CC BY
122
ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СЕТИ
ОЦЕНКА КОММУНИКАЦИЙ БУДУЩЕГО: ОТ 5G ДО 6G
С.А. 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. В данной статье рассматривается разработка и обзор технологии беспроводной связи 6G (6-го поколения), распространение которой ожидается в 2030-х гг. Технология беспроводной связи 6G станет приложением интернета вещей, а внедрение сети 6G является многообещающей и развивающейся областью в сфере технологий беспроводной связи. В статье рассмотрены проблемы, которые возникали при эксплуатации технологий предыдущего поколение (5G). Также описываются преимущества и проблемы, связанные с развитием беспроводной связи 6G, призванной обеспечить лучшую систему связи в будущем и открыть множество новых перспектив. Ключевые слова: беспроводная связь; 5G; 6G; сеть.
EVALUATION OF FUTURE COMMUNICATIONS: FROM 5G TO 6G
Sergey Khofizov, Moscow Technical University of Communications and Informatics; Yulia Dolbich, Moscow Technical University of Communications and Informatics.
Annotation. This article discusses the development and review of 6G (6th generation) wireless communication technologies the spread of which is expected in the 2030s. 6G wireless communication technologies will become an application of the Internet of Things and the introduction of the 6G network is a promising and developing area in the field of wireless communication technologies. The article analyzes the problems that arose during the operation of previous generation technologies (5G). It also describes the benefits and challenges associated with the development of 6G wireless communications which is designed to provide a better communication system in the future and open up many new perspectives.
_Keywords: wireless communication; 5G; 6G; network._
Введение
Технология беспроводной связи устанавливает соединение между двумя или более объектами на некотором расстоянии без какого-либо использования внешних кабелей или проводов между этими объектами. Объектами могут являться любые электронные устройства, такие как мобильные телефоны, ноутбуки, настольные компьютеры и т.д. Для установления связи между этими объектами используются различные технологии.
Одной из главных проблем 5G является массовое подключение, поэтому взрывной рост числа пользователей в сети является одной из причин загруженности трафика данных. Таким образом, чтобы обеспечить массовое соединение с помощью 6-го поколения, требуется обеспечить больше возможностей, чем предоставляет беспроводная связь 5G. Это приведет не только
к массовому подключению, но и к повышению скорости, снижению задержек, устойчивости сети и снижению энергопотребления. Беспроводная связь 60 является решением существенно возросших требований к скорости передачи данных и лавинообразному объему трафика. Система 60 продолжит тенденции 50, которая также включает в себя новые услуги с добавлением новых технологий. Новыми услугами или технологиями, которые будут включены в 60, являются:
• Терагерцовая связь.
• Технология оптической беспроводной связи.
• Беспроводная передача энергии.
• Искусственный интеллект.
Основным требованием беспроводной связи 60 является возможность обработки больших объемов данных и высокая скорость передачи данных на одно устройство. Это может быть достигнуто с помощью технологий и услуг, упомянутых выше. Некоторые из ключевых тенденций, лежащих в основе роста актуальности беспроводной связи 60 - экологичная связь, интеллектуальная сеть, локализация, использование новых диапазонов радиочастот, высокая надежность, низкая задержка, высокая скорость передачи данных, доступность сети. В табл. 1 приведено сравнение характеристик 50 и 60.
Таблица 1.
Характеристики 50 60
Индивидуальная скорость передачи данных 1 Гбит/с 100 Гбит/с
Скорость загрузки данных 20 Гбит/с >1000 Гбит/с
Задержка в ^-плоскости 0,5мс <0,1мс
Задержка в С-плоскости 10мс <1мс
Подвижность 500 км/ч 1000 км/ч
30 бит/с/Гц 100 бит/с/Гц
Рабочая частота 3-300 ГГц 1000 ГГц
Эволюция беспроводной связи
Беспроводная связь сокращает разрыв между пользователями со всего мира. 60 - это беспроводная технология, используемая в мобильной связи (0 означает поколение). Поколения беспроводной связи меняются каждые десять лет в соответствии с тенденциями. Технология беспроводной связи распространяется от 00 (0-е поколение) до 60 (6-е поколение). В табл. 2 приведены поколения беспроводных технологий.
