eng
DOI: 10.22184/2070-8963.2025.125.1.20.28
В последнее время мировое телекоммуникационное сообщество приступило к определению перспектив развития сетей фиксированной связи, которое сформулировано в виде концепции сетей 6-го поколения (F6G). Сети F6G отличаются от сетей предыдущих поколений тем, что они одновременно поддерживают несколько ключевых требований инфокоммуникационных услуг, таких как низкая задержка передачи данных, большая полоса пропускания канала связи, и обеспечивают широкие возможности по подключению пользователей к сети. В статье рассмотрены концептуальные основы сетей F6G, представлены услуги и перспективные волоконно-оптические технологии для реализации таких сетей.
В последнее время мировое телекоммуникационное сообщество приступило к определению перспектив развития сетей фиксированной связи, которое сформулировано в виде концепции сетей 6-го поколения (F6G). Сети F6G отличаются от сетей предыдущих поколений тем, что они одновременно поддерживают несколько ключевых требований инфокоммуникационных услуг, таких как низкая задержка передачи данных, большая полоса пропускания канала связи, и обеспечивают широкие возможности по подключению пользователей к сети. В статье рассмотрены концептуальные основы сетей F6G, представлены услуги и перспективные волоконно-оптические технологии для реализации таких сетей.
Теги: all-optical networks fixed communication networks network services optical technologies sixth generation (f6g) оптические технологии полностью оптические сети связи сетевые услуги сети фиксированной связи шестого поколения (f6g)
Сети фиксированной связи шестого поколения F6G
А.В.Росляков, д.т.н., заведующий кафедрой сетей и систем связи ПГУТИ / arosl@mail.ru
УДК 621.391, DOI: 10.22184/2070-8963.2025.125.1.20.28
В последнее время мировое телекоммуникационное сообщество приступило к определению перспектив развития сетей фиксированной связи, которое сформулировано в виде концепции сетей 6-го поколения (F6G). Сети F6G отличаются от сетей предыдущих поколений тем, что они одновременно поддерживают несколько ключевых требований инфокоммуникационных услуг, таких как низкая задержка передачи данных, большая полоса пропускания канала связи, и обеспечивают широкие возможности по подключению пользователей к сети. В статье рассмотрены концептуальные основы сетей F6G, представлены услуги и перспективные волоконно-оптические технологии для реализации таких сетей.
Введение
Традиционные телекоммуникации являются результатом второй промышленной революции, который связан с широким развертыванием телефонных сетей общего пользования в начале 20 века. Третья промышленная революция привела к значительному прогрессу в области электроники и появлению интернет-услуг и мобильных сетей, которые оказали глубочайшее влияние на то, как люди общаются, работают и живут. Сегодня человечество переживает Четвертую промышленную революцию ("Индустрия 4.0"), которая ведет к слиянию различных инфокоммуникационных процессов, таких как фиксированная/беспроводная связь, вычисления и сканирование/сенсорика в единый сетевой объект. Будущая сеть связи, и особенно ее часть – сети доступа, будет одновременно служить средой коммуникаций, сенсором и суперкомпьютером, предоставляя услуги, оказывающие серьезное воздействие на все аспекты человеческой деятельности и формы социального взаимодействия, а также их взаимодействие с окружающей средой [1, 2]. "Индустрия 4.0" знаменует начало совершенно новой эпохи, которая характеризуется конвергенцией и, в конечном итоге, слиянием тех технологий, которые определяют нашу техносферу, в единый технологический континуум. Социальные взаимодействия будут углубляться благодаря широкому спектру новых услуг, которые будут предлагаться их поставщиками конечным пользователям с появлением сетей будущих поколений.
Для телекоммуникаций фиксированная связь составляет один столп, а мобильная – другой; по этой причине с точки зрения конечных пользователей эти столпы имеют равную важность, поскольку они могут использовать тот или иной компонент для доступа к сети и получения необходимых им услуг. В предыдущих статьях автора [3−5] была представлена эволюция услуг и сетевых технологий в течение первых пяти поколений сетей фиксированной связи (F1G−F5G) на основе многоуровневого подхода, позволяющего более глубоко понять ключевые движущие силы, лежащие в основе этой эволюции.
Дополнительно в работе [6] представлены базовые принципы улучшенных сетей пятого поколения F5G Advanced. В данной статье показано влияние четвертой промышленной революции на различные уровни телекоммуникационной экосистемы, уделяя особое внимание услугам будущих сетей фиксированной связи шестого поколения F6G и их требованиям к сетевым характеристикам. Основная цель статьи – показать будущее сетей фиксированной связи и определить, какие новые оптические технологии потребуются для их практической реализации.
Отличие услуг сетей F6G
Согласно видению специальной исследовательской группы ETSI [9] сегодня телекоммуникации вступили в пятое поколение сетей фиксированной связи (F5G), которое открывает путь для различных новых услуг, таких как дополненная и облачная виртуальные реальности, умный город, потоковое видео сверхвысокой четкости и др., и уже ведутся дискуссии о 6-м поколении (F6G) [7−9]. Ожидается, что технологии F6G существенно преобразуют общую сетевую экосистему в различных направлениях, чтобы удовлетворить строгие требования будущих инфокоммуникационных услуг. Планируется, что ключевыми направлениями внедрения сетей F6G будут:
Эволюцию сетевых услуг иллюстрирует рис.1, на котором показаны по три ключевые услуги для каждого из шести поколений сетей фиксированной связи.
