eng
Выпуск #3/2022
В.Тихвинский, Е.Девяткин, В.Белявский, Ю.Смирнов
АРХИТЕКТУРА СЕТЕЙ 6G: ПРИНЦИПЫ И ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ. ЧАСТЬ 1
АРХИТЕКТУРА СЕТЕЙ 6G: ПРИНЦИПЫ И ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ. ЧАСТЬ 1
Просмотры: 564
DOI: 10.22184/2070-8963.2022.103.3.50.56
Статья посвящена анализу принципов и особенностей построения архитектуры сетей шестого поколения (6G) с учетом сформированного на сегодняшний день видения развития и облика сетей мобильной связи международными и национальными проектами сетей 6G, а также Международным союзом электросвязи и государственно-частным партнерским проектом 5GPPP. В первой части статьи представлены принципы построения архитектуры сети 6G, в том числе сквозной сетевой протокол New IP, описывается общая архитектура сети 6G.
Статья посвящена анализу принципов и особенностей построения архитектуры сетей шестого поколения (6G) с учетом сформированного на сегодняшний день видения развития и облика сетей мобильной связи международными и национальными проектами сетей 6G, а также Международным союзом электросвязи и государственно-частным партнерским проектом 5GPPP. В первой части статьи представлены принципы построения архитектуры сети 6G, в том числе сквозной сетевой протокол New IP, описывается общая архитектура сети 6G.
Теги: 6g network architecture 6g networks end-to-end new ip network protocol архитектура сетей 6g сети 6g сквозной сетевой протокол new ip
АРХИТЕКТУРА СЕТЕЙ 6G: принципы и особенности построения. Часть 1
В.Тихвинский, д.э.н., академик РАЕН, проф. МВТУ им. Н.Э. Баумана,
главный научный сотрудник ФГУП НИИР им. М.И. Кривошеева / vtniir@mail.ru,
Е.Девяткин, к.э.н., директор НТЦ ФГУП НИИР им. М.И. Кривошеева / deugene@list.ru,
В.Белявский, директор департамента ООО "Спектр" / v.belyavskiy@spectre.ru,
Ю.Смирнов, к.т.н., начальник отдела НИИ Минобороны РФ
УДК 621.391.82, DOI: 10.22184/2070-8963.2022.103.3.50.56
Статья посвящена анализу принципов и особенностей построения архитектуры сетей шестого поколения (6G) с учетом сформированного на сегодняшний день видения развития и облика сетей мобильной связи международными и национальными проектами сетей 6G, а также Международным союзом электросвязи (МСЭ) и государственно-частным партнерским проектом 5GPPP. В первой части статьи представлены принципы построения архитектуры сети 6G, в том числе сквозной сетевой протокол New IP, описывается общая архитектура сети 6G.
Введение
Сети мобильной связи шестого поколения (6G) представляют собой эволюцию сетей 5G Advanced как перспективу развития телекоммуникаций за пределы 2030-х годов, которая обеспечивает инфраструктурную интеграцию воздушно-космических сетей связи для дальнейшего развития и совершенствования цифровой экономики РФ. Концепция создания и облик сетей мобильной связи 6G будут определять будущую архитектуру сети, которая должна реализовать принцип обеспечения соединения и оказания услуг связи "для любого абонента в любом месте в любое время".
Обеспечение принципа соединения в любом месте с любым абонентом подразумевает наличие воздушно-космического сегмента в архитектуре сети в дополнение к традиционной наземной сети мобильной связи, что соответственно будет расширять и дополнять наземную архитектуру новыми элементами воздушных и спутниковых сетей.
Согласно определению МСЭ, архитектура сети 6G (Network 2030) будет представлять "сквозную интегрированную, автоматизированную и динамическую архитектуру сети, сочетающую возможности подключения, приложения, вычислительные ресурсы и ресурсы хранения" [1]. Эта архитектура будет являться эволюционным переходом от существующей сервис-ориентированной архитектуры 5G (архитектуры подключения абонентов) к архитектуре с расширенной виртуализацией различных уровней сетевой архитектуры, применением методов искусственного интеллекта (ИИ)/машинного обучения, использованием прикладных API-интерфейсов для автоматизации, внедрением оптических (квантовых) вычислений, а также будущих приложений, требующих огромной пропускной способности сети, а также низкой сквозной задержки (менее 2 мс) и практически нулевой потери пакетов данных.
