CC BY
82
6. Malik H. et al. NB-IoT network field trial: Indoor, outdoor and underground coverage campaign //2019 15th International Wireless Communications & Mobile Computing Conference (IWCMC), IEEE. 2019. - С. 537-542.
7. Тестер сети NB-IoT серии RB-NBT. Руководство по эксплуатации.
ОБЗОР БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ 5G И 6G С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ТЕХНОЛОГИИ IoT
C.Ä. Хофизов, Московский технический университет связи и информатики, hofizov@yandex.ru;
Ю.М. Долбич, Московский технический университет связи и информатики, ydolbich@inbox. ru.
УДК 004:654_
Аннотация. Беспроводная связь - это способ передачи информации между двумя точками, которые не соединены физическим проводником. Большинство беспроводных технологий используют радиоволны, и длина радиоволн может быть очень маленькой (несколько метров), как у Bluetooth, или очень большой (миллионы километров) для связи в дальнем космосе. Беспроводная связь пережила несколько поколений. На данный момент 5G - это последнее поколение сетей беспроводной связи, введенное в эксплуатацию, которое позволяет передавать огромный объем данных по своим каналам. Сеть 6G предназначена для обеспечения более быстрой беспроводной сети, чем 5G, поэтому обе они могут обслуживать приложения интернета вещей (Internet of Things, IoT). В данной статье рассматриваются 5G и 6G, разница между ними и преимущества использования.
Ключевые слова: 5G; 6G; IoT.; беспроводная связь.
OVERVIEW OF 5G AND 6G WIRELESS COMMUNICATION USING IoT
TECHNOLOGY
Sergey Khofizov, Moscow technical university of communications and informatics; Yulia Dolbich, Moscow technical university of communications and informatics.
Annotation. Wireless communication is a way of transmitting information between two points that are not connected by a physical conductor. Most wireless technologies use radio waves, and the length of the radio waves can be very small (a few meters), like Bluetooth, or very large (millions of kilometers) for communication in deep space. Wireless communication has survived several generations. At the moment, 5G is the latest generation of wireless communication networks, put into operation, which allows you to transmit a huge amount of data through its channels. The 6G network is designed to provide a faster wireless network than 5G, so both of them can serve Internet of Things (IoT) applications. This article discusses 5G and 6G, the difference between them and the benefits of using.
Keywords: 5G; 6G; IoT; wireless communication.
Введение
Интернет вещей (Internet of Things, IoT) - концепция сети передачи данных между физическими объектами («вещами»), оснащенными встроенными
средствами и технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой [1-6]. Предполагается, что организация таких сетей способна перестроить экономические и общественные процессы, исключить из части действий и операций необходимость участия человека [7-11].
Концепция сформулирована в 1999 г. как осмысление перспектив широкого применения средств радиочастотной идентификации для взаимодействия физических предметов между собой и с внешним окружением. Наполнение концепции многообразным технологическим содержанием и внедрение практических решений для ее реализации, начиная с 2010-х гг., считается устойчивой тенденцией в информационных технологиях, прежде всего, благодаря повсеместному распространению беспроводных сетей, появлению облачных вычислений, развитию технологий межмашинного взаимодействия, началу активного перехода на IPv6 и освоению программно-определяемых сетей [12-15].
IoTшироко используется в сети 5G. Низкая задержка и факторы надежности сети 5G необходимы для эффективной работы приложений IoT. Например, транспортные средства и датчики могут быть связаны с интернетом с помощью сети 5G. Кроме того, 5G также необходимо для приложений IoT с различной пропускной способностью и скоростью передачи данных, включая нестандартную передачу терминалов интернета вещей в 5G и ранее, поэтому однозначно требуется другая форма сигнала для обеспечения адаптируемого доступа по восходящей линии связи. Адаптивность имеет важное значение в приложениях IoT, поскольку требования к скорости передачи, повторяемости передачи и трафику могут изменяться в зависимости от приложений IoT, и это дополнительно требуется для обеспечения возможности передачи данных через терминалы IoT [16, 17].
6G является преемником стандарта беспроводной связи пятого поколения 5G и будет повсеместно вводится в эксплуатацию к 2030 г. Оно будет основано на обновленной инфраструктуре сети 5G. 6G будет использовать более высокие частотные диапазоны, чем 5G, следовательно, оно обеспечит гораздо более высокую скорость и низкую задержку по сравнению с сетью 5G. Точнее, предполагается, что технология 6G обеспечивает скорость до 10 Гбит/с, в то время как 5G может обеспечить скорость до 1 Гбит/с и немного выше [18].
Архитектура сети 5G
Архитектура сети 5G состоит из четырех основных компонентов: сети радиодоступа (Radio access network, RAN), базовая сеть, сегментация сети и виртуализация сетевых функций (Network function virtualization, NFV) [19-23].