Основное отличие услуг F6G от услуг сетей предыдущего, пятого поколения, которое создает серьезные проблемы для операторов сетей связи, заключается в том, что им необходимо одновременно выполнять различные строгие требования, чтобы обеспечить бесперебойное предоставление услуг в течение всего их жизненного цикла.
Например, промышленные услуги, такие как цифровые двойники, требуют одновременно высокой плотности подключения, большой скорости передачи данных, низкой задержки и высокой надежности коммуникаций. Чтобы обеспечить это, необходимо выполнить значительный объем разработок новых технологий и соответствующим образом преобразовать сеть, чтобы достичь увеличенной пропускной способности, более низких задержек, более высокой надежности, большей доступности, более высокой плотности подключения, меньшего джиттера и т.д., и желательно все это реализовать с использованием недорогих сетевых платформ с низким энергопотреблением. Эти требования могут быть удовлетворены множеством вариантов построения таких сетей, каждый из которых имеет свои преимущества. Однако все они будут основаны в большей степени на перспективных оптических технологиях – это новые диапазоны длин оптических волн, мультиплексирование с пространственным разделением оптических каналов, оптическая коммутация с высокой пропускной способностью и сверхмалой задержкой, оптическая связь в свободном пространстве, новые фотонные интегральные схемы и использование полностью оптических методов обработки в сетевых узлах, а также интеграция искусственного интеллекта (ИИ)/машинного обучения (МО) с общей сетевой экосистемой. Эти новые оптические технологии для реализации будущих сетей F6G кратко рассмотрены далее.
Классификация услуг F6G
Как показано на рис.1, развитие сетей фиксированной связи зависит от предоставляемых услуг, поэтому и сетевые операторы и поставщики услуг должны постоянно предлагать пользователям новые услуги, чтобы извлечь выгоду из своих инвестиций в модернизацию/преобразование сетей. Очевидно, что потребности в услугах связи со временем всегда возрастают и к этому росту должны быть готовые будущие сети.
Все услуги сетей F6G можно разделить на шесть категорий на основе трех ключевых требований: скорость передачи данных, плотность использования оптоволокна и сетевая задержка. Для следующих трех категорий услуг, которые предоставлялись и в сетях F5G [6], требуется выполнение только одного из этих требований:
Кроме того, в сетях F6G добавляются еще три категории услуг, которые требуют уже сочетания трех вышеупомянутых ключевых требований [7]:
Стоит отметить, что некоторые услуги могут потребовать, чтобы все три перечисленные ключевые требования выполнялись одновременно, поскольку им необходимо собирать широкополосные данные (например, видео) из различных точек сети, чтобы обрабатывать их в реальном времени и по результатам обработки оперативно выполнять необходимые действия.
Экосистема F6G, включающая шесть перечисленных выше категорий услуг, показана на рис.2 [7]. Схема классификации услуг F6G, представленная на нем, во многом схожа со схемой классификации услуг сетей мобильной связи 6G, в которой использованы следующие эквивалентные категории мобильных услуг (указаны в скобках на рис.2) [10]:
Таким образом, обе схемы дополняют друг друга, предлагая пользователям все категории услуг в любой точке земного шара и независимо от технологии доступа к сети связи, которую пользователи применяют для получения услуги: фиксированной или мобильной.
Другая классификация услуг сетей F6G основана на области их практического применения. Эта классификация услуг и их требования к сетевым характеристикам представлены в табл.1 [7], где использованы следующие обозначения требований услуг к сети: В – высокие, С – средние, Н – низкие, знаком х отмечено соответствие категориям услуг F6G.
Первый домен включает в себя услуги "Индустрии 4.0", такие как цифровые двойники, автоматизированные операции в суровых климатических условиях, коллаборативные (работающие совместно с человеком) роботы (коботы), дополненная реальность (AR, Augmented Reality) и синергия искусственного интеллекта (ИИ) с облачными вычислениями, направленная на повышение качества принятия решений за время жизни услуги.
Для эффективной работы этих услуг требуется высокая пропускная способность, низкая задержка, высокая надежность и средняя плотность внедрения оптоволокна.
Вторая категория включает развлекательные/коммуникационные услуги, такие как передача голограмм, иммерсивная (с погружением) расширенная реальность и тактильный интернет. Существуют различия в требованиях этих услуг к сети F6G. Например, голографическая связь и расширенная реальность требуют высокой скорости передачи данных и низкой задержки, в то время как тактильный интернет имеет более мягкие требования к задержке и скорости передачи данных.
Третья категория услуг включает ультраумный транспорт и может быть представлена в различных видах, таких как морские порты, аэропорты, городские дороги, автомагистрали и железные дороги. Безопасность является здесь одним из наиболее важных требований, но надежность, достаточная сетевая доступность, высокая пропускная способность и низкая задержка также являются обязательными.
Четвертая категория включает в себя услуги электронного здравоохранения, такие как телехирургия, AR-поддержка полевой медицины и медицинские диагностика/консультации в отдаленных районах, которые требуют низкой задержки и очень высокой надежности.
