eng
Выпуск #1/2025
В.О.Тихвинский, Е.Е.Девяткин, А.A.Савочкин, М.И.Недобежкин
Перспективы стандартизации и создания сетей радиодоступа и опорных сетей 6G
Перспективы стандартизации и создания сетей радиодоступа и опорных сетей 6G
Просмотры: 816
DOI: 10.22184/2070-8963.2025.125.1.40.48
Рассматриваются вопросы стандартизации сетей связи 6G Международным союзом электросвязи и Партнерским проектом 3GPP. Представлен график работы по стандартизации сетей 6G. Приведены взгляды вендоров и исследователей по облику сетей радиодоступа 6G RAN и опорной сети 6G Core.
Рассматриваются вопросы стандартизации сетей связи 6G Международным союзом электросвязи и Партнерским проектом 3GPP. Представлен график работы по стандартизации сетей 6G. Приведены взгляды вендоров и исследователей по облику сетей радиодоступа 6G RAN и опорной сети 6G Core.
Теги: 3gpp partnership project 6g communication networks 6g network standardisation international telecommunication union международный союз электросвязи партнерский проект 3gpp сети связи 6g стандартизация сетей 6g
Перспективы стандартизации и создания сетей радиодоступа и опорных
сетей 6G
В.О.Тихвинский, д.э.н., академик РАЕН, проф. МГТУ им. Н.Э. Баумана и Севастопольского государственного университета, главный научный сотрудник Национального исследовательского центра телекоммуникаций (НИЦ Телеком) им. М.И. Кривошеева / vtniir@mail.ru,
Е.Е.Девяткин, к.э.н., директор Центра исследований перспективных беспроводных технологий связи НИЦ Телеком им. М.И. Кривошеева / deugene@list.ru,
A.A.Савочкин, к.т.н., профессор Севастопольского государственного университета /
savochkin_mail@mail.ru,
М.И.Недобежкин, к.т.н., старший научный сотрудник НИИ Минобороны России /
nmihail-30@yandex.ru
УДК 621.391.82, DOI: 10.22184/2070-8963.2025.125.1.40.48
Рассматриваются вопросы стандартизации сетей связи 6G Международным союзом электросвязи и Партнерским проектом 3GPP. Представлен график работы по стандартизации сетей 6G. Приведены взгляды вендоров и исследователей по облику сетей радиодоступа 6G RAN и опорной сети 6G Core.
Введение
Международный союз электросвязи в своих отчете МСЭ-R M.2516 [1] и Рекомендации МСЭ-R M.2160 [2] заложил основу для будущего развития сетей связи IMT-2030 (International Mobile Telecommunications-2030). Текущим этапом их развития (2024−2027 гг.) станет определение соответствующих требований и критериев оценки потенциальных технологий радиоинтерфейса (RIT) для IMT-2030. По планам МСЭ, к 2026 году будет проведена техническая оценка предложений по радиотехнологиям IMT-2030 и определены требования к сетям 6G RAN. В 2028–2030 гг. будет завершена разработка спецификаций RAN IMT-2030.
Партнерским проектом 3GPP стандартизация сетей 6G начнется с Релиза 20 формированием требований к сети радиодоступа 6G RAN и KPI. Специальная рабочая группа SID RAN-WG будет утверждена в июне 2025 года. Стандартизация 6G в 3GPP продолжится в Релизе 21. В результате работы над Релизом 21 будет представлен первый набор технических спецификаций 3GPP 6G RAN, и он станет основным документом для представления системы IMT-2030 до 2030 года. В статье рассмотрены перспективы создания сетей радиодоступа и опорных сетей 6G.
Планы 3GPP по участию в разработке сетей 6G
Работа по стандартизации будущих технологий 6G уже начата Партнерским проектом 3GPP на заседании целевой рабочей группы TSG 103 (март 2024 года) и является продолжением исследований, начатых МСЭ-R по тенденциям развития технологий IMT и видению МСЭ будущих сетей IMT-2030/6G. Согласно планам МСЭ-R [2], стандартизация радиоинтерфейса IMT-2030 в рамках МСЭ будет завершена к 2030 году, а стандартизация в рабочих группах 3GPP будет завершена немного раньше.
Поэтому, по предварительным планам 3GPP [3], первая реализуемая Техническая спецификация 3GPP для сетей 6G будет выпущена в 2028 году, а диапазоны частот для развития сетей 6G должны быть согласованы еще раньше – как результат работы будущей Всемирной радиоконференции 2027 года ВКР-27 (рис.1).
На завершившихся в марте 2024 года пленарных заседаниях целевых рабочих групп TSG RAN и SA 3GPP в Эдинбурге (Великобритания) были определены сроки работ над Релизами 20 и 21, посвященными стандартизации технологий 6G.
Первоначальные обсуждения планов стандартизации сетей 6G состоялись в рабочей группе 3GPP RAN. Они включили:
Временной график работы по стандартизации сети 6G, опубликованный в RP-233985, включает следующие мероприятия:
Первый семинар по 6G в масштабе целевых рабочих групп TSG, который состоится в марте 2025 года перед запланированным на июнь 2025 года замораживанием Релиза 19 RAN1.
Стандартизация сетей 6G Партнерским проектом 3GPP начиная с Релиза 20.
Стандартизация сетей IMT-2030 в МСЭ и продолжение работы над нормативными документами для 6G в Релизе 21 3GPP. В Релизе 21 будет представлен первый набор технических спецификаций 3GPP 6G, и именно он станет Релизом для представления в МСЭ в качестве описания IMT-2030. Релиз 21 будет выпущен с одним этапом разработки (т. е. с одним замораживанием).
Концепция создания и развития интегрированных сетей 6G
Согласно определению МСЭ, архитектура сети 6G (Network 2030) должна представлять "сквозную интегрированную, автоматизированную и динамическую архитектуру сети, сочетающую возможности подключения, приложения, вычислительные ресурсы и ресурсы хранения" [5].
Эта архитектура будет представлять собой эволюционный переход от существующей архитектуры наземной сети 5G (архитектуры виртуальной мобильной сети для подключения абонентов) к интегрированной архитектуре 6G с расширенной виртуализацией различных уровней сетевой архитектуры, применения методов искусственного интеллекта (ИИ) / машинного обучения, использования прикладных API-интерфейсов для автоматизации, внедрения оптических (квантовых) вычислений, а также будущих приложений, требующих огромной пропускной способности сети, а также низкой сквозной задержки и практически нулевой потери пакетов данных.
