Новые стандарты и протоколы для беспроводной связи 6g

Эволюция беспроводных стандартов: от 5G до 6G

Путь от 5G к 6G представляет собой сдвиг парадигмы в беспроводной связи, выходя за рамки расширенной мобильной широкополосной связи, чтобы обеспечить полностью подключенную, интеллектуальную и устойчивую цифровую экосистему. В то время как 5G все еще развертывается во всем мире, исследователи и отраслевые консорциумы уже определяют технические требования, использование спектра и архитектурные принципы, которые будут определять 6G. Международный союз электросвязи (МСЭ) начал свою структуру стандартизации 6G, которая направлена на достижение пиковых скоростей передачи данных 1 Тбит/с, задержки в субмиллисекундах и массивной плотности подключения, превышающей 10 миллионов устройств на квадратный километр. Эти амбициозные цели обусловлены такими приложениями, как голографическое телеприсутствие, цифровые двойники, автономные системы и распространенный ИИ, которые требуют возможностей, намного превышающих то, что могут предоставить текущие сети.

Процесс стандартизации для 6G основывается на уроках, извлеченных из предыдущих поколений, в частности, на необходимости глобальной совместимости, обратной совместимости и безопасности по дизайну. В отличие от 5G, которая представила сетевые нарезки и краевые вычисления, 6G будет встраивать искусственный интеллект, зондирование и сбор энергии непосредственно в сетевую ткань. Это потребует новых протоколов и стандартов, которые не только быстрее, но и более адаптивны, безопасны и энергоэффективны. Новые стандарты будут определяться сочетанием традиционных органов стандартов, таких как 3GPP, МСЭ и IEEE, наряду с более новыми отраслевыми альянсами, такими как Next G Alliance (США), Hexa-X (ЕС) и IMT-2030 Promotion Group (Китай). Эти взаимодействия имеют решающее значение для обеспечения того, чтобы 6G стал единым глобальным стандартом, а не фрагментированным набором региональных технологий.

Основные драйверы стандартов 6G

Стремление к стандартам 6G основано на нескольких сходящихся технологических и социальных драйверах. Во-первых, экспоненциальный рост трафика данных, подпитываемый потоковым видео 4K / 8K, виртуальной реальностью и захватывающим опытом, требует сетей, которые могут обрабатывать терабит в секунду пропускной способности. Во-вторых, Интернет вещей (IoT) развивается в массивную сеть датчиков, исполнительных механизмов и встроенных систем, с использованием сценариев, охватывающих интеллектуальное сельское хозяйство, промышленную автоматизацию и носимые мониторы здоровья. Эти устройства требуют чрезвычайно низкого потребления энергии и способности общаться на большие расстояния или через плотные городские среды. В-третьих, сверхнадежные коммуникации с низкой задержкой (URLLC) имеют решающее значение для критически важных приложений, таких как удаленная хирургия, автономная координация транспортных средств и управление промышленными роботами в режиме реального времени. 6G стремится уменьшить задержку до менее 0,1 миллисекунд и достичь надежности 99,99999%.

Другим ключевым драйвером является интеграция искусственного интеллекта непосредственно в сети радиодоступа. Протоколы, управляемые ИИ, могут динамически оптимизировать формирование луча, оценку канала и распределение ресурсов, повышая спектральную эффективность и уменьшая потребление энергии. Кроме того, ожидается, что 6G будет поддерживать «совместную связь и зондирование», где одни и те же радиосигналы используются как для передачи данных, так и для зондирования окружающей среды, что позволяет использовать такие приложения, как распознавание жестов на основе радара, неинтрузивный мониторинг здоровья и точная локализация. Безопасность и надежность также имеют первостепенное значение, особенно с ростом угроз квантовых вычислений. Наконец, устойчивость является основным драйвером; стандарты 6G должны минимизировать потребление энергии на бит и обеспечивать сбор энергии из источников окружающей среды, согласуясь с глобальными климатическими целями.

Новые протоколы для 6G

В настоящее время разрабатывается несколько протоколов для поддержки расширенных возможностей сетей 6G. Эти протоколы охватывают все, от физического уровня до уровня приложений, гарантируя, что сеть может обеспечить обещанную производительность, оставаясь безопасной и управляемой.

Протоколы связи Terahertz (THz)

Терагерцовая связь, работающая в диапазоне частот 0,1-10 ТГц, является краеугольным камнем возможностей сверхвысокой скорости передачи данных 6G. Однако сигналы THz страдают от высокого атмосферного поглощения и коротких расстояний распространения, требуя сложных протоколов для управления лучом, зондирования канала и смягчения помех. Исследования адаптивного формирования луча и , настраиваемых интеллектуальных поверхностей (RIS) имеют решающее значение для направления сигналов вокруг препятствий и расширения покрытия. Протоколы предназначены для обработки особенностей распространения THz, таких как необходимость чрезвычайно узких лучей и быстрого отслеживания луча для поддержки мобильных пользователей. Стандарты, такие как IEEE 802.15.3d, уже работают над стандартами связи THz, в то время как 3GPP, как ожидается, будет включать полосы THz в своем выпуске 19 и за его пределами. Кроме того, протоколы распределения частоты множественного доступа (RSMA) изучаются для повышения спектральной эффективности в

Протоколы управления сетями на основе ИИ

Искусственный интеллект будет внедрен во все стек протоколов 6G. Протоколы для управления сетью на основе ИИ позволят принимать решения в реальном времени для распределения ресурсов, маршрутизации трафика и прогнозирования неисправностей. Эти протоколы полагаются на распределенные модели машинного обучения, работающие на грани, такие как федеративное обучение, которое сохраняет конфиденциальность пользователей путем обучения моделей локально без обмена исходными данными. ] Структуры анализа данных управления (MDA) , которые могут быть расширены до 6G, в то время как фокус-группа ITU Сеть 2030 исследует соблюдение соглашения об уровне обслуживания на основе ИИ (SLA). Другой перспективной областью протокола является интеллектуальное управление радиоресурсами (IRRM) , где агенты глубокого обучения подкрепления динамически корректируют использование спектра, уровни мощности и схемы модуляции. Эти протоколы на основе ИИ также должны поддерживать объяснимость и под

