построение и агрегирование моделей потребует управления жизненным циклом, включая онлайн/оффлайн-обучение, разработку, аттестацию, обслуживание, мониторинг и т. п.
В-третьих, обеспечение надежности механизмов ИИ/МО 6G-сетей включает в себя обеспечение их устойчивости к кибератакам или утечке данных, с одной стороны,
с другой – обеспечение понятности их работы с участием в процессе человека (XAI, eXplainable AI – объяснимый искусственный интеллект).
В-четвертых, необходимо более глубокое понимание последствий политики и регулятивных норм в области ИИ [20]. ИИ, наряду с коммуникационными технологиями, определен как одна из ключевых технологий, обеспечивающих технологический суверенитет ЕС. Использование ИИ в ЕС будет регулироваться законом об ИИ [28] с целью обеспечения безопасности, прозрачности, отслеживаемости, недискриминационности и экологической чистоты систем ИИ. Закон об управлении данными [29] направлен на максимальное использование потенциала данных (как средства обеспечения ИИ) в интересах граждан и бизнеса.
В США (с 01.01.2021) Закон о Национальной инициативе в области ИИ (The National AI Initiative Act) предусматривает скоординированную программу работ федерального правительства по ускорению исследований и применения ИИ для обеспечения экономического роста и национальной безопасности [20].
Надежность и кибербезопасность
Меры, реализуемые в сфере надежности и кибербезопасности 6G-сетей, должны обеспечивать:
Предполагается, что реализация перечисленных мер пойдет по следующим направлениям:
Некоторые рекомендации по реализации Маршрутной карты
Американские и европейские специалисты, участвовавшие в разработке совместной Маршрутной карты, разработали ряд рекомендаций по ее реализации (табл. 4).
Некоторые разработки в области 6G-сетей
Хотя появление стандарта 6G-технологии ожидается в 2025 году, ряд фирм уже представляют опытные разработки в этой области. В табл. 5 представлены некоторые из этих разработок (анонсированных в первом полугодии 2024), сама таблица составлена на основе фирменных материалов упомянутых в ней компаний.
***
Итак, представления об инновационных тенденциях развития 6G-сетей в области архитектуры, технологий и требующих решения проблем сформулированы, что дает возможность принятия общего стандарта в 2025 году. Опыт и экономический эффект развертывания 5G-сетей повышают ожидания и заинтересованность в области 6G-сетей. Сложность и дороговизна разработки и развертывания 6G-сетей, а также потребность в ускорении этих работ в условиях жесткой конкуренции ведут к формированию многосторонних альянсов. При этом совместные работы ведутся не только признанными лидерами, такими как ЕС и США, но и другими странами – например Вьетнамом и Канадой.
Стоит также отметить, что при разработке 5G-технологий в числе безусловных лидеров оказалась КНР.
Западные страны опасаются повторения ситуации, поэтому стараются активнее проводить совместные работы с целью концентрации сил и средств. При этом если в области разработки 6G-датчиков по числу поданных патентных заявок доминируют Япония, Южная Корея, а затем Германия, то КНР отдает предпочтение патентованию систем (где и лидирует), а не компонентов. Если рассматривать успехи отдельных фирм, то ситуация следующая:
Что касается темпов развертывания 6G-сетей, то по данным исследования фирмы Juniper Research (февраль 2024) число соединений в этих сетях к 2030 году по всему миру достигнет 290 млн – после начала их развертывания, ожидаемого в 2029 году [32].
ЛИТЕРАТУРА
4. Quy V.K., Chehri A., Quy N.M., Han N.D., Ban N.T. Innovative Trends in the 6G Era: A Comprehensive Survey
of Architecture, Applications, Technologies, and Challenges // EEEAxess. V. 11. 26 April 2023, pp. 39824–39844.
15. T. Q. Duong, D. Van Huynh, Y. Li, E. Garcia-Palacios,
K. Sun. Digital twin-enabled 6G aerial edge computing with ultra-reliable and low-latency communications: (Invited paper) // Proc. 1st Int. Conf. 6G Netw. (6GNet), Jul. 2022,
pp. 1–5. doi: 10.1109/6GNet54646.2022.9830363.