Концептуально новые подходы к построению интегрированной архитектуры мобильных сетей 6G (рис.2) будут включать [2, 6, 7]:
использование ограниченных различными пространствами суб-сетей, интегрирующихся в глобальную сеть 6G на принципах создания архитектуры "сети из сетей";
применение сервисно-ориентированной архитектуры (SBA) в сети радиодоступа 6G RAN и опорной сети 6G Core на основе общей сверхвысокоскоростной интерфейсной шины для различных видов услуг, которая обеспечит операционную гибкость и масштабируемость сети.
Построение архитектуры сети с учетом повсеместного применения нового усовершенствованного IP-протокола (New IP).
Внедрение принципов STIN-интеграции наземного и воздушно-космического сегментов сети 6G представляет собой сценарий построения будущей полностью интегрированной инфраструктуры сетей доступа к услугам интернета и ключевым услугам сети 6G (MBRLLC, mURLLC, HCS, MPS/ISAC, AI).
Интегрированная архитектура сети 6G обладает следующими ключевыми преимуществами:
Сеть радиодоступа 6G
Наземная сеть 6G будет использовать открытую сетевую архитектуру сети радиодоступа 6G RAN, взаимодействующую с программно-определяемой базовой сетью 6G Core.
Физический уровень PHY сети радиодоступа 6G RAN все еще находится в стадии исследования, и, следовательно, конкретные детали относительно форм сигналов 6G, нумерологии и опорных сигналов еще не определены. Продолжение использования ортогонального метода доступа с частотным мультиплексированием (OFDMA) в сети радиодоступа 6G сделает его обратно совместимым с 5G и позволит согласовать формы сигналов и нумерологии NR. Это позволит повторно использовать большую часть существующей инфраструктуры сетей радиодоступа 5G и обеспечит плавный путь их эволюции к 6G RAN.
Таким образом, эволюционный путь развития RAN от 5G к 6G позволит использовать OFDM с единой с сетями 5G нумерологией или, по крайней мере, формы сигналов на основе быстрого преобразования Фурье, используя тот же растр частот, который определен для 5G NR. Это желательно осуществить для диапазонов частот FR1. Более того, сочетание технологии пространственно-временной обработки MIMO, OFDM и кодов, близких к коду Шеннона, доказало, что приближает физический уровень PHY к его теоретическим границам, и можно ожидать небольших улучшений от других ортогональных сигнально-кодовых конструкций с точки зрения спектральной эффективности.
Методы модуляции в будущих сетях 6G можно классифицировать на ортогональные, биортогональные и неортогональные.
Помимо классической модуляции OFDM, в сетях 6G будут использованы другие методы, а именно, ортогональные:
универсальный фильтрованный ортогональный сигнал с множеством несущих (UFMC) [5], который является объединением модуляции OFDM с фильтрацией (Filtered OFDM);
метод многочастотной модуляции с гребенчатой фильтрацией FBMC (Filter Bank MultiCarrier).
Среди биортогональных методов модуляции рассматриваются технологии модуляции на основе циклического префикса OFDM, OFDM с временным окном и биортогональное мультиплексирование c частотным разделением (FDM).
Для неортогональных схем модуляции, в которых необходимо устранить межсимвольные помехи с помощью более сложных приемников, рассматривают технологию обобщенного частотного разделение сигналов GFDM (Generalized Frequency Division Multiplex) с более быстрой, чем по Найквисту, сигнализацией.
Кроме ортогональных методов доступа в сети радиодоступа 6G RAN будет применяться неортогональный доступ (NOMA), нарушающий ортогональность путем пространственного перекрытия передаваемых поднесущих, позволяя нескольким пользователям совместно использовать временные и частотные ресурсы сети 6G.
К настоящему времени предложен целый ряд методов множественного доступа NOMA в области мощности: PD-NOMA (Power Division NOMA), множественный доступ с чередованием и разделением IDMA (Interleave Division Multiple Access); множественный доступ с распределением ресурсов RSMA (Resource Spread Multiple Access); множественный доступ CDMA (Code Division Multiple Access) с расширением кодами с низкой плотностью LDS (Low Density Spreading), или LDS-CDMA; множественный доступ с разреженным кодированием SCMA (Sparse Code Multiple Access); многопользовательский общий доступ MUSA (Multi-User Shared Access) и множественный доступ с разделением по шаблону PDMA (Pattern Dvision Multiple Access). Перечисленные методы основаны на одной и той же ключевой концепции, когда более одного пользователя обслуживается в каждом ортогональном ресурсе. Это, например, временной интервал, частотный канал, код расширения или ортогональная пространственная степень свободы [10].
Сеть радиодоступа 6G будет готова к развертыванию на существующих макросотовых сайтах, включая поддержку как традиционных распределенных (включающих элементы RU, DU, CU) сетей радиодоступа 6G RAN, так и сценариев облачного развертывания элементов сетей радиодоступа RAN.
Применение технологий радиодоступа Multi-RAT (MRSS) для совместного использования спектра также обеспечит плавный переход между сетями радиодоступа 5G и 6G для уже используемых диапазонов частот без ущерба для производительности сети 6G.
Технология агрегации несущих (СА) в сети радиодоступа 6G может быть реализована для организации "виртуальных частотных каналов" [11] и объединения возможностей по покрытию и обеспечению емкости сайтов. Для достижения той же задачи для несовмещенных сайтов 5G (gNB) и 6G (gNE) может быть востребовано использование технологии двойного подключения DC.
Сервисно-ориентированная архитектура SBA в сети 6G может распространиться по всей инфраструктуре сети через все плоскости и обеспечить сквозной охват сети (Е2Е), включая сеть радиодоступа 6G RAN, опорную сеть 6G Core и терминалы, что обеспечит гораздо более широкий охват элементов архитектуры сети и операционную гибкость, поддерживая архитектуру "сеть из сетей" и концепцию "системы из систем" для упрощения интеграции и масштабируемости подсистем.