Концепция построения программно- и сервис-ориентированной архитектуры (SBA), реализованная в пятом поколении сетей мобильной связи для оказания услуг интернет, уходит от модели "один клиент − один сервер". При построении архитектуры сети 5G этот подход был ограничен функциональными возможностями плоскости управления и возможностями базовой сети (CN), а также применением архитектуры управления сетью на основе услуг (SBMA) без полного перехода к сквозной SBA. При этом в сети 5G используется абонентское оборудование, работающее с логически распределенными узлами сети радиодоступа (RAN).
Как ожидается, в сети шестого поколения сервис-ориентированная архитектура SBA может распространиться по всей инфраструктуре сети через все плоскости: управления, контроля и абонента, и обеспечить сквозной охват сети (Е2Е), включая опорную сеть 6G Core, сеть радиодоступа 6G RAN и терминалы. Это сделает гораздо более широкий охват элементов архитектуры сети 6G возможностями SBA и создаст операционную гибкость, обеспечив поддержку архитектуры, создаваемую как "сеть из сетей" и реализацию концепции "системы из систем" для упрощения интеграции и масштабируемости подсистем 6G.
Архитектура мобильных сетей 6G должна быть гибкой и эффективной, чтобы обеспечить простую интеграцию всех сетей, входящих в воздушно-космическую и наземную части сети 6G, то есть создание сети из сетей, включая узлы радиодоступа, использующие частоты выше 100 ГГц [2], транспортные сети, обеспечивающие межсетевое взаимодействие, не-наземные сети NTN и наземные сети связи, а также новые возможности ИИ и возможности локальных и распределенных вычислений [3].
В частности, интеграция элементов не-наземных сетей NTN (например, спутниковых сетей LEO, MEO, GEO и общесетевых воздушных/космических узлов доступа, которые могут быть связаны между собой) предлагает расширенное и дополнительное покрытие сети для подключения, а также возможности распределенных хранилищ данных и вычислительных услуг. Чтобы реализовать эту новую архитектуру интеллектуальных услуг и взаимодействия в вертикальных и связанных цепочках создания стоимости [4], архитектура 6G должна иметь возможность интегрировать критически важные сети с надежностью, доступностью и отказоустойчивостью, превышающей традиционные услуги 5G URLLC, предоставляя гибкость построения инфраструктуры для обеспечения непрерывности в обслуживании.
Принципы построения архитектуры сети 6G
Основными принципами построения архитектуры сети мобильной связи 6G должны стать способности обеспечивать более высокую степень инфраструктурной гибкости и функциональности, что показано в исследованиях [4, 5]. Это позволит сети 6G c расширенными и адаптируемыми функциями архитектуры поддерживать новые варианты использования интеграции выделенных/специальных /производственных сетей вертикальных отраслей "Индустрии 4.0", предлагая при этом мобильные сети и для целей общего доступа, и в качестве частных интеллектуальных сетей для предоставления услуг в смешанных бизнес-средах и рынках (например, в таких отраслях, как логистика, производство, сельское хозяйство, энергетические сети и цифровое образование).
Прогностический анализ облика сетей 6G [6–9] показывает, что в основе их архитектуры будут применены следующие принципы, отражающие инновационные подходы к построению мобильных сетей связи:
Ключевые особенности построения архитектуры сетей 6G будут включать использование интеллектуальных функций сетевого управления и сетевого контроля, программируемости сетевых элементов и функций сети, интеграцию измерения, датчиков и связи, сокращение энергопотребления, использование надежной инфраструктуры, масштабируемость и доступность.
Архитектура 6G должна быть достаточно гибкой и эффективной, чтобы обеспечить простую интеграцию всех подсистем и элементов, включая сети нижнего уровня, например создание одних сетей из других, взаимную интеграцию услуг связи, определение местоположения (позиционирование) и зондирование, интеграцию воздушно-космических не-наземных сетей и территориально-распределенных сетей наземной связи, интеграцию новых средств сетевой поддержки на базе ИИ, а также локальных и распределенных вычислительных сетевых ресурсов.
