УДК 654
ББК 32.88
В29
В29 Вэнь Тонг, Пейин Чжу (редакторы)
Сети 6G. Путь от 5G к 6G глазами разработчиков. От подключенных
людей и вещей к подключенному интеллекту. / пер. с англ.
В. С. Яценкова. – М.: ДМК Пресс, 2022. – 624 с.: ил.
ISBN 978-5-97060-995-8
Это первая книга о беспроводной связи 6G, которая подготавливает
читателя к грядущему технологическому прорыву – в этой новой картине
мира центральное место займут интеллектуальные устройства, входящие
в единую сеть.
В книге рассматриваются новые радиоинтерфейсы и сетевые технологии,
интеграция услуг радарного сканирования и связи, а также сетей наземного
и аэрокосмического базирования. Обсуждаются новые сетевые архитектуры,
обеспечивающие функционирование ИИ, и нативная защита данных.
Издание адресовано исследователям, инженерам, разработчикам, менеджерам,
работающим в области беспроводной связи, и всем, кто интересуется
технологиями будущего.
УДК 654
ББК 32.88
Copy right © Cambridge University Press, 2021. This translation of title is published by
arrangement with Cambridge University Press.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного
разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку
вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать
абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи
с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с
использованием книги.
ISBN 978-1-10898981-7 (англ.) © Cambridge University Press, 2021
ISBN 978-5-97060-995-8 (рус.)
© Оформление, перевод на русский язык, издание,
ДМК Пресс, 2022
Стр.5
Оглавление
Вступление от издательства ..................................................................................14
Авторы ......................................................................................................................15
Предисловие ............................................................................................................17
Словарь сокращений ..............................................................................................19
Часть I. Вступление .................................................................................................29
Глава 1. Мобильная связь до 2030 года и далее ...............................................30
1.1. Эволюция систем мобильной связи .........................................................30
1.2. Ключевые факторы потребности в 6G ......................................................33
1.3. Общая концепция ......................................................................................41
1.3.1. Ключевые технологические тенденции ......................................................48
1.3.2. Типичные варианты использования ...........................................................57
1.3.3. Ключевые показатели эффективности .......................................................61
1.4. Структура книги .........................................................................................65
1.5. Источники ..................................................................................................67
Часть II. Сценарии использования и целевые KPI .............................................69
Введение в часть II .................................................................................................70
Глава 2. Максимально достоверный эффект погружения ...............................71
2.1. Облачная VR высокой степени достоверности ........................................72
2.1.1. Требования к задержке передачи ................................................................73
2.1.2. Требования к пропускной способности ......................................................76
2.1.3. Обзор основных требований для полной VR ..............................................78
2.2. Тактильное и мультисенсорное общение ................................................79
2.2.1. Дистанционная работа в высокодинамичных средах ................................80
2.2.2. Основные требования к телеуправлению в высокодинамичных
средах .............................................................................................................82
2.3. Дисплеи 3D без стекла и голографические дисплеи ...............................83
2.3.1. Глубина восприятия и 3D-дисплеи без стекла ............................................83
2.3.2. Методы реконструкции трехмерных изображений
без использования стекла .............................................................................84
2.3.3. Требования к разрешению и задержке .......................................................85
2.3.4. Основные требования к 3D-дисплеям без стекла ......................................86
2.4. Источники ..................................................................................................86
Глава 3. Сканирование, локализация и визуализация ......................................88
3.1. Высокоточная локализация .......................................................................89
3.1.1. Абсолютная локализация .............................................................................90
3.1.2. Относительная локализация ........................................................................91
3.1.3. Семантическая локализация .......................................................................92
3.2. Визуализация, картирование и локализация в реальном времени .......93
Стр.6
6 Оглавление
3.2.1. Одновременная локализация и картирование ...........................................94
3.2.2. Визуализация и картирование внутри помещений ...................................95
3.2.3. Визуализация и картирование на открытом воздухе ................................96
3.3. Расширенное человеческое восприятие ..................................................97
3.3.1. За пределами возможностей глаза – сверхвысокое разрешение ..............98
3.3.2. За пределами возможностей глаза – сделать невидимое видимым .........99
3.3.3. За пределами возможностей глаза – спектральное распознавание .......100
3.4. Распознавание жестов и действий .........................................................101
3.4.1. Бесконтактное управление на макроуровне ............................................102
3.4.2. Бесконтактное управление на микроуровне ............................................104
3.5. Источники ................................................................................................105
Глава 4. Полнофункциональная индустрия 4.0 и выше ................................ 106
4.1. Фабрика будущего ....................................................................................108
4.2. Управление движением ...........................................................................110
4.3. Совместная деятельность роботов в группе ..........................................111
4.4. От интеллектуальных коботов к киборгам ............................................112
4.5. Источники ................................................................................................113
Глава 5. Умный город и умная жизнь ................................................................ 114