16. Y. Dai, Y. Zhang. Adaptive digital twin for vehicular edge computing and networks // J. Commun. Inf. Netw., vol. 7,
no. 1, pp. 48–59, Mar. 2022. doi: 10.23919/JCIN.2022.9745481.
17. G. Wikström, J. Peisa, P. Rugeland, N. Johansson,
S. Parkvall, M. Girnyk, G. Mildh, I. L. Da Silva. Challenges and technologies for 6G // Proc. 2nd 6G Wireless Summit (6G SUMMIT), Mar. 2020, pp. 1–5. doi: 10.1109/6GSUMMIT49458.2020.9083880.
18. J. Yuan, H. Q. Ngo, M. Matthaiou. Towards large intelligent surface (LIS)-based communications // IEEE Trans. Commun., vol. 68, no. 10, pp. 6568–6582, Oct. 2020.
doi: 10.1109/TCOMM.2020.3009115.
19. L. Fanari, A. Arriola. A survey of physical layer techniques for secure wireless communications in industry // IEEE Commun. Surveys Tuts. 2022. V. 24. No. 2. PP. 810–838. doi:10.1109/COMST.2022.3148857.
20. EU-US Beyond 5G/6G Roadmap // 5G-ppp.eu. December 2023
21. European Commission (2023). 6G Outlook - Shaping Europe’s digital future.
22. United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Sustainable Development. (2020). The 17 Goals.
23. 6G-IA. (2022). What societal values will 6G address? Societal Key Values and Key Value Indicators analyzed through
6G use cases.
24. Авдонин Б., Макушин М. CHIPS Act и некоторые
аспекты совершенствования экосистемы НИОКР в США // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2023.
№2 (00223). С. 044–053.
25. Брыкин А., Макушин М. Микроэлектроника и государственная политика высокотехнологичных стран: «национализация» взамен глобализации // ЭЛЕКТРОНИКА:
Наука, Технология, Бизнес. 2021. №9 (00210). С. 148–156.
26. European Commission. (2023). Cloud computing.
https://digital-strategy.ec.europa.eu/en/policies/
cloud-computing.
27. NGA. (2023). AI-Native Wireless Networks.
https://www.nextgalliance.org/white_papers/ai-native-wireless-networks/
28. European Parliament. (2023). EU AI Act: First Regulation on Artificial Intelligence. https://www.europarl.europa.eu/news/en/headlines/society/20230601STO93804/eu-ai-act-first-regulation-on-artificial-intelligence.
29. European Commission. (2023). European Data Governance Act. https://digital-strategy.ec.europa.eu/en/policies/data-governance-act.
30. Next G Alliance. (2022). Trust, Security, and Resilience for 6G Systems. https://www.nextgalliance.org/white_papers/trust-security-and-resilience-for-6g-systems/
31. IDTechEx Investigates Who is Winning in 6G // Microwave Journal, October 21, 2021.
32. Global 6G Connections to Reach 290M in First Two Years
of Service // Microwave Journal, February 6, 2024
М. Макушин
В предыдущем номере были затронуты вопросы инновационных тенденций эры 6G, такие как новая архитектура, необходимые технологии и требующие разрешения проблемы. Во второй части завершается обзор требующих решения проблем, рассматриваются перспективные направления исследований в области 6G-сетей, американо-европейская маршрутная карта развития 6G-сетей и некоторые разработки в этой области.
Цифровые двойники
Цифровые двойникиi (ЦД) – это цифровые копии физического объекта или продукта, которые служат его неотличимым цифровым аналогом для практических целей, таких как моделирование системы, интеграция, тестирование, мониторинг и техническое обслуживание. Благодаря развитию коммуникационных и вычислительных технологий ЦД состоит из трех уровней развертывания: мониторинга, моделирования и эксплуатации.
Уровень мониторинга. ЦД используется для зеркального отображения или виртуального представления физического объекта, который не взаимодействует со своей виртуальной моделью (и наоборот).