Целью STIN-интеграции наземного и воздушно-космического сегментов сети 6G является использование взаимосвязанных спутников на низкой околоземной орбите LEO и других не-наземных летающих сетевых узлов доступа на низковысотных (LAPs) [12] и высокоподнятых (HAPs) [13] платформах для создания воздушно-космической сети интернет, которая может взаимодействовать с наземным сегментом этой сети.
На рис.1. представлен вариант построения многоуровневой архитектуры наземно-космической интегрированной STIN-сети для построения сети 6G [14].
В такой интегрированной структуре сети 6G реализованы ключевые преимущества, которые обеспечивают:
По сравнению с существующей инфраструктурой сетей спутниковой связи одной из важных функций будет возможность будущих мобильных устройств 6G (смартфоны, планшеты и т. д.) напрямую связываться с локально доступным спутником LEO без необходимости использовать соединения через традиционную инфраструктуру наземных сетей, которые ограничены территориальным распределением базовых станций и узлов доступа.
Сквозной сетевой протокол New IP
Одной из важнейших инноваций в архитектуре сети 6G станет сквозное использование протокола New IP вместо устаревшего IP-протокола с версиями IPv4 и IPv6. Однако решение этого технического вопроса политизируется специалистами американской технологической зоны.
Как отмечается в [15], необходимость создания и использования в сети 6G протокола New IP будет обусловлена следующим. Сеть 6G будет объединять как наземные, так и не-наземные сети связи NTN. При этом протоколы TCP/IP, используемые в сетях наземной мобильной связи, не подходят для сетей не-наземной связи, включая элементы сети спутниковой связи, потому что протокол TCP/IP уменьшает эффективность сетей спутниковой связи из-за наличия большой задержки в передаче данных, сверхширокой полосы пропускания и более высокой частоты ошибок по битам. Следовательно, требуется модификация протокола TCP/IP для эффективной поддержки как наземных, так и не-наземных сетей связи. Поскольку в упомянутых типах сетей связи реализованы разные протоколы, то обеспечение совместимости последних будет создавать проблемы [16].
Существующая архитектура стека интернет-протокола (сетевая модель TCP/IP) изначально была разработана для передачи данных и за последние 40 лет глубоко проникла в архитектуру мобильных сетей. Однако сегодня интернет столкнулся с множеством беспрецедентных проблем и не может гарантировать устранения ограничений, формируемых в будущем новыми приложениями мобильных сетей (например, устанавливаемые пределы пропускной способности и задержки).
В последние годы некоторые протоколы, построенные на основе TCP/IP, такие как QUIC (Quick UDP Internet Connections), в некоторой степени облегчили эти проблемы.
К сожалению, эти patch-подобные протоколы усложняют интернет и не могут полностью исправить имеющиеся недостатки. Это приводит к необходимости модернизации протоколов TCP/IP, и ожидается, что новые разработки позволят предоставлять услуги, выходящие за рамки сквозной транспортировки данных.
Инновации, введенные в протокол New IP, состоят из трех частей: адресация, предоставление услуг на основе соглашений и связанных с полезной нагрузкой в IP, что приводит к новому сетевому уровню, называемому New IP. Третья часть инноваций − блок Contract − протокола New IP позволит управлять качеством услуг сети на основе использования информации о заключенном уровне SLA и подписки абонента сети 6G.
Протокол New IP как новый объединяющий сетевой уровень простирается как выше, так и ниже пресловутого третьего уровня, чтобы обеспечить интеграцию функций транспортного и канального уровней в возможности обслуживания. Концепция данного протокола обеспечивает новую схему пакетирования, которая переводит IP в расширяемый формат пакета, как показано на рис.2.
Новые IP-пакеты будут разделены на три компонента, которые отличаются от текущего IP-адреса следующим образом:
Более конкретные подробности о новом формате и структуре IP обсуждаются в новых спецификациях [15–17]. Переход с текущего IP-адреса на новый может происходить между компонентами совершенно независимо. Например, его изначально расширяемая природа, в первую очередь за счет новых IP-контрактов, позволяет внедрять межуровневые инновации, используя возможности нижележащих канальных уровней (Ethernet, оптический и т. д.), а также выполнять функции управления перегрузкой внутри сети и потоком для транспорта.