Поколения беспроводной связи меняются каждые десять лет в соответствии с тенденциями. Технология беспроводной связи распространяется от 00 (0-е поколение) до 60 (6-е поколение). В табл. 2 приведены поколения беспроводных технологий.
Каждое поколение беспроводных технологий привносит новые и захватывающие функции. Система беспроводной связи 60 будет внедрена для преодоления ограничений 5 0 для поддержки новых задач, а также продолжит тенденции предыдущих поколений. Ключевыми факторами 60 станет объединение всех предыдущих функций, таких как уплотнение сети, высокая пропускная способность, высокая надежность, низкое энергопотребление и широкие возможности подключения. Наиболее важным требованием к беспроводным сетям 60 является способность обрабатывать огромные объемы данных, очень высокая скорость передачи данных для каждого устройства и обеспечение высокой
скорости передачи данных. Для улучшения технологии связи 60 заменит гигагерцевую частоту (Гбит/с) с 50 на терагерцевую частоту.
Таблица 2.
Поколение Год Особенности
0G 1970 Для связи использовались мобильные радиотелефонные системы.
1G 1980 Системы предоставляют возможность роуминга, но функция сети недоступна для использования между странами.
2G 1991 Телефонные разговоры, SMS, MMS.
3G 1998 3G обеспечивает беспроводную передачу голоса, мобильный доступ в интернет, видеозвонки и т.д.
4G 2009 Предоставляет все функции 3 G, а также дополнительные, такие как облачные вычисления, видеоконференции, 3.0-телевидение, /Р-телефония, игровые сервисы и т.д.
5G 2019 Подключение нескольких пользователей одновременно. Снижает частоту задержек по сравнению с предыдущим поколением мобильной связи.
6G 2030 Использует терагерцовые частоты и концепцию искусственного интеллекта, чтобы сделать связь более эффективной.
Внедрение сети 6G уже началось с запуска Китаем 6 ноября 2020 г. тестового спутника Long March 6, который считается первым в мире спутником 6G. Этот спутник обеспечивает связь на терагерцовой частоте для увеличения скорости сети. Беспроводная связь 6G может использоваться во многих областях, таких как расширенная реальность, беспроводное взаимодействие мозга с компьютером, робототехника, тактильная связь, автоматизация в производстве, а также интернет вещей.
Общая архитектура беспроводной технологии
Связь между объектами (устройствами) не генерируется непосредственно от одного объекта (отправителя) к другому (получателю). Данные, подлежащие передаче, передаются на сервер, а затем конкретные данные передаются получателю с этого частного сервера сети. Между этими передачами данных с устройства на сервер и наоборот используется множество технологий и концепций.
Архитектура беспроводной технологии состоит из четырех компонентов:
• Оборудование пользователя (Equipment of user, EU).
• Развитая наземная сеть радиодоступа UMTS (Evolved UMTS Terrestrial Radio
Access Network, EUTRAN).
• Эволюционное пакетное ядро (EvolvedPacket Core, EPC).
• Серверы сетей передачи данных общего пользования (Public Data Network, PDN).
Данные отправителя разбираются на пакеты, которые поступают на сервер для хранения через EUTRAN и EPC.
Оборудование пользователя
Пользовательское оборудование - любой тип устройства, которое используется пользователем для беспроводной связи. Оборудование пользователя должно содержать три аппаратных компонента:
• Мобильный терминал: используется для обработки всех функций связи.
• Терминальное оборудование: используется для завершения потоков данных.
• Универсальная карта интегральной схемы или SIM-карта: используется для запуска приложения, которое необходимо для хранения сведений о пользователе в сообщении.
Усовершенствованная наземная сеть радиодоступа стандарта UMTS (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network, EUTRAN).
EUTRAN контролирует всю радиосвязь между мобильным устройством и пакетным ядром, которое в ней развивается, а также действует как промежуточное звено между EU и EPC. Она содержит некоторое количество базовых станций (eNB - eNodeB). Данные, подлежащие отправке, поступают в EPC, проходя через разные базовые станции в EUTRAN из одного места в другое. На рис. 1 приведена схема EUTRAN (источник).