В пятой категории дистанционное обучение с помощью технологий AR требует повышенной скорости передачи данных, чтобы обеспечить высокий уровень взаимодействия между обучающимися и преподавателями. Кроме того, для обеспечения их взаимодействия в режиме реального времени требуется низкая задержка.
К последней категории относятся различные услуги, связанные с безопасностью, такие как мониторинг опасностей для здоровья и обнаружение происшествий с помощью ИИ, которые, в зависимости от отслеживаемого целевого показателя, могут требовать низкой задержки (например, обнаружение непосредственной угрозы) или повсеместности подключения (например, мониторинг и определение опасностей для здоровья одновременно в нескольких местах).
Направления развития сетей F5G
Как было указано выше, предоставление услуг в сетях F6G основано на трех ключевых сетевых характеристиках: задержке, скорости передачи данных и плотности подключения по оптоволокну, поскольку как минимум одна из них имеет решающее значение для любой услуги. Очевидно, что эти требования для каждой из шести категорий услуг сетей F6G должны быть расширены по сравнению с требованиями услуг сетей F5G (рис.3) [7]. Конечно, существуют также дополнительные критические требования, которые необходимо удовлетворить и которые обычно зависят от типа услуг, такие как безопасность, эксплуатационная эффективность, использование спектра, экономическая эффективность, энергоэффективность, джиттер и др.
На рис.3 подчеркивается, что, во-первых, необходимо внедрение новых стандартов пассивных оптических сетей PON для достижения скорости передачи данных 100 Гбит/с и выше в сетях доступа и поддержки услуг, критичных к пропускной способности. Кроме того, необходимо принять новую концепцию "Оптоволокно ко всему" FTTE (Fiber To The Everything) [6], целью которого является интеграция всех технологий "Оптоволокно до точки X" FTTx (Fiber to the X), которые, как ожидается, будут внедрены в сетях F5G, в единый сетевой объект (например, оптоволокно до дома FTTH, оптоволокно до офиса FTTO, оптоволокно до стола FTTD, оптоволокно до машины FTTM). В то же время такое проникновение оптики будет способствовать интеграции фиксированных и беспроводных сетей, что приведет к серьезной сетевой трансформации, благодаря которой сеть сможет поддерживать совместно потребности как беспроводных, так и проводных услуг. Что касается задержки, ожидается, что инфраструктура F6G значительно улучшится по сравнению с F5G, чтобы поддерживать услуги с очень жесткими требованиями к задержке, особенно в промышленном секторе, которые могут быть менее нескольких десятков мс. Чтобы достичь всех этих очень строгих требований, сетевым операторам/поставщикам услуг необходимо модернизировать свою текущую сетевую инфраструктуру как на уровне компонентов, так и на уровне сети, а также сделать свою сеть полностью автоматизированной, чтобы обеспечить быструю и точную реакцию в микросекундном временном масштабе.
Новые оптические технологии для реализации сетей F6G
По данным международных экспертов, потребности в пакетном трафике увеличиваются примерно на 100% каждые три года (рис.4) [7]. Причиной такого увеличения является необходимость удовлетворения постоянно растущего спроса на новые инфокоммуникационные услуги, который особенно ускорился из-за увеличения удаленной работы и учебы во время пандемии COVID-19. Таким образом, чтобы удовлетворить требования будущих услуг F6G, сетевые провайдеры и поставщики услуг должны внедрить новые технологии и методы, направленные на увеличение общей пропускной способности сети как минимум на порядок по сравнению с сетями F5G.
За последние пять десятилетий пропускная способность оптического волокна увеличилась на шесть порядков начиная с десятков Мбит/с и достигнув сегодня примерно 100 Тбит/с, что соответствует максимальной номинальной скорости передачи на большие расстояния поодномодовому волокну SMF. Для сохранения этой тенденции необходимо найти способы превысить пропускную способность 1 Пбит/с к 2030 году (рис.5) [7].
Эту задачу можно решить следующими способами:
Чтобы достичь скоростей Пбит/с, необходимо также внедрить новые оптические компоненты, такие как полосовые фильтры, экономичные оптические усилители, переключатели диапазонов и усилители нового поколения с разделением накачки на базе SDM, которые могут обеспечить как повышенную избыточность, так и снижение затрат. Еще одна ключевая технология, которая может помочь сетям F6G для передачи данных на еще большие расстояния и/или использования модуляции с более высокой мощностью форматов, увеличивающих передаваемую пропускную способность, представляет собой обработку сигналов на основе машинного обучения ML (Machine Learning). Например, глубокие нейронные сети DNN (Deep Neural Network), использующие методы цифрового обратного распространения ошибки DBP (Digital BackPropagation), могут добиться несложной компенсации нелинейности.
Если в магистральных оптических сетях скорость на канал в настоящее время может достигать 800 Гбит/с, то в оптических сетях доступа скорости значительно ниже. Так, последний стандарт пассивной оптической сети – 50G-EPON – может обеспечить доступ к сети со скоростью нисходящего потока 50 Гбит/с. В F6G существует острая необходимость перехода на стандарт 100G-PON или даже 200G-PON (рис.6) [7] для поддержки новых перспективных услуг, требующих высокой пропускной способности сети доступа. Этот прогресс в скорости передачи данных может быть обеспечен улучшением рабочих параметров оптических приемопередатчика, таких как формат модуляции, скорость передачи данных, рабочая длина волны и количество длин волн. Так как сети доступа наиболее чувствительны к стоимости и энергопотреблению, технология прямого обнаружения сигнала по-прежнему имеет преимущества по сравнению с технологией когерентного приема, которая эффективна на магистральных сетях.