Специфические для приложения функции могут по-прежнему разрабатываться на конечных хостах, сохраняя жизненно важные характеристики сквозного принципа.
Протокол New IP также включает в себя развитие соответствующих протоколов контроля, маршрутизации и управления. Эти решения сильно зависят от формата пакета, используемого для сетей 6G. Следовательно, решение и консенсус в отношении того, что будет передаваться по сети, должны стать первым шагом на пути к эволюции сетевого протокола. Наконец, не все требования к приложениям подпадают под требования сетей 6G, и существующая модель интернета должна работать с новым протоколом New IP, поэтому обратная совместимость является критической характеристикой этого протокола.
При этом учитывается, что существующие схемы адресов (например, IPv4 и IPv6) соответствуют формату нового New IP-пакета. Изменения полезной нагрузки или адресации необязательны, когда в них нет необходимости. New IP может работать с существующей семантикой и предоставляет компоненты для дополнительных услуг в сетях 6G.
Общая архитектура сети 6G
Целью построения 3D-архитектуры воздушно-космической сети мобильной связи шестого поколения является необходимость расширения пространства покрытия и обеспечения соединения абонентов в любом месте в любое время, что существенно расширяет требования к обеспечению глубины покрытия услугами интегрированной сети связи 6G.
Существующая сетевая архитектура сетей поколений 2G−5G, основанная на унаследованной наземной территориально-распределенной сотовой инфраструктуре, имеет два следующих недостатка:
Чтобы устранить указанные выше недостатки, сеть 6G будет объединять воздушно-космические не-наземные сети NTN для обеспечения полного беспроводного покрытия всего 3D-пространства зон обслуживания [18]. Облик интегрированной сети связи 6G, охватывающей пространства "космос − воздух − земля − море" (рис.3), рассмотрен в работе [19].
К основным элементам архитектуры сети 6G на уровне сетей относится архитектура подсистем связи:
Каждая из подсистем и суб-сетей будет включать в себя узлы радиодоступа и замыкаться на единую пространственно-распределенную опорную сеть 6G Core на основе принципа интеграции сети из сетей.
В классическом понимании как территориально-распределенная часть сети сеть 6G будет включать:
На уровне сети радиодоступа 6G RAN основными элементами будут узлы доступа, использующие радиотехнологии, а также технологии терагерцовые и оптические.
Опорная сеть 6G Core будет включать функциональные модули, реализующие управление сети в целом и обеспечивающие построение сервисно-ориентированной архитектуры сети при оказании услуг 6G.
Сети 6G также должны обеспечить связь под водой. Однако подводная среда является совершенно другим сценарием по сравнению с воздухом или космосом. Подводная среда непредсказуема и сложна, характеризуется высоким затуханием сигнала, влияет на возможности физического повреждения оборудования на больших глубинах и создает сложности в развертывании подводной части сети 6G.
В соленой воде радиосигналы сильно ослабляются, поэтому акустическая связь − единственный вариант для передачи данных из сети 6G к пилотируемым и беспилотным подводным аппаратам. Развертывание подводных узлов акустической связи как подсистемы сети 6G − дело дорогое и сложное, поэтому плотность таких узлов должна быть низкой.
Подвижность узлов акустической связи затруднена из-за колебаний потока и плотности воды. Подводные датчики движения разработаны с учетом дополнительной защиты от подводной среды. Более того, для такой связи требуются сложные трансиверы и большой объем памяти. При разработке источников питания следует иметь в виду, что солнечная энергия не может использоваться в подводных условиях. Выход из строя подводных датчиков ускоряют загрязнение и коррозия. Таким образом, чтобы обеспечить эффективную подводную связь в сети 6G, необходимо преодолеть проблемы влияния подводных условий на распространение сигналов и эксплуатацию сети. ■
В.Тихвинский, д.э.н., академик РАЕН, проф. МВТУ им. Н.Э. Баумана,
главный научный сотрудник ФГУП НИИР им. М.И. Кривошеева / vtniir@mail.ru,
Е.Девяткин, к.э.н., директор НТЦ ФГУП НИИР им. М.И. Кривошеева / deugene@list.ru,
В.Белявский, директор департамента ООО "Спектр" / v.belyavskiy@spectre.ru,
Ю.Смирнов, к.т.н., начальник отдела НИИ Минобороны РФ
УДК 621.391.82, DOI: 10.22184/2070-8963.2022.103.3.50.56
Статья посвящена анализу принципов и особенностей построения архитектуры сетей шестого поколения (6G) с учетом сформированного на сегодняшний день видения развития и облика сетей мобильной связи международными и национальными проектами сетей 6G, а также Международным союзом электросвязи (МСЭ) и государственно-частным партнерским проектом 5GPPP. В первой части статьи представлены принципы построения архитектуры сети 6G, в том числе сквозной сетевой протокол New IP, описывается общая архитектура сети 6G.