Архитектура 6G RAN согласно требованиям Рекомендации МСЭ-R М.2160 [2] будет усовершенствована и упрощена для расширения возможностей 6G RAN. Упрощения архитектуры и расширение возможности подключения к сетям IMT-2030 будут направлены на работу по принципу "включай и работай".
Эти усовершенствования и упрощение сети 6G RAN могут быть достигнуты за счет дальнейшего развития таких сетевых технологий, как аналитика данных, новые вычислительные операции, информационные и коммуникационные технологии, внутрисетевая конвергенция.
Архитектура 6G RAN будет иметь сетевые функции RAN с поддержкой внутрисетевого искусственного интеллекта, более тонкую или легкую конструкцию стека протоколов 6G RAN, кооперацию и агрегирование узлов RAN, архитектуру сети, ориентированной на пользователя (UCN), и т. д.
Благодаря интерактивному сопоставлению в реальном времени физической и виртуальной сетей-двойников сети 6G на основе услуг цифровых двойников (DTN) которые могут помочь эффективно и интеллектуально проверять, моделировать, развертывать и управлять сетями IMT-2030/6G.
Взаимодействие наземной сети 6G RAN / IMT-2030 с ее дополнениями – неназемными сетями (NTN), включая спутниковый сегмент и базовые станции на высотной платформе в качестве базовых станций IMT (HIBS) – улучшит достижение установления соединений в сети 6G RAN, реализуя услугу повсеместного подключения абонентов [2].
Опорная сеть 6G
Опорная сеть 6G Core будет являться главной управляющей системой для сетей с интегрированной STIN-архитектурой, построенной по принципу "сеть из сетей". STIN-архитектура сети 6G будет представлять сквозную (Е2Е) интегрированную, автоматизированную и динамическую архитектуру сети, включающую инфраструктурные сетевые элементы различных доменов сети 6G, сочетающая возможности подключения абонентов, приложения, вычислительные ресурсы и ресурсы хранения. Интегрированная "сеть из сетей" 6G будет строиться, чтобы удовлетворить потребности локальных и специализированных сетей и подсетей. Поэтому архитектура интегрированной "сети из сетей" 6G будет охватывать сети различных масштабов как физических, так и виртуальных сетей: спутниковых, летающих, наземных, подводных.
К основным элементам архитектуры сети из сетей 6G на сетевом уровне относится архитектура входящих в нее сетей связи:
Каждая из суб-сетей будет включать в себя узлы доступа gNE сети радиодоступа 6G RAN и замыкаться на единую пространственно распределенную опорную сеть 6G Core, построенную на основе принципа интеграции "сети из сетей".
В контексте построения архитектуры опорной сети 6G, следуя идее использования архитектуры SBA (Service-based Architecture) в сетях 5G [6, 7, 12, 13, 14], в 6G будет использоваться похожая на нее трехуровневая иерархическая структура, где из микросервисов образовываются сетевые функции, а совокупность сетевых функций будет формировать опорную сеть 6G.
Чтобы адаптироваться к изменяющимся сценариям, различные микросервисы могут формировать и реализовывать различные сетевые функции 6G, а затем сетевые функции объединяются в опорную сеть 6G Core для решения задач управления сетью 6G. Таким образом, автоматическая декомпозиция (разделение) и перекомпоновка сетевых элементов (сетевых функций) на каждом уровне сети 6G Core, запускаемая динамическими требованиями пользователя 6G, может обеспечивать существенный фундаментальный принцип саморазвития.
Термин "саморазвитие" (Self-evolving) при построении архитектуры опорной сети используется для обозначения интеллектуальных возможностей сети 6G Core на основе методов искусственного интеллекта, позволяющих автономно корректировать и оптимизировать свою внутреннюю структуру в ответ на изменения окружающей информационной среды в процессе эксплуатации сети. Это новая ступень эволюции технологии самоорганизующихся сетей (SON), используемых в сетях 5G для решения задач эксплуатации, администрирования и управления сетью (OAM) [15].
Реализация принципа саморазвития архитектуры сети 6G позволяет сетям лучше адаптироваться к сложным и динамичным электромагнитным и информационным средам, возникающим при соединении в сети связи 6G и быстро и точно реагировать на различные требования сети и сценарии приложений. Использование принципа саморазвития при формировании архитектуры позволяет базовой сети 6G Core нарушать статические архитектуры построения опорной сети, стандартизированные предопределенными протоколами, и формировать произвольные новые структуры за пределами известных форм человеческих экспертных знаний.
По сравнению с исследованиями по архитектуре сетей 5G, такими как комплексная структура анализа безопасности, основанная на машинном обучении (ML) [13, 14] для опорной сети 5G Core с целью повышения ее безопасности, интеграция ИИ и формирование архитектуры сети 6G станут в будущем неотъемлемой частью этой сети, а не внешне присоединенным приложением по ее оптимизации.
Хотя саморазвитие архитектуры сети 6G Core может быть достигнуто в соответствии с принципами множественных пересекающихся требований, идея самогенерации архитектуры опорной сети подразумевает присущую сети способность генерировать новую структуру архитектуры 6G Core для эффективной адаптации к новым телекоммуникационным средам. Поэтому опорная сеть 6G может рассматриваться как органическая сущность с ее сетевой структурой, напоминающей форму биологического организма.
Как показано на рис.3, предлагаемая интеллектуальную сущность архитектуры 6G Core под управлением внутрисетевого агента саморазвития (SEA) [14, 16], следуя базовой идее применения ИИ обучения с подкреплением для опорной сети 6G, который должен будет стремиться активно изменять архитектуру сети 6G Core.
Архитектура 6G Core, формируемая агентом SEA, должна соответствовать изменяющейся телекоммуникационной среде экосистемы 6G, получая в соответствии с алгоритмом ИИ максимально возможное вознаграждение за обратную связь с этой средой. Такой процесс обучения с подкреплением представляет собой замкнутый цикл для агента с учетом функций восприятия, рассуждения, принятия решений и исполнения, позволяя сетям автономно обучать архитектуру 6G Core, чтобы непрерывно интегрировать и оптимизировать свою существующую форму для удовлетворения новых сетевых требований и задач.
Агент саморазвития сети – это механизм оптимизации архитектуры сети 6G Core на основе ИИ, который может автоматически изменять архитектуру базовой сети 6G в ответ на меняющиеся сценарии использования услуг 6G и всей телекоммуникационной среды.