Сеть радиодоступа состоит из различных типов объектов, таких как антенные вышки, небольшие ячейки, мачты и устройства домашней сети, которые подключают мобильных пользователей к базовой сети. Микро или макроэлементы, которые считаются основным нововведением сети 5G, обеспечивают короткий диапазон соединения, который измеряется в миллиметровых волнах. Макроэлементы 5G используют антенны множественного ввода и вывода (Multiple input multiple output, MIMO), которые позволяют пользователям отправлять и получать данные одновременно [24].
Базовая сеть обрабатывает и отвечает за передачу и обмен мобильными данными через свои распределенные серверы, чтобы получить лучшую задержку отклика.
Сегментация сети отвечает за разделение сети для конкретного приложения, бизнеса или отрасли. Например, такая конкретная услуга, первоначально предоставляемая сетью, может быть разделена и использоваться независимо от
других пользователей. Оптимальная политика может управлять перекрестным контролем доступа и распределением ресурсов для сетей 5G [25].
Виртуализация сетевых функций предоставляет базовую платформу, готовую к 5G, для развертывания и поддержки новых бизнес-приложений. Именно NFV позволяет создавать сетевые функции в режиме реального времени в нужном месте на платформе оператора [26].
Одной из возможных архитектур 5G является M-CORD. Архитектура M-CORD предназначена для обеспечения платформы, обеспечивающей подготовку и масштабируемость. Она также предоставляет другие услуги, такие как мониторинг производительности и поведения. Опосредование всех зависимостей между службами является наиболее важной функцией CORD [27].
На рис. 1 представлена схема архитектуры поколения 5G.
wt у «mi / in / m«i«w* ми*о wt;w«/AfMiiMMwo «if / ¥»«/if*/м*нм»мма
Рисунок 1
Проблемы и возможности 6С
60 - будущая сеть связи, которая, как предполагается, начнет распространяться к 2030 г., зависит от интеграции всех телекоммуникационных сетей, таких как спутниковые сети для получения изображений земли, навигационные сети и зондирующие спутники. Наноантенны могут быть установлены в различных географических точках по всему земному шару, чтобы предоставлять информацию о планете своим станциям дистанционного наблюдения. В связи с продолжающимся достижением того факта, что частоты миллиметровых волн применимы для портативных обменов, широкие оценки и исследования были направлены на частоты от 0,5 до 100 ГГц, и несколько международных организаций, занимающихся удаленными стандартами, предложили модели каналов для частот ниже 100 ГГц. Мало кто задумывается о радиоканале с частотой более 100 ГГц, где доступно гораздо больше неиспользуемых пространств для передачи данных. Сеть 60 принесет большие преимущества для различных частотных диапазонов, чем 50. Рассмотрение последствий недавно распределенных оценок распространения в О-диапазоне (110170 ГГц) дает возможность имплементации структуры широкополосного эхолота канала 140 ГГц и предлагает измерения распространения в помещении и оценки входа для обычных материалов в диапазоне 140 ГГц, которые в последнее время не были исследованы [28].
Требования к внедрению 6С
При внедрении технологии 60 необходимо учитывать некоторые факторы, такие как стоимость и использование различных устройств, дополнительные
затраты на техническое обслуживание и приобретение необходимых знаний о его преимуществах и недостатках, а также о последствиях использования в долгосрочной перспективе.
Основным требованием 6G является использование новых коммуникационных инфраструктур, к которым относятся новые архитектуры, 3D-соединения и наличие каналов с очень высокой скоростью передачи данных, использующих суб-ТГц. Кроме того, еще одним требованием является использование механизмов искусственного интеллекта (ИИ), которые включают инструменты машинного обучения на конечных узлах сети. С появлением машинного обучения и технологий ИИ, а также с огромным ростом IoT и интеллектуальных устройств, поколение 6G будет внедрено, чтобы обеспечить оптимальное решение, высокую пропускную способность и высокоскоростной интернет. С использованием алгоритма и моделей на основе ИИ сети 6G будут работать в дружественном режиме и дадут оптимальное решение для всей системы. ИИ сервисов 6G будет реализован во многих гаджетах и местах, таких как беспилотные летательные аппараты, автомобили и автономные роботы. Таким образом, различные технологии расширят применение технологии 6G и предоставят полный набор функциональных возможностей. Жизненно необходимы также механизмы взаимодействия, которые включают взаимодействие человека с человеком и человека с устройствами с помощью интерактивных коммуникаций с пятью чувствами.