Учитывая, что миниатюризация электроники приближается к своим пределам и, что полностью оптические методы обработки и передачи информации все больше выступают как альтернатива традиционной электронике, широкое внедрение оптического цифро-аналогового преобразования полностью соответствует требованиям к повышению энергоэффективности и производительности будущих сетей. Необходимо разработать новые полностью оптические приемопередатчики, например, без необходимости использования громоздких модулей, таких как электронные цифро-аналоговые преобразователи АЦП/ЦАП, в то время как внедрение оптических конвертеров длин волн и оптических гребенчатых генераторов устраняет электронное преобразование, что может привести к снижению сквозной задержки. Перспективной технологией для создания платформ оптоволоконной связи сетей F6G является реконфигурируемая фотоника на базе фотонных интегральных схем PIC (Photonic Integrated Circuit). Основная цель PIC – эффективная обработка оптических сигналов с малой задержкой на недорогой и маломощной платформе.
Реконфигурируемые фотонные схемы могут быть технологией, позволяющей одновременно создавать перспективные фотонные архитектуры, которые еще предстоит реализовать, и обеспечить огромный импульс для внедрения полностью оптической обработки, необходимой для оптической связи.
Одним из видов такого перспективного оборудования сетей F6G являются оптические коммутаторы, которые могут быть или сверхбыстрыми (поддерживать услуги, чувствительные ко времени) или обладать сверхвысокой емкостью (обеспечивать коммутацию очень большого объема трафика). Еще одним перспективным направлением внедрения сетей F6G является разработка мультигранулярных оптических мультиплексоров ввода/вывода с гибкой коммутацией.
Наконец, требуется конвергенция различных технологий и методов, таких как технологии 6G и F6G, а также всеохватывающая интеграция. Это преобразование превратит сеть F6G в распределенный сенсор/датчик, коммуникатор и суперкомпьютер, что позволит ей автоматически принимать решения на основе ИИ.
Заключение
Очевидно, что шестое поколение сетей фиксированной связи F6G предложит человечеству новые инфокоммуникационные услуги и окажет глубокое влияние на все аспекты человеческой деятельности. При этом принципиальным отличием услуг новых сетей является одновременное выполнение ряда требований к сетевым характеристикам: низкая или даже сверхнизкая задержка, высокая и гарантированная скорость передачи данных и повсеместные возможности широкополосного подключения пользователей к сети. Чтобы услуги сетей F6G в будущем были массово востребованы потребителями, они должны иметь привлекательную стоимость, что можно обеспечить только с использованием новых высокоскоростных экономически эффективных технологий с низким энергопотреблением. Таким образом, становится очевидным, что успех построения будущих сетей фиксированной связи F6G во многом будет определяться модернизацией существующих и разработкой новых коммуникационных технологий и прежде всего – оптических.
ЛИТЕРАТУРА
Пшеничников А.П., Росляков А.В. Будущие сети. Учебник для вузов. М.: Горячая линия − Телеком, 2022.
Пшеничников А.П., Короткова В.И., Поскотин Л.С. Перспективные инфокоммуникационные технологии и сетевые услуги // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2023. Т. 15. № 3. С. 57−64.
Росляков А. "СЕТЬ-2030": взгляд МСЭ-Т на будущее сетей фиксированной связи // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2021. № 4. С. 50–59.
Росляков А. Поколения сетей фиксированной связи F1G-F5G. Часть 1 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. №8. С. 34−40.
Росляков А. Поколения сетей фиксированной связи F1G-F5G. Часть 2 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. №1. С. 36−46.
Росляков А. Улучшенные сети фиксированной связи пятого поколения F5G Advanced // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. №8. С. 40−50.
Moschopoulos K., Papapavlou C., Paximadis K., Marom D.M., Nazarathy M., Muñoz R., Tomkos I. A Vision of 6th Generation of Fixed Networks (F6G): Challenges and Proposed Directions // Telecom. 2023. No 4. PP. 758−815.
Brunner M. The 6th Generation Fixed Network (F6G): Vision and Directions // 23rd International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), 2023. PP. 1−4.
The 6th Generation of Fixed Networks (F6G) – Space-Ground Integrated Optical Networks. White Paper V1.1. State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications (IPOC). 2023. No. 4. 51 p.
Вэнь Тонг, Пейин Чжу. Сети 6G. Путь от 5G до 6G глазами разработчиков. От подключенных людей и вещей к подключенному интеллекту. М.: ДМК Пресс, 2022.
А.В.Росляков, д.т.н., заведующий кафедрой сетей и систем связи ПГУТИ / arosl@mail.ru
УДК 621.391, DOI: 10.22184/2070-8963.2025.125.1.20.28
В последнее время мировое телекоммуникационное сообщество приступило к определению перспектив развития сетей фиксированной связи, которое сформулировано в виде концепции сетей 6-го поколения (F6G). Сети F6G отличаются от сетей предыдущих поколений тем, что они одновременно поддерживают несколько ключевых требований инфокоммуникационных услуг, таких как низкая задержка передачи данных, большая полоса пропускания канала связи, и обеспечивают широкие возможности по подключению пользователей к сети. В статье рассмотрены концептуальные основы сетей F6G, представлены услуги и перспективные волоконно-оптические технологии для реализации таких сетей.