5.1. Умный транспорт .....................................................................................114
5.2. Умное здание ............................................................................................116
5.3. Умное здравоохранение ..........................................................................118
5.4. Интеллектуальные сервисы на базе БПЛА .............................................119
5.5. Источники ................................................................................................121
Глава 6. Глобальное покрытие сети мобильного доступа ............................. 122
6.1. Широкополосный беспроводной доступ для всех .................................123
6.1.1. Мобильная широкополосная связь в любом месте ..................................123
6.1.2. Широкополосное соединение в движении ...............................................124
6.1.3. Связь служб быстрого реагирования и помощь при стихийных
бедствиях .....................................................................................................125
6.2. Широкий спектр услуг интернета вещей в труднодоступных
местах ........................................................................................................126
6.3. Высокоточное позиционирование и навигация ....................................127
6.4. Мониторинг земной поверхности в реальном времени .......................128
6.5. Источники ................................................................................................129
Глава 7. Подключенное машинное обучение и сетевой ИИ ......................... 130
7.1. Услуги и операции 6G, дополненные искусственным интеллектом .....131
7.1.1. Качество услуг сети 6G, дополненной искусственным интеллектом ......132
7.1.2. Управление сетью, дополненной ИИ .........................................................133
7.2. Сервисы искусственного интеллекта с поддержкой 6G.........................134
7.2.1. Совместный анализ и управление в реальном времени ..........................134
7.2.2. 6G для крупномасштабного интеллекта ....................................................136
7.3. Источники .................................................................................................137
Резюме части II ..................................................................................................... 138
Стр.7
Оглавление 7
Часть III. Теоретические основы ........................................................................ 139
Введение в часть III ............................................................................................. 140
Глава 8. Теоретические основы искусственного интеллекта
и машинного обучения ....................................................................................... 142
8.1. Фундаментальная теория искусственного интеллекта .........................142
8.1.1. Определения ...............................................................................................142
8.1.2. Таксономия машинного обучения ............................................................145
8.1.3. Теоретико-информационный принцип DNN ...........................................148
8.1.4. Реализации DNN .........................................................................................150
8.2. Теория распределенного ИИ ...................................................................151
8.3. Теория динамической байесовской сети................................................156
8.4. Источники ................................................................................................162
Глава 9. Теоретические основы беспроводных сетей большой емкости ... 165
9.1. Теория электромагнитной информации ................................................165
9.1.1. Физический канал распространения ........................................................167
9.1.2. Диаграммы направленности антенных решеток и эффект
взаимного влияния .....................................................................................168
9.1.3. Электромагнитные физические характеристики.....................................169
9.2. Теория крупномасштабной коммуникации...........................................171
9.3. Источники ................................................................................................177
Глава 10. Теоретические основы беспроводных сетей большой емкости ....183
10.1. Теория семантической коммуникации ................................................183
10.2. Теория сверхвысокого разрешения ......................................................188
10.3. Источники ...............................................................................................193
Глава 11. Теоретические основы энергоэффективных систем .................... 194
11.1. Энергоэффективные коммуникации и теория вычислений ..............194
11.2. Теория зеленого ИИ ...............................................................................197
11.3. Источники ...............................................................................................200
Резюме части III .................................................................................................... 202
Часть IV. Новые элементы .................................................................................. 205
Введение в часть IV ............................................................................................. 206
Глава 12. Новый спектр ....................................................................................... 207
12.1. Глобальное распределение спектра 5G до 2020 года ...........................208
12.2. Требования к спектру 6G .......................................................................210
12.3. Средние диапазоны – наиболее экономичный способ
широкого охвата .......................................................................................212
12.4. Полосы миллиметрового диапазона в эпоху 6G ..................................215
12.5. Новые возможности для сканирования и связи в ТГц-диапазоне .....218
12.6. Источники ...............................................................................................221
Глава 13. Новые каналы ...................................................................................... 223
13.1. Новые требования к моделированию канала 6G .................................224
Стр.8
8 Оглавление
13.2. Канальные измерения в 6G ...................................................................228
13.2.1. Канальные измерения в новом спектре..................................................228
13.2.2. Канальные измерения в новых сценариях .............................................231
13.3. Источники ...............................................................................................233
Глава 14. Новые материалы ............................................................................... 235
14.1. Развитие кремниевой платформы .......................................................235
14.2. Гетерогенная платформа на материалах типа III–V ............................237