Введение
Сети мобильной связи шестого поколения (6G) представляют собой эволюцию сетей 5G Advanced как перспективу развития телекоммуникаций за пределы 2030-х годов, которая обеспечивает инфраструктурную интеграцию воздушно-космических сетей связи для дальнейшего развития и совершенствования цифровой экономики РФ. Концепция создания и облик сетей мобильной связи 6G будут определять будущую архитектуру сети, которая должна реализовать принцип обеспечения соединения и оказания услуг связи "для любого абонента в любом месте в любое время".
Обеспечение принципа соединения в любом месте с любым абонентом подразумевает наличие воздушно-космического сегмента в архитектуре сети в дополнение к традиционной наземной сети мобильной связи, что соответственно будет расширять и дополнять наземную архитектуру новыми элементами воздушных и спутниковых сетей.
Согласно определению МСЭ, архитектура сети 6G (Network 2030) будет представлять "сквозную интегрированную, автоматизированную и динамическую архитектуру сети, сочетающую возможности подключения, приложения, вычислительные ресурсы и ресурсы хранения" [1]. Эта архитектура будет являться эволюционным переходом от существующей сервис-ориентированной архитектуры 5G (архитектуры подключения абонентов) к архитектуре с расширенной виртуализацией различных уровней сетевой архитектуры, применением методов искусственного интеллекта (ИИ)/машинного обучения, использованием прикладных API-интерфейсов для автоматизации, внедрением оптических (квантовых) вычислений, а также будущих приложений, требующих огромной пропускной способности сети, а также низкой сквозной задержки (менее 2 мс) и практически нулевой потери пакетов данных.
Концепция построения программно- и сервис-ориентированной архитектуры (SBA), реализованная в пятом поколении сетей мобильной связи для оказания услуг интернет, уходит от модели "один клиент − один сервер". При построении архитектуры сети 5G этот подход был ограничен функциональными возможностями плоскости управления и возможностями базовой сети (CN), а также применением архитектуры управления сетью на основе услуг (SBMA) без полного перехода к сквозной SBA. При этом в сети 5G используется абонентское оборудование, работающее с логически распределенными узлами сети радиодоступа (RAN).
Как ожидается, в сети шестого поколения сервис-ориентированная архитектура SBA может распространиться по всей инфраструктуре сети через все плоскости: управления, контроля и абонента, и обеспечить сквозной охват сети (Е2Е), включая опорную сеть 6G Core, сеть радиодоступа 6G RAN и терминалы. Это сделает гораздо более широкий охват элементов архитектуры сети 6G возможностями SBA и создаст операционную гибкость, обеспечив поддержку архитектуры, создаваемую как "сеть из сетей" и реализацию концепции "системы из систем" для упрощения интеграции и масштабируемости подсистем 6G.
Архитектура мобильных сетей 6G должна быть гибкой и эффективной, чтобы обеспечить простую интеграцию всех сетей, входящих в воздушно-космическую и наземную части сети 6G, то есть создание сети из сетей, включая узлы радиодоступа, использующие частоты выше 100 ГГц [2], транспортные сети, обеспечивающие межсетевое взаимодействие, не-наземные сети NTN и наземные сети связи, а также новые возможности ИИ и возможности локальных и распределенных вычислений [3].
В частности, интеграция элементов не-наземных сетей NTN (например, спутниковых сетей LEO, MEO, GEO и общесетевых воздушных/космических узлов доступа, которые могут быть связаны между собой) предлагает расширенное и дополнительное покрытие сети для подключения, а также возможности распределенных хранилищ данных и вычислительных услуг. Чтобы реализовать эту новую архитектуру интеллектуальных услуг и взаимодействия в вертикальных и связанных цепочках создания стоимости [4], архитектура 6G должна иметь возможность интегрировать критически важные сети с надежностью, доступностью и отказоустойчивостью, превышающей традиционные услуги 5G URLLC, предоставляя гибкость построения инфраструктуры для обеспечения непрерывности в обслуживании.