Введение
Традиционные телекоммуникации являются результатом второй промышленной революции, который связан с широким развертыванием телефонных сетей общего пользования в начале 20 века. Третья промышленная революция привела к значительному прогрессу в области электроники и появлению интернет-услуг и мобильных сетей, которые оказали глубочайшее влияние на то, как люди общаются, работают и живут. Сегодня человечество переживает Четвертую промышленную революцию ("Индустрия 4.0"), которая ведет к слиянию различных инфокоммуникационных процессов, таких как фиксированная/беспроводная связь, вычисления и сканирование/сенсорика в единый сетевой объект. Будущая сеть связи, и особенно ее часть – сети доступа, будет одновременно служить средой коммуникаций, сенсором и суперкомпьютером, предоставляя услуги, оказывающие серьезное воздействие на все аспекты человеческой деятельности и формы социального взаимодействия, а также их взаимодействие с окружающей средой [1, 2]. "Индустрия 4.0" знаменует начало совершенно новой эпохи, которая характеризуется конвергенцией и, в конечном итоге, слиянием тех технологий, которые определяют нашу техносферу, в единый технологический континуум. Социальные взаимодействия будут углубляться благодаря широкому спектру новых услуг, которые будут предлагаться их поставщиками конечным пользователям с появлением сетей будущих поколений.
Для телекоммуникаций фиксированная связь составляет один столп, а мобильная – другой; по этой причине с точки зрения конечных пользователей эти столпы имеют равную важность, поскольку они могут использовать тот или иной компонент для доступа к сети и получения необходимых им услуг. В предыдущих статьях автора [3−5] была представлена эволюция услуг и сетевых технологий в течение первых пяти поколений сетей фиксированной связи (F1G−F5G) на основе многоуровневого подхода, позволяющего более глубоко понять ключевые движущие силы, лежащие в основе этой эволюции.
Дополнительно в работе [6] представлены базовые принципы улучшенных сетей пятого поколения F5G Advanced. В данной статье показано влияние четвертой промышленной революции на различные уровни телекоммуникационной экосистемы, уделяя особое внимание услугам будущих сетей фиксированной связи шестого поколения F6G и их требованиям к сетевым характеристикам. Основная цель статьи – показать будущее сетей фиксированной связи и определить, какие новые оптические технологии потребуются для их практической реализации.
Отличие услуг сетей F6G
Согласно видению специальной исследовательской группы ETSI [9] сегодня телекоммуникации вступили в пятое поколение сетей фиксированной связи (F5G), которое открывает путь для различных новых услуг, таких как дополненная и облачная виртуальные реальности, умный город, потоковое видео сверхвысокой четкости и др., и уже ведутся дискуссии о 6-м поколении (F6G) [7−9]. Ожидается, что технологии F6G существенно преобразуют общую сетевую экосистему в различных направлениях, чтобы удовлетворить строгие требования будущих инфокоммуникационных услуг. Планируется, что ключевыми направлениями внедрения сетей F6G будут:
- промышленный сектор, например, посредством цифрового представления физического мира (цифровой двойник);
- сфера развлечений/коммуникаций, например, посредством голограмм, тактильного интернета и технологий смешанной реальности (MR, Mixed Reality);
- транспортный сектор, в основном за счет использования ультраумных инфраструктур, таких как аэропорты, порты, автомагистрали, городские и железные дороги.
Эволюцию сетевых услуг иллюстрирует рис.1, на котором показаны по три ключевые услуги для каждого из шести поколений сетей фиксированной связи.
Основное отличие услуг F6G от услуг сетей предыдущего, пятого поколения, которое создает серьезные проблемы для операторов сетей связи, заключается в том, что им необходимо одновременно выполнять различные строгие требования, чтобы обеспечить бесперебойное предоставление услуг в течение всего их жизненного цикла.
Например, промышленные услуги, такие как цифровые двойники, требуют одновременно высокой плотности подключения, большой скорости передачи данных, низкой задержки и высокой надежности коммуникаций. Чтобы обеспечить это, необходимо выполнить значительный объем разработок новых технологий и соответствующим образом преобразовать сеть, чтобы достичь увеличенной пропускной способности, более низких задержек, более высокой надежности, большей доступности, более высокой плотности подключения, меньшего джиттера и т.д., и желательно все это реализовать с использованием недорогих сетевых платформ с низким энергопотреблением. Эти требования могут быть удовлетворены множеством вариантов построения таких сетей, каждый из которых имеет свои преимущества. Однако все они будут основаны в большей степени на перспективных оптических технологиях – это новые диапазоны длин оптических волн, мультиплексирование с пространственным разделением оптических каналов, оптическая коммутация с высокой пропускной способностью и сверхмалой задержкой, оптическая связь в свободном пространстве, новые фотонные интегральные схемы и использование полностью оптических методов обработки в сетевых узлах, а также интеграция искусственного интеллекта (ИИ)/машинного обучения (МО) с общей сетевой экосистемой. Эти новые оптические технологии для реализации будущих сетей F6G кратко рассмотрены далее.