14.3. Реконфигурируемый материал .............................................................237
14.4. Фотонный кристалл ...............................................................................239
14.5. Фотоэлектрические материалы и фотодетектор .................................240
14.6. Плазмонный материал ..........................................................................240
14.7. Источники ...............................................................................................242
Глава 15. Новые антенны .................................................................................... 246
15.1. Антенна с фотопроводящей линзой .....................................................247
15.2. Отражающие и передающие решетки ..................................................248
15.3. Метаповерхности ...................................................................................249
15.4. Нанофотодетекторы ..............................................................................251
15.5. Антенна на кристалле и антенна в корпусе .........................................252
15.6. Орбитальный угловой момент ..............................................................253
15.7. Источники ...............................................................................................254
Глава 16. Современные технологии ТГц-диапазона....................................... 257
16.1. Компоненты ТГц-систем .......................................................................258
16.1.1. Электронный подход ................................................................................258
16.1.2. Гибридный и фотонный подходы ............................................................264
16.2. Системы ТГц-диапазона ........................................................................266
16.2.1. Терагерцовые системы связи ...................................................................266
16.2.2. ТГц-визуализация и сенсорные системы ................................................268
16.3. Проблемы................................................................................................270
16.4. Источники ...............................................................................................272
Глава 17. Вычислительная техника после закона Мура ................................ 280
17.1. Постмуровская эра .................................................................................280
17.2. Нейроморфные вычисления ..................................................................282
17.3. Квантовые вычисления ..........................................................................284
17.4. Новые вычислительные архитектуры ...................................................286
17.5. Источники ...............................................................................................288
Глава 18. Новые устройства ............................................................................... 290
18.1. Мобильные устройства будущего .........................................................290
18.2. Интерфейс мозга и устройств будущего ..............................................297
18.3. Новые носимые устройства ...................................................................300
18.4. Источники ...............................................................................................301
Резюме части IV .................................................................................................... 304
Стр.9
Оглавление 9
Часть V. Технологии-кандидаты для применения в радиоинтерфейсе 6G 305
Введение в часть V ............................................................................................... 306
Глава 19. Структура интеллектуального радиоинтерфейса .......................... 312
19.1. Почему нужен новый радиоинтерфейс ................................................312
19.2. Обзор существующих технологий ........................................................313
19.2.1. Использование спектра и энергоэффективность в NR ..........................314
19.2.2. ИИ и машинное обучение на физическом уровне .................................315
19.2.3. Машинное обучение на уровне доступа к среде (MAC) .........................317
19.3. Ожидания от новых разработок и потенциальные направления
исследований ............................................................................................318
19.3.1. Персонализированный радиоинтерфейс с поддержкой ИИ .................319
19.3.2. Организация сквозного канала на основе ИИ и нерешенные
проблемы .....................................................................................................329
19.4. Источники ...............................................................................................330
Глава 20. Интеграция наземной и неназемной связи .................................... 334
20.1. Почему нужна интеграция наземной и неназемной связи ................334
20.2. Обзор существующих решений ............................................................336
20.3. Ожидания от новой системы и потенциальные направления
исследований ............................................................................................341
20.3.1. Интегрированная многоуровневая сеть .................................................341
20.3.2. Улучшенная неназемная связь ................................................................345
20.4. Источники ...............................................................................................350
Глава 21. Интеграция сканирования и связи .................................................. 351
21.1. Почему нужна интеграция сканирования и связи ..............................351
21.2. Обзор существующих решений ............................................................353
21.3. Ожидания от новой сети и потенциальные направления
исследований ............................................................................................357
21.3.1. Аспекты проектирования интегрированной системы
сканирования/связи ....................................................................................358
21.3.2. Конструкция и алгоритмы оборудования радиочастотного
сканирования ..............................................................................................366
21.4. Источники ...............................................................................................371
Глава 22. Новые формы сигналов и схемы модуляции ................................ 374
22.1. Почему нужны новые формы сигнала и схемы модуляции ................374
22.2. Обзор существующих решений ............................................................376
22.2.1. Сигналы с несколькими несущими .........................................................377
22.2.2. Формы сигналов с одной несущей ..........................................................384
22.2.3. Схемы модуляции .....................................................................................386
22.2.4. Формы сканирующих сигналов ...............................................................388
22.3. Ожидания от новых разработок и потенциальные направления