Принципы построения архитектуры сети 6G
Основными принципами построения архитектуры сети мобильной связи 6G должны стать способности обеспечивать более высокую степень инфраструктурной гибкости и функциональности, что показано в исследованиях [4, 5]. Это позволит сети 6G c расширенными и адаптируемыми функциями архитектуры поддерживать новые варианты использования интеграции выделенных/специальных /производственных сетей вертикальных отраслей "Индустрии 4.0", предлагая при этом мобильные сети и для целей общего доступа, и в качестве частных интеллектуальных сетей для предоставления услуг в смешанных бизнес-средах и рынках (например, в таких отраслях, как логистика, производство, сельское хозяйство, энергетические сети и цифровое образование).
Прогностический анализ облика сетей 6G [6–9] показывает, что в основе их архитектуры будут применены следующие принципы, отражающие инновационные подходы к построению мобильных сетей связи:
- интеграция наземного и воздушно-космического сегментов в архитектуру сети (STIN–архитектура) для обеспечения соединения и оказания услуг связи "для любого абонента в любом месте в любое время";
- наземное, воздушное и космическое;
- использование локальных суб-сетей, интегрирующихся в глобальную сеть 6G на принципах создания архитектуры "сети из сетей";
- использование сервис-ориентированной архитектуры SBA [10] в опорной сети 6G Core на основе общей интерфейсной шины для различных видов услуг, которая обеспечит операционную гибкость и масштабируемость;
- построение архитектуры сети на основе повсеместного применения нового усовершенствованного IP-протокола (New IP) [11].
Ключевые особенности построения архитектуры сетей 6G будут включать использование интеллектуальных функций сетевого управления и сетевого контроля, программируемости сетевых элементов и функций сети, интеграцию измерения, датчиков и связи, сокращение энергопотребления, использование надежной инфраструктуры, масштабируемость и доступность.
Архитектура 6G должна быть достаточно гибкой и эффективной, чтобы обеспечить простую интеграцию всех подсистем и элементов, включая сети нижнего уровня, например создание одних сетей из других, взаимную интеграцию услуг связи, определение местоположения (позиционирование) и зондирование, интеграцию воздушно-космических не-наземных сетей и территориально-распределенных сетей наземной связи, интеграцию новых средств сетевой поддержки на базе ИИ, а также локальных и распределенных вычислительных сетевых ресурсов.
Целью STIN-интеграции наземного и воздушно-космического сегментов сети 6G является использование взаимосвязанных спутников на низкой околоземной орбите LEO и других не-наземных летающих сетевых узлов доступа на низковысотных (LAPs) [12] и высокоподнятых (HAPs) [13] платформах для создания воздушно-космической сети интернет, которая может взаимодействовать с наземным сегментом этой сети.
На рис.1. представлен вариант построения многоуровневой архитектуры наземно-космической интегрированной STIN-сети для построения сети 6G [14].
В такой интегрированной структуре сети 6G реализованы ключевые преимущества, которые обеспечивают:
- повсеместный доступ в интернет, включая сельские районы, океаны, пустыни, при помощи движущихся телекоммуникационных платформ, размещенных на спутниках, на кораблях и беспилотных воздушных судах или самолетах;
- расширенные маршруты интернета, которые могут привести к более высокой производительности доставки данных по сравнению с маршрутами по наземной сети, определяемыми конфигурациями протокола пограничного шлюза (BGP) между доменами;
- повсеместное пограничное кэширование и услуги граничных вычислений, предоставляемые облегченными бортовыми вычислительными ресурсами (малыми данными) и ресурсами хранения на спутниках LEO.
По сравнению с существующей инфраструктурой сетей спутниковой связи одной из важных функций будет возможность будущих мобильных устройств 6G (смартфоны, планшеты и т. д.) напрямую связываться с локально доступным спутником LEO без необходимости использовать соединения через традиционную инфраструктуру наземных сетей, которые ограничены территориальным распределением базовых станций и узлов доступа.