Уровень моделирования. ЦД является имитатором физического объекта, понятного, предсказуемого и оптимизируемого моделированием. Виртуальная модель развивается вместе с изменениями, но изменения в ней не влияют на физический объект.
Уровень работы. Взаимодействие физических объектов и их ЦД – двунаправленное. Изменение состояния любого объекта будет обновляться и отражаться как
на двойниках, так и на физических объектах [15].
Технология ЦД уже применяется в ряде областей для мониторинга, управления и оптимизации физических объектов. В плане использования ЦД в развитии 6G-сетей и технологий предложены ряд решений, в том числе:
решение для совершенствования управления 6G БПЛА-системами с использованием модели ЦД как для уровня краевых вычисленийii, так и для уровня IoT (оптимизация моделей на основе входных показателей, таких как потребляемая мощность передачи сигнала, параметры загрузки/разгрузки БПЛА, пропускная способность краевых и IoT-узлов, и т.д.);
решение для 6G-систем мобильных краевых вычислений (Mobile Edge Computing, MEC) с минимальным временем ожидания (создание ЦД краевых узлов, передача состояния краевых узлов и всей системы MEC для обучения ЦД с целью принятия решений
о разгрузке систем);
решение для оптимизированного управления автомобильными системами на основе создания ЦД транспортных средств и дорожной инфраструктуры (автомобильные системы получают эффективные и надежные схемы снижения нагрузки за счет оптимизации моделей ЦД на основе глубокого обучения с подкреплением).
Специалисты считают перспективным оптимизацию моделей ЦД на основе обратного взаимодействия с реальными системами и моделями. ЦД становятся возможным решением для оптимизации систем, повышения производительности и сокращения времени отклика служб для приложений, чувствительных к времени ожидания. То есть ЦД – это эффективный способ моделирования, анализа, прогнозирования и оптимизации физических систем, способный внести свой вклад в развитие 6G-сетей [16].
Также к числу технологий, оказывающих существенное воздействие на развитие 6G-сетей, можно отнести сверточные нейронные сети и графовые нейронные сети, симбиотические радиосети (SRN), дальнейшее совершенствование используемой в 5G-сетях технологии massive MIMO и технологии метавселенной.
Проблемы и перспективные направления исследований
Исследования в области 6G-сетей находятся на начальном этапе, поэтому до их развертывания необходимо решить ряд задач (рис. 2). Наиболее существенными являются: гетерогенные сети, терагерцевый диапазон, ИИ, краевые вычисления, безопасность и конфиденциальность.
Гетерогенные сети. Концепция 6G будет заключаться в интеграции наземных, воздушных и подводных сетей. Это требует разработки более инновационных и гибких протоколов маршрутизации, адаптирующихся в соответствии с условиями окружающей среды (обеспечение бесперебойного подключения и интерактивных возможностей в различных средах передачи данных) [17].
Терагерцевый диапазон. Данный диапазон привлекателен для 6G-сетей благодаря повышению пропускной способности системы за счет большего числа полос спектра. Но здесь возникают две проблемы: высокие потери на поглощение окружающей средой и помехи между компонентами устройства. Поэтому его использование возможно на небольших дальностях связи при низкой мощности. Решение – разработка схем меньшего размера и устройств с меньшей рабочей мощностью [4].
Эндогенный ИИ. Интеграция эндогенного ИИ в 6G-сети приведет к существенному повышению как вычислительной мощности, так и возможности обрабатывать большие объемы данных. Важным аспектом развития 6G-сетей станет оптимизация энергопотребления. Наиболее энергозатратными являются такие приложения, как голограммы, тактильная связь, дополненная, виртуальная и смешанная реальности. Одним из наиболее перспективных решений для экономии энергии становится решение на основе больших интеллектуальных поверхностей (Large Intelligent Surface, LIS) [18].