Поэтому использование стратегии саморазвития на основе использования интегрированных систем ИИ в сети мобильных сетей является более оптимальным путем развития нежели жестко структурированная архитектура сети 6G Core. В настоящее время многочисленные исследовательские работы в основном сосредоточены на использовании ИИ для оптимизации производительности и безопасности [17, 18] в таких сетевых вопросах, как распределение ресурсов беспроводной сети, планирование периферийных вычислений, распределение каналов, формирование сетевых слоев, нарезание и композиция цепочки услуг, выявление аномального трафика. Однако они, как правило, предполагают, что вся оптимизация проводится в предположении, что структура сети не может изменяться.
Таким образом, их результаты оптимизации ограничены жестко заданной сетевой архитектурой, включая формирование сетевых слоев. Поскольку этот тип оптимизации обычно можно представить как набор алгоритмов, управляемых ИИ [19], который представляет шаблон эволюции параметров сети 6G Core параллельно с вышеупомянутым шаблоном эволюции архитектуры сети. В то время как эволюция параметров сети 6G Core имеет тенденцию развивать сеть на микроуровне формирования сетевых функций с их частичной оптимизацией за короткий промежуток времени, например за секунды или минуты, эволюция архитектуры сети, напротив, фокусируется на развитии сети 6G Core на макроуровне с глобальными изменениями за длительный промежуток времени, например за дни, месяцы или даже годы.
Заключение
Формирование облика сетей радиодоступа 6G RAN и опорной сети 6G Core представляет чрезвычайно сложную научно-техническую задачу, которая будет решаться Партнерским проектом 3GPP на начальном этапе стандартизации сетей шестого поколения в Релизах 20 и 21 и последующих.
Возможность наделить архитектуру опорной сети 6G Core технологиями саморазвития для повышения ее адаптивности к окружающей телекоммуникационной среде в экосистеме 6G предполагает предоставление изменений сетевой архитектуры и протоколов связи для поддержки самообучения, самогенерации, самоэксплуатации и обслуживания сети, что в конечном итоге будет способствовать формированию оптимальной архитектуры сети 6G Core в ходе ее эксплуатации.
Необходимость учета всех принципов и технологий построения интегрированной сети в пространстве "космос − воздух − земля" на основе построения сервисно-ориентированной архитектуры сети, пронизанной алгоритмами искусственного интеллекта, может привести к такому усложнению ее функциональности, которое потребует реализации принципов технической поддержки без привлечения персонала (ZSM, Zero-touch network & Service Management).
ЛИТЕРАТУРА
ITU-R Report M.2516-0 (11/2022). Future technology trends of terrestrial International Mobile Telecommunications systems towards 2030 and beyond.
ITU-R Recommendation M.2160-0 (11/2023). Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2030 and beyond.
3GPP Doc. RP-240823. Additional considerations for 6G timeline. 2024.
3GPP Doc. RP-233985. High-level considerations for 6G timeline. 2023.
Росляков А. "Сеть-2030": взгляд МСЭ-Т на будущее сетей фиксированной связи // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2021. № 4. C. 50–59.
Тихвинский В.О., Девяткин Е.Е., Белявский В.А., Смирнов Ю.Я. Архитектура сетей 6G: принципы и особенности построения. Часть 1 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 3. С. 50–55.
Тихвинский В.О., Девяткин Е.Е., Белявский В.А., Смирнов Ю.Я. Архитектура сетей 6G: принципы и особенности построения. Часть 2 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 4. С. 44–49.
ITU-T FG NET-2030 Technical Report "Representative use cases and key network requirements for Network 2030". 2020.
Ворожищев И.В., Бочечка Г.С., Тихвинский В.О. Сравнительный анализ использования технологий UFMC и OFDM в сетях 5G // Электросвязь. 2017. № 11. С. 46–51.
Кренгель Е., Иванов П. Обзор методов неортогонального множественного доступа (NOMA) для беспроводных сетей // Беспроводные технологии. 2021. № 2. С. 31–35.
Тихвинский В.О., Девяткин Е.Е., Тихвинская М.В. MWC Barcelona 2024: выход на рубеж 5,5G // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2024. № 2. С. 20–26.
Brown G. Service-Based Architecture for 5G Core [Электронный ресурс]. URL: https://www.3g4g.co.uk/5G/5Gtech_6004_2017_11_Service-Based-Architecture-for-5G-Core-Networks_HR_Huawei.pdf (дата обращения 10.01.2025).
Saha T. et al. Machine Learning Assisted Security Analysis of 5G-Network-Connected Systems // IEEE Trans. Emerg. Top. Comput. 2022. No. 10. PP. 2006–2024.
Lu Lu et al. Architecture for Self-Evolution of 6G Core Network Based on Intelligent Decision Making [Электронный ресурс]. URL: https://www.mdpi.com/2079-9292/12/15/3255 (дата обращения 10.01.2025).
Тихвинский В.О., Байкенов А.С., Солошенко А.В. Автоматическое управление сетями 4G/5G с использованием технологий и алгоритмов SON // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2019. № 3. С. 78–87.
AI: The Bridge to 6G. Huawei Tech 2024, Issue 01 [Электронный ресурс]. URL: https://www.huawei.com/en/huaweitech/publication/202401/ai-bridge-to-6g (дата обращения 11.01.2025).
Chen D. et al. Intelligent edge computing based on machine learning for smart city // Future Generation Computer Systems. 2021. No. 115. PP. 90–99.
Jeunen O. et al. A Machine Learning Approach for IEEE 802.11 Channel Allocation // Proceedings of the 14th International Conference on Network and Service Management (CNSM). Rome, Italy, November 5–9, 2018. PP. 28–36.
Waseem M. et al. The shift to 6G communications: vision and requirements // Hum.-centric Comput. Inf. Sci. 2020. No. 10. Article number: 53.