Рисунок 1
Эволюционное ядро пакета
EPC выступает в качестве промежуточного звена между EUTRAN и сервером для передачи данных и содержит четыре компонента, каждый из которых имеет свои функции:
• Обслуживающий шлюз (Serving Gateway, SGW) действует как мост для пересылки данных между базовой станцией и шлюзом PDN.
• Сетевой шлюз пакетной передачи данных (Packet Data Network Gateway, PGW) действует как мост для пересылки данных между SGW и сервером.
• Домашний абонентский сервер (Home Subscriber Server, HSS) хранит информацию обо всех абонентах сетевого оператора.
• Узел управления мобильной связью (Mobility Management Entity, MME) управляет работой объектов высокого уровня путем передачи сообщений и предоставления информации на HSS.
На рис. 2 представлена схема EPC (источник).
Рисунок 2
Серверы приватных сетей передачи данных (Servers Private Data Networks,
SPDN).
SPDN используются для хранения данных, используемых объектами для связи между ними.
Технологии, используемые в 6С
Каждое поколение технологий беспроводной связи использует различные новые технологические концепции в соответствии с их тенденциями. Аналогичным образом 60 также отличается по используемым технологиям от предыдущего поколения. Эти технологии делают 60 будущим поколением технологий беспроводной связи. 60 использует в основном четыре концепции - оптическая беспроводная связи, беспроводная передача энергии, терагерцовая связь, искусственный интеллект.
Оптическая беспроводная связь
Оптическая беспроводная связь использует видимый свет в качестве среды для передачи данных. Таким образом, 60 обеспечивает высокую скорость передачи данных. Оптическая беспроводная связь решит проблему скорости передачи данных, которая возникла в 50, а также обеспечивает низкую задержку, связь на большие расстояния и безопасность.
Беспроводная передача энергии
В беспроводной технологии существует несколько базовых станций для передачи данных для связи. Пакет данных передается от одной базовой станции (отправителя) к другой (получателю), для реализации этого необходима передача энергии. 60 использует новую концепцию беспроводной передачи информации и энергии для передачи пакетов данных.
Терагерцовая связь
6-е поколение беспроводной связи использует терагерцовую частоту, в то время как предыдущее поколение использует гигагерцовую. Терагерцовая частота имеет свои преимущества - полоса пропускания колеблется от 0,1 ТГц до 10 ТГц, что обеспечивает связь на коротких расстояниях между двумя объектами. Она будет играть решающую роль в 6G, обеспечивая большую полосу пропускания, большую пропускную способность, сверхвысокие скорости передачи данных и безопасную передачу.
Искусственный интеллект
6G станет первым поколением, которое представит концепцию искусственного интеллекта в технологии беспроводной связи. При установке связи между субъектами возникало много сложных ситуаций, которые могут быть решены самими этими сущностями с помощью концепции искусственного интеллекта. Достижения в области искусственного интеллекта приведут к созданию более интеллектуальных сетей для связи в режиме реального времени в 6G. Внедрение искусственного интеллекта в коммуникацию 6G улучшит и упростит передачу данных в режиме реального времени.
Преимущества 6G:
• Сеть 6G поддерживает большее количество мобильных подключений, чем сеть 5G, которая составляет около 10x105 на квадратный километр.
• 6G оптимизирует сектор здравоохранения за счет устранения временных и пространственных барьеров с помощью дистанционной хирургии и обеспечит оптимизацию рабочего процесса в сфере здравоохранения.
• Для решения проблемы загруженности трафика 6G внедряется вместе распределенной антенной системой (Distributed Antenna System, DAS).
• 6G обеспечит мгновенный доступ пользователей друг к другу в режиме реального времени.
• 6G обеспечивает очень высокую скорость передачи данных (Тб/сек) и очень низкую задержку (менее мс), поэтому 6G может использоваться во многих других прикладных сферах.
Проблемы 6G:
На данный момент нельзя сделать вывод, что связь 6G содержит недостатки, поскольку она еще не была внедрена, но можно сделать вывод только о некоторых проблемах, с которыми придется столкнуться в 6G:
• 6G использует оптическую беспроводную связь (Optical wireless communication, OWC) как часть своей связи. Таким образом недостатки видимого излучения можно считать недостатками беспроводной технологии 6-го поколения, поскольку видимое излучение может нанести вред невооруженному глазу для человека.