Краевые вычисления. Они позволяют значительно увеличить вычислительную мощность сети, их сочетание с ИИ приводит к значительному улучшение вычислительных возможностей, эффективности использования системных ресурсов и производительности сети. Но при ограниченных ресурсах и емкости хранения данных управлять сложными алгоритмами на основе ИИ, требующих обработки больших объемов данных на краевых узлах, очень сложно. Требуется продолжение разработки оптимальных алгоритмов ИИ, эффективного планирования и методов разгрузки краевых узлов – для повышения производительности периферийных систем [4].
Безопасность и конфиденциальность. Интеграция разнородных систем, сбор и передача больших объемов данных в 6G-сетях приводит к проблемам безопасности данных и конфиденциальности. Необходимо разработать новые алгоритмы шифрования и методы защиты на физическом уровне, а также продолжить изучение вопросов надежности архитектуры сетей [19].
Американо-европейская
маршрутная карта создания 6G-технологий
В декабре 2023 года американские и европейские исследователи опубликовали совместную «Маршрутную карту развития 5G- и 6G-технологий» (EU-US Beyond 5G/6G Roadmap, далее – Маршрутная карта). Она охватывает сферу исследований, определения основных направлений работ и выработки рекомендаций в области развития 6G-сетей и услуг. В реализации Маршрутной карты предусмотрено участие академического сообщества, бизнеса и государственных структур. Период совместных работ – с 2025 года и до выполнения основных задач. С европейской стороны в разработке и реализации маршрутной карты участвует Европейская совместная инициатива по интеллектуальным сетям и услугам (European Smart Networks and Services Joint Undertaking, SNS JU), государственно-частное партнерство, обладающее статусом общеевропейской программы, финансируемой ЕС. США представлены «Альянсом следующего поколения» (Next G Alliance), входящего в североамериканский «Альянс разработки решений для телекоммуникационной промышленности» (Alliance for Telecommunications Industry Solutions, ATIS). В работе Next G Alliance участвуют промышленные фирмы, различные исследовательские организации
и университеты. Одним из источников финансирования является Национальный институт стандартов и технологии (NIST) министерства торговли США.
Одна из основных не афишируемых задач сторон при реализации маршрутной карты – добиться стратегического превосходства над КНР, не допустить повторения ситуации значительных успехов Поднебесной в области разработки 5G-технологий, развертывания 5G-сетей и лидерства по числу заявленных/полученных патентов.
В собственно Маршрутной карте план-график совместных работ не отражен. Для иллюстрации этого аспекта подходит маршрутная карта SNS JU (рис. 3).
Основными областями сотрудничества ЕС и США в соответствии с Маршрутной картой являются:
- продвижение жизнеспособных 6G-решений;
- микроэлектроника и 6G-технологии;
- облачные решения и распределенные вычисления;
- открытые решения;
- искусственный интеллект и 6G-технологии;
- надежность и кибербезопасность.
Взаимосвязь перечисленных направлений сотрудничества представлена на рис. 4 [20].
Продвижение жизнеспособных 6G-решений
Американо-европейская Маршрутная карта формировалась с учетом различных национальных и международных исследований, законодательных актов и т. п., включая опубликованное Европейской Комиссией в 2023 году исследование о перспективах цифровизации Европы [21] и определенных ООН (2020) 17 целей устойчивого развития [22]. Отмечается, что комплексная система 6G будет устойчивой и жизнеспособной в той мере, в которой она будет способствовать устойчивости и жизнеспособность других секторов экономики. Это охватывает все три столпа устойчивого развития (экологическое, социальное и экономическое) и особенно касается таких сетевых аспектов, как надежность, конфиденциальность и интеграция в цифровые технологии.
Для повышения энергоэффективности 6G-сетей потребуется оптимизировать все этапы жизненного цикла оборудования, от проектирования и производства до окончания срока службы, разработка сетей радиодоступа (RAN) и их основных архитектур, эффективное использование искусственного интеллекта (ИИ) и облачных сервисов, всех необходимых приборов и устройств, частотных диапазонов и алгоритмов прикладного уровня.
Также важен переход к экономике замкнутого цикла, что требует применения методов проектирования, способствующих сокращению объемов используемых материалов и случаев ремонта, повторному использованию, рециркуляции и утилизации продуктов, их составных частей, компонентов и материалов.