сетей 6G
В.О.Тихвинский, д.э.н., академик РАЕН, проф. МГТУ им. Н.Э. Баумана и Севастопольского государственного университета, главный научный сотрудник Национального исследовательского центра телекоммуникаций (НИЦ Телеком) им. М.И. Кривошеева / vtniir@mail.ru,
Е.Е.Девяткин, к.э.н., директор Центра исследований перспективных беспроводных технологий связи НИЦ Телеком им. М.И. Кривошеева / deugene@list.ru,
A.A.Савочкин, к.т.н., профессор Севастопольского государственного университета /
savochkin_mail@mail.ru,
М.И.Недобежкин, к.т.н., старший научный сотрудник НИИ Минобороны России /
nmihail-30@yandex.ru
УДК 621.391.82, DOI: 10.22184/2070-8963.2025.125.1.40.48
Рассматриваются вопросы стандартизации сетей связи 6G Международным союзом электросвязи и Партнерским проектом 3GPP. Представлен график работы по стандартизации сетей 6G. Приведены взгляды вендоров и исследователей по облику сетей радиодоступа 6G RAN и опорной сети 6G Core.
Введение
Международный союз электросвязи в своих отчете МСЭ-R M.2516 [1] и Рекомендации МСЭ-R M.2160 [2] заложил основу для будущего развития сетей связи IMT-2030 (International Mobile Telecommunications-2030). Текущим этапом их развития (2024−2027 гг.) станет определение соответствующих требований и критериев оценки потенциальных технологий радиоинтерфейса (RIT) для IMT-2030. По планам МСЭ, к 2026 году будет проведена техническая оценка предложений по радиотехнологиям IMT-2030 и определены требования к сетям 6G RAN. В 2028–2030 гг. будет завершена разработка спецификаций RAN IMT-2030.
Партнерским проектом 3GPP стандартизация сетей 6G начнется с Релиза 20 формированием требований к сети радиодоступа 6G RAN и KPI. Специальная рабочая группа SID RAN-WG будет утверждена в июне 2025 года. Стандартизация 6G в 3GPP продолжится в Релизе 21. В результате работы над Релизом 21 будет представлен первый набор технических спецификаций 3GPP 6G RAN, и он станет основным документом для представления системы IMT-2030 до 2030 года. В статье рассмотрены перспективы создания сетей радиодоступа и опорных сетей 6G.
Планы 3GPP по участию в разработке сетей 6G
Работа по стандартизации будущих технологий 6G уже начата Партнерским проектом 3GPP на заседании целевой рабочей группы TSG 103 (март 2024 года) и является продолжением исследований, начатых МСЭ-R по тенденциям развития технологий IMT и видению МСЭ будущих сетей IMT-2030/6G. Согласно планам МСЭ-R [2], стандартизация радиоинтерфейса IMT-2030 в рамках МСЭ будет завершена к 2030 году, а стандартизация в рабочих группах 3GPP будет завершена немного раньше.
Поэтому, по предварительным планам 3GPP [3], первая реализуемая Техническая спецификация 3GPP для сетей 6G будет выпущена в 2028 году, а диапазоны частот для развития сетей 6G должны быть согласованы еще раньше – как результат работы будущей Всемирной радиоконференции 2027 года ВКР-27 (рис.1).
На завершившихся в марте 2024 года пленарных заседаниях целевых рабочих групп TSG RAN и SA 3GPP в Эдинбурге (Великобритания) были определены сроки работ над Релизами 20 и 21, посвященными стандартизации технологий 6G.
Первоначальные обсуждения планов стандартизации сетей 6G состоялись в рабочей группе 3GPP RAN. Они включили:
- на собрании RAN#101 (сентябрь 2023 года), которое было инициировано необходимостью взаимодействия группы RAN 3GPP с группой МСЭ-R WP5D в документе RP-231518 по завершении проекта новой Рекомендации МСЭ-R M.2160 [2], состоялось первое (очень краткое) обсуждение графика работ по 6G;
- на собрании RAN#102 (декабрь 2023 года) обсуждались предложения по будущему графику работ по 6G, включая совместную сессию TSG, в результате чего был одобрен план работ, приведенный в документе RP-233985 [4];
- на собрании RAN#103 (март 2024 года) дополнительно был обсужден график работ по 6G, включая совместную сессию рабочих групп TSG, в результате чего он был одобрен в документе RP-240823.
Временной график работы по стандартизации сети 6G, опубликованный в RP-233985, включает следующие мероприятия:
Первый семинар по 6G в масштабе целевых рабочих групп TSG, который состоится в марте 2025 года перед запланированным на июнь 2025 года замораживанием Релиза 19 RAN1.
Стандартизация сетей 6G Партнерским проектом 3GPP начиная с Релиза 20.
Стандартизация сетей IMT-2030 в МСЭ и продолжение работы над нормативными документами для 6G в Релизе 21 3GPP. В Релизе 21 будет представлен первый набор технических спецификаций 3GPP 6G, и именно он станет Релизом для представления в МСЭ в качестве описания IMT-2030. Релиз 21 будет выпущен с одним этапом разработки (т. е. с одним замораживанием).
Концепция создания и развития интегрированных сетей 6G
Согласно определению МСЭ, архитектура сети 6G (Network 2030) должна представлять "сквозную интегрированную, автоматизированную и динамическую архитектуру сети, сочетающую возможности подключения, приложения, вычислительные ресурсы и ресурсы хранения" [5].
Эта архитектура будет представлять собой эволюционный переход от существующей архитектуры наземной сети 5G (архитектуры виртуальной мобильной сети для подключения абонентов) к интегрированной архитектуре 6G с расширенной виртуализацией различных уровней сетевой архитектуры, применения методов искусственного интеллекта (ИИ) / машинного обучения, использования прикладных API-интерфейсов для автоматизации, внедрения оптических (квантовых) вычислений, а также будущих приложений, требующих огромной пропускной способности сети, а также низкой сквозной задержки и практически нулевой потери пакетов данных.
Концептуально новые подходы к построению интегрированной архитектуры мобильных сетей 6G (рис.2) будут включать [2, 6, 7]:
- внедрение интеграции наземного и воздушно-космического сегментов в архитектуру сети STIN 6G (Space-terrestrial integrated network) [8] для обеспечения соединения и оказания услуг связи "для любого абонента в любом месте в любое время";
- применение 3D-архитектуры (пространственно-распределенной трехмерной архитектуры)
использование ограниченных различными пространствами суб-сетей, интегрирующихся в глобальную сеть 6G на принципах создания архитектуры "сети из сетей";
применение сервисно-ориентированной архитектуры (SBA) в сети радиодоступа 6G RAN и опорной сети 6G Core на основе общей сверхвысокоскоростной интерфейсной шины для различных видов услуг, которая обеспечит операционную гибкость и масштабируемость сети.