Классификация услуг F6G
Как показано на рис.1, развитие сетей фиксированной связи зависит от предоставляемых услуг, поэтому и сетевые операторы и поставщики услуг должны постоянно предлагать пользователям новые услуги, чтобы извлечь выгоду из своих инвестиций в модернизацию/преобразование сетей. Очевидно, что потребности в услугах связи со временем всегда возрастают и к этому росту должны быть готовые будущие сети.
Все услуги сетей F6G можно разделить на шесть категорий на основе трех ключевых требований: скорость передачи данных, плотность использования оптоволокна и сетевая задержка. Для следующих трех категорий услуг, которые предоставлялись и в сетях F5G [6], требуется выполнение только одного из этих требований:
- eFBB (Enhanced Fiber BroadBand) – расширенный оптический широкополосный доступ, требует высокой скорости передачи данных;
- FFC (Full Fiber Connection) – полностью оптическое соединение, реализуется при высокой плотности оптического подключения;
- GRE (Guaranteed Reliable Experience) – гарантированная надежная доставка данных, требует низкой задержки в сети.
Кроме того, в сетях F6G добавляются еще три категории услуг, которые требуют уже сочетания трех вышеупомянутых ключевых требований [7]:
- FFBC (Full Fiber BroadBand Connection) – полностью оптическое широкополосное соединение, требующее как высокой плотности подключения оптоволокна, так и высокой скорости передачи данных;
- GRFB (Guaranteed Reliable Fiber Broadband) – гарантированная надежная широкополосная связь по оптоволокну, требующая как низкой задержки, так и высокой скорости передачи данных;
- GRFFE (Guaranteed Reliable Full Fiber Experience) – гарантированное надежное полностью оптическое соединение, требующее как высокой плотности подключения оптоволокна, так и низкой задержки.
Стоит отметить, что некоторые услуги могут потребовать, чтобы все три перечисленные ключевые требования выполнялись одновременно, поскольку им необходимо собирать широкополосные данные (например, видео) из различных точек сети, чтобы обрабатывать их в реальном времени и по результатам обработки оперативно выполнять необходимые действия.
Экосистема F6G, включающая шесть перечисленных выше категорий услуг, показана на рис.2 [7]. Схема классификации услуг F6G, представленная на нем, во многом схожа со схемой классификации услуг сетей мобильной связи 6G, в которой использованы следующие эквивалентные категории мобильных услуг (указаны в скобках на рис.2) [10]:
- eMBB (enhanced Mobile Broad Band) – расширенная мобильная широкополосная связь;
- mMTC (massive Machine-Type Communications) – массивные межмашинные коммуникации;
- URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communication) – сверхнадежная коммуникация с низкой задержкой;
- uMBB (ubiquitous Mobile BroadBand) – повсеместный мобильный широкополосный доступ;
- ULBC (Ultra-reliable Low Latency Broadband Communications) – сверхнадежные широкополосные коммуникации с малой задержкой;
- mULC (massive Ultra-reliable Low latency Communication) – массивные сверхнадежные коммуникации с малой задержкой.
Таким образом, обе схемы дополняют друг друга, предлагая пользователям все категории услуг в любой точке земного шара и независимо от технологии доступа к сети связи, которую пользователи применяют для получения услуги: фиксированной или мобильной.
Другая классификация услуг сетей F6G основана на области их практического применения. Эта классификация услуг и их требования к сетевым характеристикам представлены в табл.1 [7], где использованы следующие обозначения требований услуг к сети: В – высокие, С – средние, Н – низкие, знаком х отмечено соответствие категориям услуг F6G.
Первый домен включает в себя услуги "Индустрии 4.0", такие как цифровые двойники, автоматизированные операции в суровых климатических условиях, коллаборативные (работающие совместно с человеком) роботы (коботы), дополненная реальность (AR, Augmented Reality) и синергия искусственного интеллекта (ИИ) с облачными вычислениями, направленная на повышение качества принятия решений за время жизни услуги.
Для эффективной работы этих услуг требуется высокая пропускная способность, низкая задержка, высокая надежность и средняя плотность внедрения оптоволокна.
Вторая категория включает развлекательные/коммуникационные услуги, такие как передача голограмм, иммерсивная (с погружением) расширенная реальность и тактильный интернет. Существуют различия в требованиях этих услуг к сети F6G. Например, голографическая связь и расширенная реальность требуют высокой скорости передачи данных и низкой задержки, в то время как тактильный интернет имеет более мягкие требования к задержке и скорости передачи данных.
Третья категория услуг включает ультраумный транспорт и может быть представлена в различных видах, таких как морские порты, аэропорты, городские дороги, автомагистрали и железные дороги. Безопасность является здесь одним из наиболее важных требований, но надежность, достаточная сетевая доступность, высокая пропускная способность и низкая задержка также являются обязательными.
Четвертая категория включает в себя услуги электронного здравоохранения, такие как телехирургия, AR-поддержка полевой медицины и медицинские диагностика/консультации в отдаленных районах, которые требуют низкой задержки и очень высокой надежности.