Кроме того, внедрение 6G-сетей потенциально может повысить качество жизни, включая такие государственные услуги, как здравоохранение, образование, охрана труда и окружающей среды [20].
Для обеспечения устойчивого развития 6G-сетей
и продвижения жизнеспособных решений необходимы руководящие принципы и процессы. К ним относится, в частности, рамочная система ключевых показателей эффективности (КПЭ), используемая для управления разработкой, ориентированной на достижение максимальных характеристик. Она также может использоваться при разработке, ориентированной на увеличение добавленной стоимости, с помощью специальных показателей, особенно связанных с устойчивостью и жизнеспособностью. Тем не менее, оценка «стимулирующего эффекта» 6G-сетей, то есть их положительного влияния на другие сектора деятельности, остается сложной задачей [23].
Микроэлектроника и 6G-технологии
Микроэлектроника и полупроводниковая промышленность (если взять шире) обеспечивают элементную базу развития 6G-сетей и технологий. США и ЕС признали микро-
электронику стратегической отраслью промышленности как с экономической, так и с политической точек зрения.
В 2022 году США приняли «Закон о создании полезных стимулов для производства полупроводниковых приборов и развития науки» (Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors and Science Act, CHIPS and Science Act) [24]. В этом же году ЕС принял аналогичный закон (EU Chips Act) [25]. Оба закона направлены на развитие научного и промышленного потенциала путем привлечения частных и государственных инвестиций, а также обеспечения безопасности цепочек поставок. Эти законы охватывают применение инновационных микроэлектронных решений и в секторе связи – например, США выделили 1,5 млрд долл. на чипсеты для систем беспроводной связи. Технологии 6G значительно расширят возможности и создадут новые требования к промышленной базе для обслуживания глобальных рынков.
Ожидается, что переход к виртуализированным сетям, начавшийся с 5G-сетей, продолжится и активизируется с появлением 6G-сетей. С этой точки зрения требования к микроэлектронике разнообразны и характеризуются необходимостью:
- в программных реализациях для достижения уровней производительности, сравнимых с классическими аппаратными реализациями, особенно для функций радиосвязи в реальном масштабе времени (использование процессоров общего назначения может оказаться недостаточным);
- использования преимуществ открытых цепочек поставок с несколькими источниками, в связи с чем могут быть рассмотрены разработки технологии RISC V (это важно для применения ускорителей, встраиваемых в различные платформы с виртуализированными реализациями);
- оптимизации энергоэффективности на уровне процессора (в то время как внедрение ПО может привести к увеличению энергопотребления).
По мнению составителей Маршрутной карты, сотрудничество ЕС и США в области микроэлектроники, ориентированной на 6G-сети и технологии, должно быть
направлено на:
- снижение рисков при разработке ключевых технологических компонентов, необходимых для реализации 6G-концепции и новых приложений;
- повышение уверенности заинтересованных сторон в поддержке ключевых технологий на уровне стандартизации;
- определение зависимости этих технологий от поставщиков;
- создание «кросс-атлантической» (ЕС-США) базы знаний об этих технологиях [20].
Облачные решения
и распределенные вычисления
Предполагается, что 6G-облако будет работать как единое целое (базовое, периферийное и удаленное), включающее в себя интеллектуальные и повсеместные вычислительные, коммуникационные и информационные сервисы, охватывающие региональные и городские центры обработки данных, сотовые узлы, локальное оборудование и устройства. Системные 6G-функции и приложения могут поддерживаться в 6G-облаке в качестве рабочих нагрузок, распределенных для обеспечения обработки больших объемов данных в непосредственной близости от источника, минимизации передачи данных, использования специализированных вычислительных возможностей (повышение производительности и адаптация к динамике сети). Дополнительно могут внедряться вычислительные системы и системы передачи данных с выделенными функциями вычисления и управления данными [20].