Построение архитектуры сети с учетом повсеместного применения нового усовершенствованного IP-протокола (New IP).
Внедрение принципов STIN-интеграции наземного и воздушно-космического сегментов сети 6G представляет собой сценарий построения будущей полностью интегрированной инфраструктуры сетей доступа к услугам интернета и ключевым услугам сети 6G (MBRLLC, mURLLC, HCS, MPS/ISAC, AI).
Интегрированная архитектура сети 6G обладает следующими ключевыми преимуществами:
- повсеместный доступ в интернет в глобальном наземном и воздушно-космическом пространстве, включая сельские и не охваченные сегодня связью районы Земли, такие как океаны, пустыни, горные массивы за счет летающих платформ LAPs и HAPs, а также использования специальных кораблей и самолетов;
- расширенные маршруты глобального интернета для обеспечения высокой производительности доставки данных по сравнению с маршрутами по сетям наземного интернета, определяемыми конфигурациями протокола пограничного шлюза (BGP) между доменами;
- повсеместное пограничное кэширование данных, использование услуг граничных мобильных вычислений (МЕС), предоставляемые облегченными бортовыми вычислительными ресурсами и ресурсами хранения на спутниках с низкими орбитами LEO.
Сеть радиодоступа 6G
Наземная сеть 6G будет использовать открытую сетевую архитектуру сети радиодоступа 6G RAN, взаимодействующую с программно-определяемой базовой сетью 6G Core.
Физический уровень PHY сети радиодоступа 6G RAN все еще находится в стадии исследования, и, следовательно, конкретные детали относительно форм сигналов 6G, нумерологии и опорных сигналов еще не определены. Продолжение использования ортогонального метода доступа с частотным мультиплексированием (OFDMA) в сети радиодоступа 6G сделает его обратно совместимым с 5G и позволит согласовать формы сигналов и нумерологии NR. Это позволит повторно использовать большую часть существующей инфраструктуры сетей радиодоступа 5G и обеспечит плавный путь их эволюции к 6G RAN.
Таким образом, эволюционный путь развития RAN от 5G к 6G позволит использовать OFDM с единой с сетями 5G нумерологией или, по крайней мере, формы сигналов на основе быстрого преобразования Фурье, используя тот же растр частот, который определен для 5G NR. Это желательно осуществить для диапазонов частот FR1. Более того, сочетание технологии пространственно-временной обработки MIMO, OFDM и кодов, близких к коду Шеннона, доказало, что приближает физический уровень PHY к его теоретическим границам, и можно ожидать небольших улучшений от других ортогональных сигнально-кодовых конструкций с точки зрения спектральной эффективности.
Методы модуляции в будущих сетях 6G можно классифицировать на ортогональные, биортогональные и неортогональные.
Помимо классической модуляции OFDM, в сетях 6G будут использованы другие методы, а именно, ортогональные:
универсальный фильтрованный ортогональный сигнал с множеством несущих (UFMC) [5], который является объединением модуляции OFDM с фильтрацией (Filtered OFDM);
метод многочастотной модуляции с гребенчатой фильтрацией FBMC (Filter Bank MultiCarrier).
Среди биортогональных методов модуляции рассматриваются технологии модуляции на основе циклического префикса OFDM, OFDM с временным окном и биортогональное мультиплексирование c частотным разделением (FDM).
Для неортогональных схем модуляции, в которых необходимо устранить межсимвольные помехи с помощью более сложных приемников, рассматривают технологию обобщенного частотного разделение сигналов GFDM (Generalized Frequency Division Multiplex) с более быстрой, чем по Найквисту, сигнализацией.
Кроме ортогональных методов доступа в сети радиодоступа 6G RAN будет применяться неортогональный доступ (NOMA), нарушающий ортогональность путем пространственного перекрытия передаваемых поднесущих, позволяя нескольким пользователям совместно использовать временные и частотные ресурсы сети 6G.
К настоящему времени предложен целый ряд методов множественного доступа NOMA в области мощности: PD-NOMA (Power Division NOMA), множественный доступ с чередованием и разделением IDMA (Interleave Division Multiple Access); множественный доступ с распределением ресурсов RSMA (Resource Spread Multiple Access); множественный доступ CDMA (Code Division Multiple Access) с расширением кодами с низкой плотностью LDS (Low Density Spreading), или LDS-CDMA; множественный доступ с разреженным кодированием SCMA (Sparse Code Multiple Access); многопользовательский общий доступ MUSA (Multi-User Shared Access) и множественный доступ с разделением по шаблону PDMA (Pattern Dvision Multiple Access). Перечисленные методы основаны на одной и той же ключевой концепции, когда более одного пользователя обслуживается в каждом ортогональном ресурсе. Это, например, временной интервал, частотный канал, код расширения или ортогональная пространственная степень свободы [10].
Сеть радиодоступа 6G будет готова к развертыванию на существующих макросотовых сайтах, включая поддержку как традиционных распределенных (включающих элементы RU, DU, CU) сетей радиодоступа 6G RAN, так и сценариев облачного развертывания элементов сетей радиодоступа RAN.
Применение технологий радиодоступа Multi-RAT (MRSS) для совместного использования спектра также обеспечит плавный переход между сетями радиодоступа 5G и 6G для уже используемых диапазонов частот без ущерба для производительности сети 6G.
Технология агрегации несущих (СА) в сети радиодоступа 6G может быть реализована для организации "виртуальных частотных каналов" [11] и объединения возможностей по покрытию и обеспечению емкости сайтов. Для достижения той же задачи для несовмещенных сайтов 5G (gNB) и 6G (gNE) может быть востребовано использование технологии двойного подключения DC.
Сервисно-ориентированная архитектура SBA в сети 6G может распространиться по всей инфраструктуре сети через все плоскости и обеспечить сквозной охват сети (Е2Е), включая сеть радиодоступа 6G RAN, опорную сеть 6G Core и терминалы, что обеспечит гораздо более широкий охват элементов архитектуры сети и операционную гибкость, поддерживая архитектуру "сеть из сетей" и концепцию "системы из систем" для упрощения интеграции и масштабируемости подсистем.