В пятой категории дистанционное обучение с помощью технологий AR требует повышенной скорости передачи данных, чтобы обеспечить высокий уровень взаимодействия между обучающимися и преподавателями. Кроме того, для обеспечения их взаимодействия в режиме реального времени требуется низкая задержка.
К последней категории относятся различные услуги, связанные с безопасностью, такие как мониторинг опасностей для здоровья и обнаружение происшествий с помощью ИИ, которые, в зависимости от отслеживаемого целевого показателя, могут требовать низкой задержки (например, обнаружение непосредственной угрозы) или повсеместности подключения (например, мониторинг и определение опасностей для здоровья одновременно в нескольких местах).
Направления развития сетей F5G
Как было указано выше, предоставление услуг в сетях F6G основано на трех ключевых сетевых характеристиках: задержке, скорости передачи данных и плотности подключения по оптоволокну, поскольку как минимум одна из них имеет решающее значение для любой услуги. Очевидно, что эти требования для каждой из шести категорий услуг сетей F6G должны быть расширены по сравнению с требованиями услуг сетей F5G (рис.3) [7]. Конечно, существуют также дополнительные критические требования, которые необходимо удовлетворить и которые обычно зависят от типа услуг, такие как безопасность, эксплуатационная эффективность, использование спектра, экономическая эффективность, энергоэффективность, джиттер и др.
На рис.3 подчеркивается, что, во-первых, необходимо внедрение новых стандартов пассивных оптических сетей PON для достижения скорости передачи данных 100 Гбит/с и выше в сетях доступа и поддержки услуг, критичных к пропускной способности. Кроме того, необходимо принять новую концепцию "Оптоволокно ко всему" FTTE (Fiber To The Everything) [6], целью которого является интеграция всех технологий "Оптоволокно до точки X" FTTx (Fiber to the X), которые, как ожидается, будут внедрены в сетях F5G, в единый сетевой объект (например, оптоволокно до дома FTTH, оптоволокно до офиса FTTO, оптоволокно до стола FTTD, оптоволокно до машины FTTM). В то же время такое проникновение оптики будет способствовать интеграции фиксированных и беспроводных сетей, что приведет к серьезной сетевой трансформации, благодаря которой сеть сможет поддерживать совместно потребности как беспроводных, так и проводных услуг. Что касается задержки, ожидается, что инфраструктура F6G значительно улучшится по сравнению с F5G, чтобы поддерживать услуги с очень жесткими требованиями к задержке, особенно в промышленном секторе, которые могут быть менее нескольких десятков мс. Чтобы достичь всех этих очень строгих требований, сетевым операторам/поставщикам услуг необходимо модернизировать свою текущую сетевую инфраструктуру как на уровне компонентов, так и на уровне сети, а также сделать свою сеть полностью автоматизированной, чтобы обеспечить быструю и точную реакцию в микросекундном временном масштабе.
Новые оптические технологии для реализации сетей F6G
По данным международных экспертов, потребности в пакетном трафике увеличиваются примерно на 100% каждые три года (рис.4) [7]. Причиной такого увеличения является необходимость удовлетворения постоянно растущего спроса на новые инфокоммуникационные услуги, который особенно ускорился из-за увеличения удаленной работы и учебы во время пандемии COVID-19. Таким образом, чтобы удовлетворить требования будущих услуг F6G, сетевые провайдеры и поставщики услуг должны внедрить новые технологии и методы, направленные на увеличение общей пропускной способности сети как минимум на порядок по сравнению с сетями F5G.
За последние пять десятилетий пропускная способность оптического волокна увеличилась на шесть порядков начиная с десятков Мбит/с и достигнув сегодня примерно 100 Тбит/с, что соответствует максимальной номинальной скорости передачи на большие расстояния поодномодовому волокну SMF. Для сохранения этой тенденции необходимо найти способы превысить пропускную способность 1 Пбит/с к 2030 году (рис.5) [7].
Эту задачу можно решить следующими способами:
- использование спектрально эффективных методов модуляции, таких как вероятностное формирование созвездия и кодированная модуляция;
- использование всего спектра частот 1260–1625 нм с низким затуханием оптического волокна (<0,4 дБ/км) за счет передачи либо большего количества каналов, либо за счет увеличения полосы пропускания каждого канала (например, переход к более высоким скоростям передачи данных);
- использование пространственного мультиплексирования SDM (Space Division Multiplexing) за счет объединения пучков одномодовых либо многоядерных/многомодовых волокон.
Чтобы достичь скоростей Пбит/с, необходимо также внедрить новые оптические компоненты, такие как полосовые фильтры, экономичные оптические усилители, переключатели диапазонов и усилители нового поколения с разделением накачки на базе SDM, которые могут обеспечить как повышенную избыточность, так и снижение затрат. Еще одна ключевая технология, которая может помочь сетям F6G для передачи данных на еще большие расстояния и/или использования модуляции с более высокой мощностью форматов, увеличивающих передаваемую пропускную способность, представляет собой обработку сигналов на основе машинного обучения ML (Machine Learning). Например, глубокие нейронные сети DNN (Deep Neural Network), использующие методы цифрового обратного распространения ошибки DBP (Digital BackPropagation), могут добиться несложной компенсации нелинейности.