исследований ............................................................................................390
22.4. Источники ...............................................................................................394
Стр.10
10 Оглавление
Глава 23. Новое канальное кодирование ........................................................ 399
23.1. Почему нужно новое кодирование .......................................................399
23.2. Схемы канального кодирования ...........................................................401
23.2.1. История вопроса .......................................................................................401
23.2.2. Целевые KPI канального кодирования 6G ..............................................402
23.2.3. Принципы проектирования канального кодирования 6G.....................404
23.3. Совместное кодирование источника и канала ....................................410
23.3.1. Предыстория исследований .....................................................................410
23.3.2. JSCC на основе машинного обучения ......................................................412
23.3.3. Принципы проектирования JSCC для 6G ................................................414
23.4. Сетевое кодирование на физическом уровне ......................................415
23.4.1. Основы .......................................................................................................415
23.4.2. Принципы проектирования сетевого кодирования 6G .........................418
23.5. Источники ...............................................................................................420
Глава 24. Новый множественный доступ ......................................................... 427
24.1. Почему нужен новый множественный доступ ....................................427
24.2. Обзор существующих решений ............................................................429
24.2.1. Ортогональный множественный доступ ................................................429
24.2.2. Неортогональный множественный доступ .............................................431
24.2.3. Безгрантовый множественный доступ ...................................................439
24.3. Ожидания от новых разработок и потенциальные направления
исследований ............................................................................................443
24.3.1. Множественный доступ для услуг URLLC большой емкости .................443
24.3.2. Множественный доступ для дешевых и маломощных устройств .........444
24.3.3. Множественный доступ и сверхмассивное подключение .....................445
24.3.4. Множественный доступ и надежное формирование луча .....................446
24.3.5. Множественный доступ с поддержкой ИИ .............................................446
24.4. Источники ...............................................................................................447
Глава 25. Ультрамассивный MIMO ..................................................................... 451
25.1. Почему нужен ультрамассивный MIMO ...............................................451
25.2. Обзор существующих решений ............................................................452
25.2.1. Технологии MIMO для FR1 .......................................................................452
25.2.2. Технологии MIMO для FR2 .......................................................................454
25.2.3. Совместный MIMO ....................................................................................455
25.3. Новые технологии MIMO .......................................................................458
25.3.2. Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности ..........................461
25.3.3. Антенные решетки со сверхбольшой апертурой ....................................463
25.3.4. MIMO с искусственным интеллектом......................................................464
25.3.5. Другие потенциальные технологии MIMO .............................................466
25.4. Ожидания от новых разработок и потенциальные направления
исследований ............................................................................................471
25.4.1. MIMO со сканированием ..........................................................................472
25.4.2. Управляемый радиоканал и топология сети...........................................474
25.4.3. MIMO на FR2 и терагерцовые частоты ....................................................475
25.4.4. Антенные решетки со сверхбольшой апертурой ....................................477
Стр.11
Оглавление 11
25.4.5. MIMO с поддержкой ИИ ...........................................................................478
25.5. Источники ...............................................................................................481
Глава 26. Интеграция каналов доступа и прямых каналов связи ............... 489
26.1. Почему нужна интеграция каналов ......................................................489
26.2. Обзор существующих решений ............................................................492
26.3. Ожидания от новых разработок и потенциальные направления
исследований ............................................................................................494
26.3.1. Ключевые технологии суперканалов.......................................................494
26.3.2. Интеграция суперканалов с каналами доступа как единая
конструкция .................................................................................................495
26.4. Источники ...............................................................................................497
Резюме части V ..................................................................................................... 499
Часть VI. Новые подходы к проектированию сетевой архитектуры 6G..... 501
Введение в часть VI ............................................................................................. 502
Глава 27. Технологии для сетевой архитектуры искусственного
интеллекта ............................................................................................................ 508
27.1. История вопроса .....................................................................................508
27.2. Соображения и принципы проектирования ........................................510
27.2.1. Основные требования ...............................................................................510
27.2.2. Ключевое различие между 5G и 6G ..........................................................511
27.3. Особенности архитектуры .....................................................................512
27.3.1. Общий обзор ..............................................................................................512
27.3.2. Связь, ориентированная на задачи .........................................................515
27.3.3. Глубококонвергентные вычисления и граничные коммуникации .......518
27.3.4. Эксплуатация и управление службами искусственного интеллекта .....521
27.4. Источники ...............................................................................................523