Архитектура 6G RAN согласно требованиям Рекомендации МСЭ-R М.2160 [2] будет усовершенствована и упрощена для расширения возможностей 6G RAN. Упрощения архитектуры и расширение возможности подключения к сетям IMT-2030 будут направлены на работу по принципу "включай и работай".
Эти усовершенствования и упрощение сети 6G RAN могут быть достигнуты за счет дальнейшего развития таких сетевых технологий, как аналитика данных, новые вычислительные операции, информационные и коммуникационные технологии, внутрисетевая конвергенция.
Архитектура 6G RAN будет иметь сетевые функции RAN с поддержкой внутрисетевого искусственного интеллекта, более тонкую или легкую конструкцию стека протоколов 6G RAN, кооперацию и агрегирование узлов RAN, архитектуру сети, ориентированной на пользователя (UCN), и т. д.
Благодаря интерактивному сопоставлению в реальном времени физической и виртуальной сетей-двойников сети 6G на основе услуг цифровых двойников (DTN) которые могут помочь эффективно и интеллектуально проверять, моделировать, развертывать и управлять сетями IMT-2030/6G.
Взаимодействие наземной сети 6G RAN / IMT-2030 с ее дополнениями – неназемными сетями (NTN), включая спутниковый сегмент и базовые станции на высотной платформе в качестве базовых станций IMT (HIBS) – улучшит достижение установления соединений в сети 6G RAN, реализуя услугу повсеместного подключения абонентов [2].
Опорная сеть 6G
Опорная сеть 6G Core будет являться главной управляющей системой для сетей с интегрированной STIN-архитектурой, построенной по принципу "сеть из сетей". STIN-архитектура сети 6G будет представлять сквозную (Е2Е) интегрированную, автоматизированную и динамическую архитектуру сети, включающую инфраструктурные сетевые элементы различных доменов сети 6G, сочетающая возможности подключения абонентов, приложения, вычислительные ресурсы и ресурсы хранения. Интегрированная "сеть из сетей" 6G будет строиться, чтобы удовлетворить потребности локальных и специализированных сетей и подсетей. Поэтому архитектура интегрированной "сети из сетей" 6G будет охватывать сети различных масштабов как физических, так и виртуальных сетей: спутниковых, летающих, наземных, подводных.
К основным элементам архитектуры сети из сетей 6G на сетевом уровне относится архитектура входящих в нее сетей связи:
- наземных территориально-распределенных мобильных и транспортных;
- наземных и воздушно-космических суб-сетей ведомственного и отраслевого уровня, а также частных мобильных сетей;
- неназемных воздушно-космических пространственно распределенных сетей NTN.
Каждая из суб-сетей будет включать в себя узлы доступа gNE сети радиодоступа 6G RAN и замыкаться на единую пространственно распределенную опорную сеть 6G Core, построенную на основе принципа интеграции "сети из сетей".
В контексте построения архитектуры опорной сети 6G, следуя идее использования архитектуры SBA (Service-based Architecture) в сетях 5G [6, 7, 12, 13, 14], в 6G будет использоваться похожая на нее трехуровневая иерархическая структура, где из микросервисов образовываются сетевые функции, а совокупность сетевых функций будет формировать опорную сеть 6G.
Чтобы адаптироваться к изменяющимся сценариям, различные микросервисы могут формировать и реализовывать различные сетевые функции 6G, а затем сетевые функции объединяются в опорную сеть 6G Core для решения задач управления сетью 6G. Таким образом, автоматическая декомпозиция (разделение) и перекомпоновка сетевых элементов (сетевых функций) на каждом уровне сети 6G Core, запускаемая динамическими требованиями пользователя 6G, может обеспечивать существенный фундаментальный принцип саморазвития.
Термин "саморазвитие" (Self-evolving) при построении архитектуры опорной сети используется для обозначения интеллектуальных возможностей сети 6G Core на основе методов искусственного интеллекта, позволяющих автономно корректировать и оптимизировать свою внутреннюю структуру в ответ на изменения окружающей информационной среды в процессе эксплуатации сети. Это новая ступень эволюции технологии самоорганизующихся сетей (SON), используемых в сетях 5G для решения задач эксплуатации, администрирования и управления сетью (OAM) [15].
Реализация принципа саморазвития архитектуры сети 6G позволяет сетям лучше адаптироваться к сложным и динамичным электромагнитным и информационным средам, возникающим при соединении в сети связи 6G и быстро и точно реагировать на различные требования сети и сценарии приложений. Использование принципа саморазвития при формировании архитектуры позволяет базовой сети 6G Core нарушать статические архитектуры построения опорной сети, стандартизированные предопределенными протоколами, и формировать произвольные новые структуры за пределами известных форм человеческих экспертных знаний.
По сравнению с исследованиями по архитектуре сетей 5G, такими как комплексная структура анализа безопасности, основанная на машинном обучении (ML) [13, 14] для опорной сети 5G Core с целью повышения ее безопасности, интеграция ИИ и формирование архитектуры сети 6G станут в будущем неотъемлемой частью этой сети, а не внешне присоединенным приложением по ее оптимизации.
Хотя саморазвитие архитектуры сети 6G Core может быть достигнуто в соответствии с принципами множественных пересекающихся требований, идея самогенерации архитектуры опорной сети подразумевает присущую сети способность генерировать новую структуру архитектуры 6G Core для эффективной адаптации к новым телекоммуникационным средам. Поэтому опорная сеть 6G может рассматриваться как органическая сущность с ее сетевой структурой, напоминающей форму биологического организма.
Как показано на рис.3, предлагаемая интеллектуальную сущность архитектуры 6G Core под управлением внутрисетевого агента саморазвития (SEA) [14, 16], следуя базовой идее применения ИИ обучения с подкреплением для опорной сети 6G, который должен будет стремиться активно изменять архитектуру сети 6G Core.
Архитектура 6G Core, формируемая агентом SEA, должна соответствовать изменяющейся телекоммуникационной среде экосистемы 6G, получая в соответствии с алгоритмом ИИ максимально возможное вознаграждение за обратную связь с этой средой. Такой процесс обучения с подкреплением представляет собой замкнутый цикл для агента с учетом функций восприятия, рассуждения, принятия решений и исполнения, позволяя сетям автономно обучать архитектуру 6G Core, чтобы непрерывно интегрировать и оптимизировать свою существующую форму для удовлетворения новых сетевых требований и задач.