Квантовые протоколы безопасности

The threat of quantum computers breaking current public-key cryptography has spurred the development of quantum-safe security protocols for 6G. These include post-quantum cryptography (PQC) algorithms, such as lattice-based and code-based cryptosystems, which are being standardized by NIST and integrated into network protocols. Additionally, quantum key distribution (QKD) protocols can provide information-theoretic security for critical communication links, though they require specialized hardware. For 6G, the challenge is to make these protocols lightweight enough for IoT devices while maintaining security. The 3GPP SA3 group is working on security architecture for 6G, including new authentication protocols that resist quantum attacks. Physical-layer security (PLS) protocols are also being enhanced, exploiting channel characteristics like noise and fading to prevent eavesdropping without relying on encryption. Standards initiatives like the Quantum-Safe Security (QSS) task group within IEEE aim to create interoperable frameworks for 6G quantum security.

Интегрированные протоколы зондирования и связи (ISAC)

Протоколы ISAC позволяют использовать один и тот же радиосигнал как для связи, так и для зондирования, что позволяет использовать такие приложения, как радар высокого разрешения, распознавание жестов и картирование окружающей среды. Эти протоколы требуют тесной интеграции между физическим и MAC-слоями для координации задач зондирования и связи без помех. Ключевые проблемы включают в себя конструкцию в форме волны , которая поддерживает как высокие скорости передачи данных, так и высокую точность зондирования, и распределение ресурсов , что разделение времени, частоты и пространственных ресурсов между двумя функциями. Стандарт IEEE 802.11bf (Wi-Fi зондирование) обеспечивает основу, но протоколы ISAC 6G должны работать на гораздо более высоких частотах (включая THz) и охватывать более длинные диапазоны. Совместные протоколы радиолокационной связи (JRC) стандартизированы в 3GPP Study Item on Integrated Sensing and Communication, с ожидаемыми выходами

Одним из наиболее важных аспектов стандартизации 6G является идентификация полос частот, которые будут поддерживать новую технологию. 6G, вероятно, будет использовать смесь полос низкой полосы (под-1 ГГц), средней полосы (1-6 ГГц), высокой полосы (мм волна, 24-100 ГГц) и суб-THz / THz (100 ГГц - 3 ТГц). Всемирная конференция радиосвязи ITU (WRC-23 и WRC-27) будет играть центральную роль в распределении глобального спектра для 6G. Однако полосы THz представляют собой особые проблемы регулирования: в настоящее время они используются для пассивного зондирования (например, дистанционное зондирование, астрономия) и радиоастрономия, поэтому должны быть разработаны механизмы совместного использования. Национальные регуляторы, такие как FCC и Ofcom, проводят исследования политики спектра для идентификации полос кандидатов. Ключевые полосы, рассматриваемые, включают D-диапазон (130-174,8 ГГц) и H-диапазон (275-325 ГГц). Европейский институт стандартов телекоммуникаций (ETSI) также работает над техническим

Инновации сетевой архитектуры

6G network architecture will be radically different from 5G. Key innovations include:

• Полностью распределенные и децентрализованные архитектуры: Помимо периферийных вычислений, 6G будет использовать ** распределенное доверие** и ** блокчейн** для управления сетью, позволяя устройствам вести переговоры о ресурсах напрямую без централизованных контроллеров.
• AI-Native Air Interface: Весь уровень PHY и MAC будет разработан вокруг моделей машинного обучения с протоколами, которые могут перенастраиваться на основе условий канала и шаблонов трафика.
• Сеть как датчик (NaaS): Сама сеть станет распределенным датчиком, предоставляющим информацию о местоположении, среде и активности в качестве услуги. Для этого требуются новые протоколы для сплавления данных зондирования и связи.
• Протоколы, учитывающие энергетические аспекты: С целями в области устойчивого развития протоколы будут уделять приоритетное внимание энергоэффективности, например, путем динамического пробуждения и спящих сетевых узлов, основанных на спросе. Возможности сбора энергии будут интегрированы в устройства, требующие протоколов, которые могут обрабатывать прерывистую доступность электроэнергии.

Эти архитектурные изменения будут отражены в новых слоях стека протоколов, определенных органами стандартов. Например, группа 3GPP SA2 (System Architecture) уже обсуждает «распределенное ядро» для 6G, которое перемещает многие функции к краю.

Энергоэффективность и устойчивость

Устойчивость является основным требованием для 6G, а не только запоздалой мысли. Цель - 100-кратное улучшение энергоэффективности по сравнению с 5G, достигнутое с помощью нового оборудования, протоколов и методов управления сетью. Энергоэффективная конструкция формы волны (например, использование импульсных, а не непрерывных сигналов) может снизить потребление энергии. Просвечивающие радиопротоколы позволяют устройствам IoT прослушивать входящие сообщения с использованием приемников сверхнизкой мощности, проводя большую часть своего времени в глубоком сне. На сетевом уровне перенастраиваемые интеллектуальные поверхности (RIS) могут отражать и фокусировать сигналы, снижая потребность в активных базовых станциях. Стандарты отчетности и управления энергопотреблением обсуждаются в Исследовательской группе 5 МСЭ-Т, которая фокусируется на окружающей среде и изменении климата. Кроме того, программа Европейского союза Horizon Europe финансирует проекты, такие как Green