Распределенные вычисления потребуют интеграции мобильных устройств для предоставления вычислительных услуг и услуг передачи данных. Обнаружение, сбор
и обработка данных локально в устройствах с ограниченными ресурсами сводят к минимуму затраты на передачу данных. Но это зависит от их типа – от устройств Интернета вещей до мощных потребительских устройств, поддерживающих промышленные, корпоративные приложения и приложения расширенной реальностиiii (XR). Соответственно требуется интеграция вычислительных и коммуникационных возможностей устройств и сетей для создания единой сети вычислительных и коммуникационных ресурсов (с учетом безопасности и конфиденциальности) [26].
Открытые решения
Открытые сети являются многообещающим решением для поддержки постоянно растущего трафика данных и удовлетворения потребности в уплотнении сети с оптимизацией совокупной стоимости владенияiv. При развитии открытых сетей необходимо учитывать такие аспекты, как:
- рост сложности интеграции, что затрудняет конфигурирование, эксплуатацию и обновление сетей (при этом нужная производительность не всегда достигается);
- усиление угроз общей сетевой безопасности (потенциально приводящее к повышенной уязвимости сетей, которую необходимо исследовать и устранять);
- использование открытой архитектуры не обязательно означает отказ от использования запатентованных компонентов;
- важность обеспечения баланса между стандартизацией сетей для обеспечения функциональной совместимости, безопасности и масштабируемости (не приводящее к возникновению препятствий для инноваций в области сетевых решений);
- трудность достижения энергоэффективности при интеграции программных и аппаратных продуктов из различных источников.
Открытые сети становятся важной тенденцией, в рамках которой множество заинтересованных сторон прилагают все усилия для достижения желаемых преимуществ и решения возникающих проблем. Несколько известных инициатив в области открытых сетей становятся общепринятыми. Но, хотя некоторые инициативы, такие как Open RAN, уже реализуются, эта область все еще находится в стадии разработки, и для обеспечения широкого внедрения во всех областях необходимы дополнительные исследования и участие различных заинтересованных сторон [20].
Искусственный интеллект и 6G-технологии
Ныне осуществляется переход радиоинтерфейса и других сетевых уровней на ИИ/машинное обучение (МО), начиная с замены определенных функций в сети, устройствах и радиоинтерфейсе. Это должно сопровождаться рядом улучшений функциональности и архитектуры, поддерживающих внедрение методов ИИ/МО [20]. Внедрение ИИ/МО в 6G-технологии порождает ряд проблем.
Во-первых, обучение модели ИИ/МО и формирование логических выводов могут быть сопряжены с большими затратами вычислительных ресурсов и увеличением энергопотребления. Это требует устойчивого и энергоэффективного использования ИИ/МО в 6G-сетях/устройствах (особенно в RAN, на которые приходится большая часть энергопотребления, в частности для устройств с ограниченными ресурсами, включая БПЛА). Растет техническая и вычислительная сложность инфраструктуры управления наборами данных и жизненным циклом моделей ИИ/МО (включая постоянный сбор данных и мониторинг/переподготовку моделей), особенно если модели ИИ/МО динамически оптимизируются под различные местоположения, конфигурации сети, условия дорожного движения и/или условия распространения радиосигнала [27].
Во-вторых, решающее значение для хода исследований в области ИИ/МО и стандартизации 6G-сетей будет иметь создание эталонных наборов данных и моделей. Здесь важны:
- разработка методологий сбора, обработки, сопоставления данных из различных источников и оценки наборов данных;
- показатели и модели оценки технологий ИИ в телекоммуникациях (включая аспекты энергоэффективности, объяснимости, надежности, безопасности, конфиденциальности и производительности);
- технологии и инструменты для адаптации моделей к конкретным сценариям/установкам (основанные, например, на непрерывном обучении);
- генерация синтетических данных и использование ЦД для увеличения объема данных, разработки/оценки моделей и адаптации.
То есть построение и агрегирование моделей потребует управления жизненным циклом, включая онлайн/оффлайн-обучение, разработку, аттестацию, обслуживание, мониторинг и т. п.