Агент саморазвития сети – это механизм оптимизации архитектуры сети 6G Core на основе ИИ, который может автоматически изменять архитектуру базовой сети 6G в ответ на меняющиеся сценарии использования услуг 6G и всей телекоммуникационной среды.
Поэтому использование стратегии саморазвития на основе использования интегрированных систем ИИ в сети мобильных сетей является более оптимальным путем развития нежели жестко структурированная архитектура сети 6G Core. В настоящее время многочисленные исследовательские работы в основном сосредоточены на использовании ИИ для оптимизации производительности и безопасности [17, 18] в таких сетевых вопросах, как распределение ресурсов беспроводной сети, планирование периферийных вычислений, распределение каналов, формирование сетевых слоев, нарезание и композиция цепочки услуг, выявление аномального трафика. Однако они, как правило, предполагают, что вся оптимизация проводится в предположении, что структура сети не может изменяться.
Таким образом, их результаты оптимизации ограничены жестко заданной сетевой архитектурой, включая формирование сетевых слоев. Поскольку этот тип оптимизации обычно можно представить как набор алгоритмов, управляемых ИИ [19], который представляет шаблон эволюции параметров сети 6G Core параллельно с вышеупомянутым шаблоном эволюции архитектуры сети. В то время как эволюция параметров сети 6G Core имеет тенденцию развивать сеть на микроуровне формирования сетевых функций с их частичной оптимизацией за короткий промежуток времени, например за секунды или минуты, эволюция архитектуры сети, напротив, фокусируется на развитии сети 6G Core на макроуровне с глобальными изменениями за длительный промежуток времени, например за дни, месяцы или даже годы.
Заключение
Формирование облика сетей радиодоступа 6G RAN и опорной сети 6G Core представляет чрезвычайно сложную научно-техническую задачу, которая будет решаться Партнерским проектом 3GPP на начальном этапе стандартизации сетей шестого поколения в Релизах 20 и 21 и последующих.
Возможность наделить архитектуру опорной сети 6G Core технологиями саморазвития для повышения ее адаптивности к окружающей телекоммуникационной среде в экосистеме 6G предполагает предоставление изменений сетевой архитектуры и протоколов связи для поддержки самообучения, самогенерации, самоэксплуатации и обслуживания сети, что в конечном итоге будет способствовать формированию оптимальной архитектуры сети 6G Core в ходе ее эксплуатации.
Необходимость учета всех принципов и технологий построения интегрированной сети в пространстве "космос − воздух − земля" на основе построения сервисно-ориентированной архитектуры сети, пронизанной алгоритмами искусственного интеллекта, может привести к такому усложнению ее функциональности, которое потребует реализации принципов технической поддержки без привлечения персонала (ZSM, Zero-touch network & Service Management).
ЛИТЕРАТУРА
ITU-R Report M.2516-0 (11/2022). Future technology trends of terrestrial International Mobile Telecommunications systems towards 2030 and beyond.
ITU-R Recommendation M.2160-0 (11/2023). Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2030 and beyond.
3GPP Doc. RP-240823. Additional considerations for 6G timeline. 2024.
3GPP Doc. RP-233985. High-level considerations for 6G timeline. 2023.
Росляков А. "Сеть-2030": взгляд МСЭ-Т на будущее сетей фиксированной связи // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2021. № 4. C. 50–59.
Тихвинский В.О., Девяткин Е.Е., Белявский В.А., Смирнов Ю.Я. Архитектура сетей 6G: принципы и особенности построения. Часть 1 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 3. С. 50–55.
Тихвинский В.О., Девяткин Е.Е., Белявский В.А., Смирнов Ю.Я. Архитектура сетей 6G: принципы и особенности построения. Часть 2 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 4. С. 44–49.
ITU-T FG NET-2030 Technical Report "Representative use cases and key network requirements for Network 2030". 2020.
Ворожищев И.В., Бочечка Г.С., Тихвинский В.О. Сравнительный анализ использования технологий UFMC и OFDM в сетях 5G // Электросвязь. 2017. № 11. С. 46–51.
Кренгель Е., Иванов П. Обзор методов неортогонального множественного доступа (NOMA) для беспроводных сетей // Беспроводные технологии. 2021. № 2. С. 31–35.
Тихвинский В.О., Девяткин Е.Е., Тихвинская М.В. MWC Barcelona 2024: выход на рубеж 5,5G // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2024. № 2. С. 20–26.
Brown G. Service-Based Architecture for 5G Core [Электронный ресурс]. URL: https://www.3g4g.co.uk/5G/5Gtech_6004_2017_11_Service-Based-Architecture-for-5G-Core-Networks_HR_Huawei.pdf (дата обращения 10.01.2025).
Saha T. et al. Machine Learning Assisted Security Analysis of 5G-Network-Connected Systems // IEEE Trans. Emerg. Top. Comput. 2022. No. 10. PP. 2006–2024.
Lu Lu et al. Architecture for Self-Evolution of 6G Core Network Based on Intelligent Decision Making [Электронный ресурс]. URL: https://www.mdpi.com/2079-9292/12/15/3255 (дата обращения 10.01.2025).
Тихвинский В.О., Байкенов А.С., Солошенко А.В. Автоматическое управление сетями 4G/5G с использованием технологий и алгоритмов SON // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2019. № 3. С. 78–87.
AI: The Bridge to 6G. Huawei Tech 2024, Issue 01 [Электронный ресурс]. URL: https://www.huawei.com/en/huaweitech/publication/202401/ai-bridge-to-6g (дата обращения 11.01.2025).
Chen D. et al. Intelligent edge computing based on machine learning for smart city // Future Generation Computer Systems. 2021. No. 115. PP. 90–99.
Jeunen O. et al. A Machine Learning Approach for IEEE 802.11 Channel Allocation // Proceedings of the 14th International Conference on Network and Service Management (CNSM). Rome, Italy, November 5–9, 2018. PP. 28–36.
Waseem M. et al. The shift to 6G communications: vision and requirements // Hum.-centric Comput. Inf. Sci. 2020. No. 10. Article number: 53.
Отзывы читателей