Особенности и проблемы 6G
С 6G связано множество функций, таких как высочайшая скорость доступа в интернет, коммутация сетевых пакетов, высокий уровень безопасности, улучшение возможностей хранения данных, интеллектуальные батареи, высокое разрешение мобильного телевидения и создание 3D-концепции интернета. Кроме того, метод 6G дельта-ортогонального множественного доступа (Delta-orthogonal multiple access, D-MOA) для тяжелой регистрации может управлять узлами всей сети и может обеспечить безопасность и оптимизацию системы с использованием неортогонального множественного доступа (Nonorthogonal multiple access, NOMA), что позволяет избежать возможного перекрытия между кластерами.
С другой стороны, все еще существуют проблемы, связанные с 6G, такие как роуминг. Во-вторых, проблема безопасности с 5G распространилась на 6G: сохранилась необходимость иметь низкую сложность и более высокие уровни защиты. В 6G могут быть реализованы многие методы обеспечения безопасности, такие как MIMO и кода с малой плотностью проверок на четность (Low-density parity-check code, LDPC-code), поэтому проблема может быть решена с помощью распределенного управления ключами, обеспечивающего эффективное управление всем физическим уровнем сети 6G. Кроме того, эти проблемы могут быть решены путем интеграции оптических и электронных модулей, что является надежным методом для высокочастотных систем связи.
Средняя скорость и производительность 6G
Технология 6G может работать на частотах от 100 ГГц до 1 ТГц. Она может обеспечить более высокую частоту, чем пропускная способность 5G. 6G обеспечивает пиковую скорость загрузки данных более 10 Гбит/с и пиковую скорость загрузки данных более 10 Гбит/с. Как только 6G будет внедрено, оно сможет получить доступ к более чем 100 ГГц по сравнению со скоростью и пропускной способностью 5G. Кроме того, подготовленные данные и новые
модели будут улучшены с помощью проектирования внутренней беспроводной сети, исследований локализации и будущего гигабайтного Wi-Fi с IoT.
Сравнение 5G и 6G
Теперь, если собрать общие данные 5G и 6G, чтобы провести сравнение, можно упомянуть год использования, скорость обслуживания, технологию использования, стандарты и основную сеть, которые описаны в табл. 1.
Таблица 1.
Поколение 4G 5G 6G
Год начала 2015 2020 2030
внедрения
Скорость От 2Мб/с до 1 Гб/с 1 Гб/с и выше >10 Гб/с
Технологии Интеграция широкополосных LAN, WAN, PAN и WLAN 4G, беспроводная глобальная сеть (Wireless Wide Area Network, WWAN) 5 G, спутниковые сети
Стандарты Конвергенция доступа к сети, WiMAX, CDMA, OFDM, MC-CDMA, Системы GPS, COMPASS,
включая OFDMA, UWB, LMDS, IPv6 GLONASS, Galileo
MC CDMA, сетевые
LMPS
Базовая сеть Интернет Интернет Интернет
Заключение
В данной статье был проведен обзор сетей 5 G и 6G в различных аспектах, таких как инфраструктура, компоненты, требования к внедрению. Результаты этого исследования проясняют фундаментальные концепции 5 G и 6G, лежащие в основе каждого из них. Также изучены проблемы, с которыми сталкивается сеть 6G. Производится сравнение между каждой сетью, чтобы проиллюстрировать основные различия между двумя сетями и то, как это влияет на приложения Интернета вещей.
Литература
1. Ханна Б.О., Фицджеральд П., Берни Х., Лакшманан Р., Коберн Н., Гири С. и Малви Б. Устройства и датчики, применимые к реализации систем 5G, 2018.
2. Вольф Н., Шевченко С., Вентцель А., Бенгтссон О. и Хайнрих В. Переключаемые модуляторы и PAS для эффективных передатчиков в беспроводной инфраструктуре 5G, 2018.
3. Ни Ю., Лян Дж., Ши Х. и Бан Д. Исследование ключевых технологий в Сети мобильной связи 5G. Международная конференция 2019 года по интеллектуальному транспорту, Большим данным и умному городу (ICITBS), 2019.
4. Лю С., Лю Л., Ян Х., Юэ К. и Го Т. Исследование технологии 5G, основанной на интернете вещей, 2020.
5. Пан К., Ву Дж., Чжэн Х., Ли Дж., Ли С. и Василакос А.В. Использование искусственного интеллекта и интеллектуальной отражающей поверхности для энергоэффективной связи в 6G, 2020.
6. Акилдиз И.Ф., Как А. и Ни С. 6G и далее: Будущее систем беспроводной связи, 2020.
7. Исобоев Ш.И. Оценка перспектив развития и применения искусственного интеллекта в мобильной связи 5-го и 6-го поколений // Экономика и качество систем связи, 2022. - № 1(23). - С. 20-25. - EDN QGBSEH.