В-третьих, обеспечение надежности механизмов ИИ/МО 6G-сетей включает в себя обеспечение их устойчивости к кибератакам или утечке данных, с одной стороны,
с другой – обеспечение понятности их работы с участием в процессе человека (XAI, eXplainable AI – объяснимый искусственный интеллект).
В-четвертых, необходимо более глубокое понимание последствий политики и регулятивных норм в области ИИ [20]. ИИ, наряду с коммуникационными технологиями, определен как одна из ключевых технологий, обеспечивающих технологический суверенитет ЕС. Использование ИИ в ЕС будет регулироваться законом об ИИ [28] с целью обеспечения безопасности, прозрачности, отслеживаемости, недискриминационности и экологической чистоты систем ИИ. Закон об управлении данными [29] направлен на максимальное использование потенциала данных (как средства обеспечения ИИ) в интересах граждан и бизнеса.
В США (с 01.01.2021) Закон о Национальной инициативе в области ИИ (The National AI Initiative Act) предусматривает скоординированную программу работ федерального правительства по ускорению исследований и применения ИИ для обеспечения экономического роста и национальной безопасности [20].
Надежность и кибербезопасность
Меры, реализуемые в сфере надежности и кибербезопасности 6G-сетей, должны обеспечивать:
- организацию бизнес-процессов и цепочки поставок, обеспечивающую доверие к оборудованию, участникам и процессам;
- тщательную разработку 6G-стандартов, соответствующих точно определенным требованиям безопасности;
- обеспечение совместимости 6G-инфраструктуры (включая сетевое оборудование и связанные с ним сервисы) в рамках экосистемы, развертывание и эксплуатация сетей в соответствии с ожиданиями пользователей [30].
Предполагается, что реализация перечисленных мер пойдет по следующим направлениям:
- повышение устойчивости 6G-инфраструктуры и сервисов при их интеграции в рабочие процессы автоматизации в различных сферах общественного и промышленного использования (с учетом надежности компонентов, функций и процессов сети, общей производительности, надежности и отказоустойчивости);
- увеличение надежности путем оценки и определения уровней безопасности, предоставляемых для 6G-услуг:
Некоторые рекомендации по реализации Маршрутной карты
Американские и европейские специалисты, участвовавшие в разработке совместной Маршрутной карты, разработали ряд рекомендаций по ее реализации (табл. 4).
Некоторые разработки в области 6G-сетей
Хотя появление стандарта 6G-технологии ожидается в 2025 году, ряд фирм уже представляют опытные разработки в этой области. В табл. 5 представлены некоторые из этих разработок (анонсированных в первом полугодии 2024), сама таблица составлена на основе фирменных материалов упомянутых в ней компаний.
***
Итак, представления об инновационных тенденциях развития 6G-сетей в области архитектуры, технологий и требующих решения проблем сформулированы, что дает возможность принятия общего стандарта в 2025 году. Опыт и экономический эффект развертывания 5G-сетей повышают ожидания и заинтересованность в области 6G-сетей. Сложность и дороговизна разработки и развертывания 6G-сетей, а также потребность в ускорении этих работ в условиях жесткой конкуренции ведут к формированию многосторонних альянсов. При этом совместные работы ведутся не только признанными лидерами, такими как ЕС и США, но и другими странами – например Вьетнамом и Канадой.
Стоит также отметить, что при разработке 5G-технологий в числе безусловных лидеров оказалась КНР.
Западные страны опасаются повторения ситуации, поэтому стараются активнее проводить совместные работы с целью концентрации сил и средств. При этом если в области разработки 6G-датчиков по числу поданных патентных заявок доминируют Япония, Южная Корея, а затем Германия, то КНР отдает предпочтение патентованию систем (где и лидирует), а не компонентов. Если рассматривать успехи отдельных фирм, то ситуация следующая:
- по числу патентов в сфере 5G безусловно лидировала южнокорейская корпорация Samsung (у нее в 10 раз больше патентов, чем у 10 следующих за ней фирм вместе взятых);
- в области 6G на февраль 2024 года было зарегистрировано около 100 патентов, при этом лидирует китайская корпорация Huawei [31], несмотря на все западные санкции.