Если в магистральных оптических сетях скорость на канал в настоящее время может достигать 800 Гбит/с, то в оптических сетях доступа скорости значительно ниже. Так, последний стандарт пассивной оптической сети – 50G-EPON – может обеспечить доступ к сети со скоростью нисходящего потока 50 Гбит/с. В F6G существует острая необходимость перехода на стандарт 100G-PON или даже 200G-PON (рис.6) [7] для поддержки новых перспективных услуг, требующих высокой пропускной способности сети доступа. Этот прогресс в скорости передачи данных может быть обеспечен улучшением рабочих параметров оптических приемопередатчика, таких как формат модуляции, скорость передачи данных, рабочая длина волны и количество длин волн. Так как сети доступа наиболее чувствительны к стоимости и энергопотреблению, технология прямого обнаружения сигнала по-прежнему имеет преимущества по сравнению с технологией когерентного приема, которая эффективна на магистральных сетях.
Учитывая, что миниатюризация электроники приближается к своим пределам и, что полностью оптические методы обработки и передачи информации все больше выступают как альтернатива традиционной электронике, широкое внедрение оптического цифро-аналогового преобразования полностью соответствует требованиям к повышению энергоэффективности и производительности будущих сетей. Необходимо разработать новые полностью оптические приемопередатчики, например, без необходимости использования громоздких модулей, таких как электронные цифро-аналоговые преобразователи АЦП/ЦАП, в то время как внедрение оптических конвертеров длин волн и оптических гребенчатых генераторов устраняет электронное преобразование, что может привести к снижению сквозной задержки. Перспективной технологией для создания платформ оптоволоконной связи сетей F6G является реконфигурируемая фотоника на базе фотонных интегральных схем PIC (Photonic Integrated Circuit). Основная цель PIC – эффективная обработка оптических сигналов с малой задержкой на недорогой и маломощной платформе.
Реконфигурируемые фотонные схемы могут быть технологией, позволяющей одновременно создавать перспективные фотонные архитектуры, которые еще предстоит реализовать, и обеспечить огромный импульс для внедрения полностью оптической обработки, необходимой для оптической связи.
Одним из видов такого перспективного оборудования сетей F6G являются оптические коммутаторы, которые могут быть или сверхбыстрыми (поддерживать услуги, чувствительные ко времени) или обладать сверхвысокой емкостью (обеспечивать коммутацию очень большого объема трафика). Еще одним перспективным направлением внедрения сетей F6G является разработка мультигранулярных оптических мультиплексоров ввода/вывода с гибкой коммутацией.
Наконец, требуется конвергенция различных технологий и методов, таких как технологии 6G и F6G, а также всеохватывающая интеграция. Это преобразование превратит сеть F6G в распределенный сенсор/датчик, коммуникатор и суперкомпьютер, что позволит ей автоматически принимать решения на основе ИИ.
Заключение
Очевидно, что шестое поколение сетей фиксированной связи F6G предложит человечеству новые инфокоммуникационные услуги и окажет глубокое влияние на все аспекты человеческой деятельности. При этом принципиальным отличием услуг новых сетей является одновременное выполнение ряда требований к сетевым характеристикам: низкая или даже сверхнизкая задержка, высокая и гарантированная скорость передачи данных и повсеместные возможности широкополосного подключения пользователей к сети. Чтобы услуги сетей F6G в будущем были массово востребованы потребителями, они должны иметь привлекательную стоимость, что можно обеспечить только с использованием новых высокоскоростных экономически эффективных технологий с низким энергопотреблением. Таким образом, становится очевидным, что успех построения будущих сетей фиксированной связи F6G во многом будет определяться модернизацией существующих и разработкой новых коммуникационных технологий и прежде всего – оптических.
ЛИТЕРАТУРА
Пшеничников А.П., Росляков А.В. Будущие сети. Учебник для вузов. М.: Горячая линия − Телеком, 2022.
Пшеничников А.П., Короткова В.И., Поскотин Л.С. Перспективные инфокоммуникационные технологии и сетевые услуги // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2023. Т. 15. № 3. С. 57−64.
Росляков А. "СЕТЬ-2030": взгляд МСЭ-Т на будущее сетей фиксированной связи // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2021. № 4. С. 50–59.
Росляков А. Поколения сетей фиксированной связи F1G-F5G. Часть 1 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. №8. С. 34−40.
Росляков А. Поколения сетей фиксированной связи F1G-F5G. Часть 2 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. №1. С. 36−46.
Росляков А. Улучшенные сети фиксированной связи пятого поколения F5G Advanced // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. №8. С. 40−50.
Moschopoulos K., Papapavlou C., Paximadis K., Marom D.M., Nazarathy M., Muñoz R., Tomkos I. A Vision of 6th Generation of Fixed Networks (F6G): Challenges and Proposed Directions // Telecom. 2023. No 4. PP. 758−815.
Brunner M. The 6th Generation Fixed Network (F6G): Vision and Directions // 23rd International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), 2023. PP. 1−4.
The 6th Generation of Fixed Networks (F6G) – Space-Ground Integrated Optical Networks. White Paper V1.1. State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications (IPOC). 2023. No. 4. 51 p.
Вэнь Тонг, Пейин Чжу. Сети 6G. Путь от 5G до 6G глазами разработчиков. От подключенных людей и вещей к подключенному интеллекту. М.: ДМК Пресс, 2022.
Отзывы читателей