8. Михайлова И.А. Архитектура HR и LBO роуминга в сетях 5G // Экономика и качество систем связи, 2022. - № 1(23). - С. 26-36. - EDN DKGCLF.
9. Попова Ю.П. 6G беспроводные системы связи: приложения, требования, технологии, проблемы и исследование направления // Наука и общество в эпоху перемен, 2019. - № 1(5). - С. 36-44. - EDN KCDFGC.
10. Ефимушкин В.А. Анализ бизнес-рисков внедрения мобильных сетей 5G в условиях развития технологий 6G // Технологии информационного общества: Сборник трудов XIV Международной отраслевой научно-технической конференции, Москва, 18-19 марта 2020 года. - Москва: ООО «Издательский дом Медиа паблишер», 2020. - С. 573-574. - EDN HWFASO.
11. Мордачев В.И. Характеристики электромагнитной обстановки, создаваемой излучениями абонентского оборудования сотовой (мобильной) связи ...4G/5G/6G в зданиях // Доклады Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, 2021. - Т. 19. - № 6. - С. 42-50. - DOI 10.35596/1729-7648-202119-6-42-50. - EDN RJZNUC.
12. Катеринкина Е.Н. Интеллектуальные отражающие поверхности как один из сценариев создания сетей 6G // Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТТ-2020: XXII Международная научно-техническая конференция, IV научный форум телекоммуникации: теория и технологии ТТТ-2020, Самара, 17-20 ноября 2020 года. - Самара: Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2020. - С. 172-173. - EDN NYDDSD.
13. Бакулин М.Г. Проблема повышения спектральной эффективности и емкости в перспективных системах связи 6G // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2020. - Т. 14. - № 2. - С. 25-31. - DOI 10.36724/2072-8735-2020-14-2-25-31. - EDN HHVLBC.
14. Саломатина Е.В. О поддержке сверхнадежной передачи данных с низкой задержкой в сетях 5G и будущих B5G/6G // Перспективные технологии в средствах передачи информации: материалы 14-ой международной научно-технической конференции, Владимир, 06-07 октября 2021 года. - Владимир: Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, 2021. - С. 404-407. - EDN HDBCDP.
15. Харенко А.А. Машинное обучение в сетях 6G // V Научный форум телекоммуникации: теория и технологии ТТТ-2021: Материалы XXIII Международной научно-технической конференции, Самара, 23-26 ноября 2021 года. - Самара: Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2021. - С. 209-210. - EDN KQTTUW.
16. Тихвинский В.О. 5G WORLD SUMMIT - 2014: Курс прежний - ОТ 4G К 5G // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2014. - Т. 8. - № 7. - С. 95-96.
17. Тихвинский В.О. Инновации: 5G world summit: «Достойная старость» 2G на фоне бурного роста 5G. Валерий Тихвинский об итогах 5G world summit. Электросвязь, 2015. - № 10. - С. 18-21.
18. Олейникова А.В., Нуртай М.Д., Шманов Н.М. Перспективы развития связи 5G. Современные материалы, техника и технологии, 2015. - № 2 (2). - С. 233-235.
19. Мельник С.В. 5G - Работа над ошибками предыдущих поколений // Вестник связи, 2014. - № 7. - С. 29-30.
20. Вайтакр Я. Потребность в 5G. проблемы разработки и тестирования. Вестник связи, 2014. - № 8. - С. 4-6.
21. Ганьжа Д. 4G пишем, 5G в уме // Журнал сетевых решений LAN, 2014. - № 4. -С. 1 -3.
22. Битнер В.И., Михайлова Ц.Ц. Сети нового поколения - NGN. - Горячая Линия - Телеком, 2011. - 266 с.
23. Бакланов И. Г. NGN. Принципы построения и организации. - М: Эко-Трендз, 2008. - 400 с.
24. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы,технологии, протоколы. - СПб: 2010 - 943 с.
25. Тихвинский В.О., Тереньтев С.В., Юрчук А.Б. Сети мобильной связи LTE: Технологии и архитектура. - М: Эко-Трендз, 2010. - 284 с.
26. Кпухмалев В.В. Моченов А.Д. Синхронные телекоммуникационные системы и транспортные сети. - Издательство: УМЦ ЖДТ (Маршрут), 2012. - 288 с.
27. Власов ИИ. Новиков Э.В. Птичников М.М. Сладких Д.В. Под ред. М.М. Птичникова Техническая диагностика современных цифровых сетей связи. Основные принципы и технические средства измерений параметров передачи для сетей PDH, SDH, IP, Ethernet и АТМ. - Издательство: «Горячая линия-Телеком», 2012. - 512 с.
28. Сакалема Домингуш Жайме Под ред. профессор О. И. Шелухина. Подвижная радиосвязь Издательство: «Горячая линия-Телеком», 2012. - 512 с.