Глава 28. Архитектура, ориентированная на пользователя ......................... 524
28.1. Обзор технологии UCN ..........................................................................524
28.2. Соображения и принципы проектирования UCN ................................525
28.2.1. Уроки, извлеченные из существующих сетей .........................................525
28.2.2. Основные требования ..............................................................................528
28.3. Особенности архитектуры .....................................................................533
28.3.1. Децентрализованная архитектура, ориентированная
на пользователя ...........................................................................................533
28.3.2. Слияние физического и кибернетического миров .................................536
28.3.3. Управление цифровыми активами..........................................................539
28.4. Источники ...............................................................................................540
Глава 29. Механизмы обеспечения благонадежности .................................. 541
29.1. Понятие благонадежности системы .....................................................541
29.1.1. От философии к обществу ........................................................................541
29.1.2. От общества к промышленности .............................................................542
29.2. Благонадежность сложных систем связи .............................................543
Стр.12
12 Оглавление
29.3. Правила достижения благонадежности ................................................546
29.3.1. Основные принципы ................................................................................546
29.3.2. Цели ...........................................................................................................547
29.4. Технологии благонадежности ...............................................................549
29.4.1. Модель многостороннего доверия ..........................................................550
29.4.2. Технология распределенного реестра .....................................................552
29.4.3. Постквантовая криптография ..................................................................554
29.4.4. Автономная безопасность ........................................................................555
29.5. Источники ...............................................................................................556
Глава 30. Архитектура управления данными в сети 6G ................................ 559
30.1. Почему необходимо управление данными ..........................................559
30.2. Идеи и принципы проектирования системы управления данными ... 560
30.3. Особенности архитектуры управления данными ...............................562
30.3.1. Независимый уровень данных ................................................................562
30.3.2. Многопользовательские роли в управлении данными ..........................564
30.3.3. Ресурс данных ...........................................................................................564
30.3.4. Сбор данных ..............................................................................................566
30.3.5. Аналитика данных ....................................................................................566
30.3.6. Десенсибилизация данных ......................................................................568
30.4. Источники ...............................................................................................569
Глава 31. Архитектура многосторонней экосистемы ..................................... 570
31.1. Почему нужна новая архитектура экосистемы ....................................570
31.2. Идеи и принципы проектирования ......................................................572
31.3. Детали многосторонней архитектуры ..................................................573
31.3.1. Технология распределенного реестра .....................................................574
31.3.2. Платформа многостороннего пользования ............................................577
31.3.3. Управление идентификацией ..................................................................578
31.3.4. Управление данными ...............................................................................579
31.3.5. Сетевое управление ..................................................................................581
31.3.6. Поддержка операционной деятельности и бизнеса ...............................584
31.4. Источники ...............................................................................................585
Глава 32. Интегрированная архитектура неназемных сетей ....................... 587
32.1. Предпосылки к интеграции сетей ........................................................587
32.2. Идеи и принципы проектирования ......................................................590
32.2.1. Спутниковая группировка .......................................................................591
32.2.2. Низкая задержка в глобальном масштабе ..............................................593
32.2.3. Обеспечение подключения ......................................................................593
32.2.4. Мультисервисное обслуживание .............................................................594
32.3. Особенности архитектуры .....................................................................594
32.3.1. Задержка ....................................................................................................594
32.3.2. Модели подключения ...............................................................................602
23.3.3. Маршрутизация в космосе .......................................................................604
32.3.4. Эксплуатация, администрирование и обслуживание ............................606
32.4. Источники ...............................................................................................607
Стр.13
Оглавление 13
Резюме части VI .................................................................................................... 608
Часть VII. Подведение итогов и планы на будущее ....................................... 609
Глава 33. Экосистема 6G и дорожная карта развития ................................... 610
33.1. Инициативы и экосистема 6G ...............................................................610
33.1.1. Инициативы ITU-R ...................................................................................610
33.1.2. Региональные мероприятия ....................................................................611
33.1.3. Мнения промышленности и научных кругов .........................................613
33.2. Дорожная карта до 2030 года и далее ...................................................616
33.3. Источники ...............................................................................................618
Предметный указатель ....................................................................................... 621
Стр.14