• Широкомасштабная технология беспроводной связи стала неотъемлемой частью мирового энергопотребления.
• Очень сложно создать эффективный дизайн для беспроводной технологии, управляя большим количеством терминалов.
Заключение
В данной статье рассмотрена разработка и проведен анализ технологии беспроводной связи 6G. Анализ основан на четырех основных концепциях (терагерцовая связь, оптическая беспроводная технология, беспроводная передача
энергии и искусственный интеллект), которые используются для реализации системы беспроводной связи 6G. Технология беспроводной связи 6G - это технология будущего, которая, как ожидается, будет внедрена в 2030-х гг. Очень сложно удовлетворить требования будущего поколения в области беспроводной связи из-за увеличения сетевого трафика в нашей повседневной жизни. Новое поколение также предлагает новые функции и преимущества по сравнению с сетями 5G. 6G обеспечивает улучшения в таких областях, как доступность сети, высокая надежность и низкая задержка, высокая скорость передачи данных, экологичная связь, интеллектуальная сеть, локализация и новые спектры. Технология 6G повысит производительность и сведет к минимуму потребление энергии при беспроводной связи. Беспроводная связь 6-го поколения также обеспечивает зашифрованную связь в соответствии с требованиями будущего. 6G можно использовать во многих областях, таких как расширенная реальность, беспроводное взаимодействие мозга и компьютера, робототехника и автономные системы, тактильная связь, автоматизация на производстве, интернет вещей и т.д.
Литература
1. Ханна Б.О., Фицджеральд П., Берни Х., Лакшманан Р., Коберн Н., Гири С. и Малви, Б. (2018). Устройства и датчики, применимые к реализации систем 5G.
2. Вольф Н., Шевченко С., Вентцель А., Бенгтссон О. и Хайнрих В. (2018). Переключаемые модуляторы и PAS для эффективных передатчиков в беспроводной инфраструктуре 5G.
3. Ни Ю., Лян Дж., Ши Х. и Бан Д. (2019). Исследование ключевых технологий в Сети мобильной связи 5G. Международная конференция 2019 года по интеллектуальному транспорту, Большим данным и умному городу (ICITBS).
4. Лю С., Лю Л., Ян Х., Юэ К. и Го Т. (2020). Исследование технологии 5G, основанной на интернете вещей.
5. Пан К., Ву Дж., Чжэн Х., Ли Дж., Ли С. и Василакос А.В. (2020). Использование искусственного интеллекта и интеллектуальной отражающей поверхности для энергоэффективной связи в 6G.
6. Акилдиз И.Ф., Как А. и Ни С. (2020). 6G и далее: Будущее систем беспроводной связи.
7. Исобоев Ш.И., Халматов Б.М., Коптев В.А. 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 // Т-Сотт: Телекоммуникации и транспорт, 2020. - Т. 14. - № 2. - С. 25-31. - DOI 10.36724/2072-8735-2020-14-2-25-31. - EDN ННУЪВС.
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 ^ТТЦ№.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА В ОБУЧЕНИИ С
ПОДКРЕПЛЕНИЕМ
В.А. Кравчук, Московский технический университет связи и информатики, v.crav4uk@yandex.ru.
УДК 004.85_
Аннотация. Рассматривается метод машинного обучения - обучения с подкреплением, принцип его работы, а также генетический алгоритм и области их применения. Проведено сравнение и выделение слабых сторон. Исследуется возможность совместного использования подходов для создания искусственного интеллекта и приводится пример такого взаимодействия.
Ключевые слова: машинное обучение; обучение с подкреплением; генетический алгоритм; агент; среда.
USING A GENETIC ALGORITHM IN REINFORCEMENT LEARNING
Vladislav Kravchuk, Moscow Technical University of Communications and Informatics.
Annotation. The method of machine learning is considered - reinforcement learning, the principle of its operation, as well as the genetic algorithm, their weaknesses and areas of application. Then they are compared and weaknesses are highlighted. After all, the possibility of using these approaches together to create artificial intelligence is investigated and an example of such interaction is given.