Что касается темпов развертывания 6G-сетей, то по данным исследования фирмы Juniper Research (февраль 2024) число соединений в этих сетях к 2030 году по всему миру достигнет 290 млн – после начала их развертывания, ожидаемого в 2029 году [32].
ЛИТЕРАТУРА
4. Quy V.K., Chehri A., Quy N.M., Han N.D., Ban N.T. Innovative Trends in the 6G Era: A Comprehensive Survey
of Architecture, Applications, Technologies, and Challenges // EEEAxess. V. 11. 26 April 2023, pp. 39824–39844.
15. T. Q. Duong, D. Van Huynh, Y. Li, E. Garcia-Palacios,
K. Sun. Digital twin-enabled 6G aerial edge computing with ultra-reliable and low-latency communications: (Invited paper) // Proc. 1st Int. Conf. 6G Netw. (6GNet), Jul. 2022,
pp. 1–5. doi: 10.1109/6GNet54646.2022.9830363.
16. Y. Dai, Y. Zhang. Adaptive digital twin for vehicular edge computing and networks // J. Commun. Inf. Netw., vol. 7,
no. 1, pp. 48–59, Mar. 2022. doi: 10.23919/JCIN.2022.9745481.
17. G. Wikström, J. Peisa, P. Rugeland, N. Johansson,
S. Parkvall, M. Girnyk, G. Mildh, I. L. Da Silva. Challenges and technologies for 6G // Proc. 2nd 6G Wireless Summit (6G SUMMIT), Mar. 2020, pp. 1–5. doi: 10.1109/6GSUMMIT49458.2020.9083880.
18. J. Yuan, H. Q. Ngo, M. Matthaiou. Towards large intelligent surface (LIS)-based communications // IEEE Trans. Commun., vol. 68, no. 10, pp. 6568–6582, Oct. 2020.
doi: 10.1109/TCOMM.2020.3009115.
19. L. Fanari, A. Arriola. A survey of physical layer techniques for secure wireless communications in industry // IEEE Commun. Surveys Tuts. 2022. V. 24. No. 2. PP. 810–838. doi:10.1109/COMST.2022.3148857.
20. EU-US Beyond 5G/6G Roadmap // 5G-ppp.eu. December 2023
21. European Commission (2023). 6G Outlook - Shaping Europe’s digital future.
22. United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Sustainable Development. (2020). The 17 Goals.
23. 6G-IA. (2022). What societal values will 6G address? Societal Key Values and Key Value Indicators analyzed through
6G use cases.
24. Авдонин Б., Макушин М. CHIPS Act и некоторые
аспекты совершенствования экосистемы НИОКР в США // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2023.
№2 (00223). С. 044–053.
25. Брыкин А., Макушин М. Микроэлектроника и государственная политика высокотехнологичных стран: «национализация» взамен глобализации // ЭЛЕКТРОНИКА:
Наука, Технология, Бизнес. 2021. №9 (00210). С. 148–156.
26. European Commission. (2023). Cloud computing.
https://digital-strategy.ec.europa.eu/en/policies/
cloud-computing.
27. NGA. (2023). AI-Native Wireless Networks.
https://www.nextgalliance.org/white_papers/ai-native-wireless-networks/
28. European Parliament. (2023). EU AI Act: First Regulation on Artificial Intelligence. https://www.europarl.europa.eu/news/en/headlines/society/20230601STO93804/eu-ai-act-first-regulation-on-artificial-intelligence.
29. European Commission. (2023). European Data Governance Act. https://digital-strategy.ec.europa.eu/en/policies/data-governance-act.
30. Next G Alliance. (2022). Trust, Security, and Resilience for 6G Systems. https://www.nextgalliance.org/white_papers/trust-security-and-resilience-for-6g-systems/
31. IDTechEx Investigates Who is Winning in 6G // Microwave Journal, October 21, 2021.
32. Global 6G Connections to Reach 290M in First Two Years
of Service // Microwave Journal, February 6, 2024
Отзывы читателей