Сквозной сетевой протокол New IP
Одной из важнейших инноваций в архитектуре сети 6G станет сквозное использование протокола New IP вместо устаревшего IP-протокола с версиями IPv4 и IPv6. Однако решение этого технического вопроса политизируется специалистами американской технологической зоны.
Как отмечается в [15], необходимость создания и использования в сети 6G протокола New IP будет обусловлена следующим. Сеть 6G будет объединять как наземные, так и не-наземные сети связи NTN. При этом протоколы TCP/IP, используемые в сетях наземной мобильной связи, не подходят для сетей не-наземной связи, включая элементы сети спутниковой связи, потому что протокол TCP/IP уменьшает эффективность сетей спутниковой связи из-за наличия большой задержки в передаче данных, сверхширокой полосы пропускания и более высокой частоты ошибок по битам. Следовательно, требуется модификация протокола TCP/IP для эффективной поддержки как наземных, так и не-наземных сетей связи. Поскольку в упомянутых типах сетей связи реализованы разные протоколы, то обеспечение совместимости последних будет создавать проблемы [16].
Существующая архитектура стека интернет-протокола (сетевая модель TCP/IP) изначально была разработана для передачи данных и за последние 40 лет глубоко проникла в архитектуру мобильных сетей. Однако сегодня интернет столкнулся с множеством беспрецедентных проблем и не может гарантировать устранения ограничений, формируемых в будущем новыми приложениями мобильных сетей (например, устанавливаемые пределы пропускной способности и задержки).
В последние годы некоторые протоколы, построенные на основе TCP/IP, такие как QUIC (Quick UDP Internet Connections), в некоторой степени облегчили эти проблемы.
К сожалению, эти patch-подобные протоколы усложняют интернет и не могут полностью исправить имеющиеся недостатки. Это приводит к необходимости модернизации протоколов TCP/IP, и ожидается, что новые разработки позволят предоставлять услуги, выходящие за рамки сквозной транспортировки данных.
Инновации, введенные в протокол New IP, состоят из трех частей: адресация, предоставление услуг на основе соглашений и связанных с полезной нагрузкой в IP, что приводит к новому сетевому уровню, называемому New IP. Третья часть инноваций − блок Contract − протокола New IP позволит управлять качеством услуг сети на основе использования информации о заключенном уровне SLA и подписки абонента сети 6G.
Протокол New IP как новый объединяющий сетевой уровень простирается как выше, так и ниже пресловутого третьего уровня, чтобы обеспечить интеграцию функций транспортного и канального уровней в возможности обслуживания. Концепция данного протокола обеспечивает новую схему пакетирования, которая переводит IP в расширяемый формат пакета, как показано на рис.2.
Новые IP-пакеты будут разделены на три компонента, которые отличаются от текущего IP-адреса следующим образом:
- заголовок будет развиваться, чтобы обеспечить большую гибкость в отношении того, как можно обращаться к системам. Он сможет поддерживать широкий спектр схем адресации с различной адресной структурой, семантикой и длиной. Заголовок также будет направлен на исправление связанных с безопасностью аспектов существующих заголовков IP-адресов, таких как неаутентифицированные исходные адреса, которые сегодня являются факторами, способствующими широкому спектру атак;
- полезная нагрузка пользователя будет предлагать дополнительную поддержку, которая позволяет приложениям структурировать полезную нагрузку, дифференцированно обрабатывать ее в сети и облегчать использование усовершенствованных схем сетевого кодирования. Это будет достигнуто без ущерба конфиденциальности данных полезной нагрузки пользователя;
Более конкретные подробности о новом формате и структуре IP обсуждаются в новых спецификациях [15–17]. Переход с текущего IP-адреса на новый может происходить между компонентами совершенно независимо. Например, его изначально расширяемая природа, в первую очередь за счет новых IP-контрактов, позволяет внедрять межуровневые инновации, используя возможности нижележащих канальных уровней (Ethernet, оптический и т. д.), а также выполнять функции управления перегрузкой внутри сети и потоком для транспорта.
Специфические для приложения функции могут по-прежнему разрабатываться на конечных хостах, сохраняя жизненно важные характеристики сквозного принципа.
Протокол New IP также включает в себя развитие соответствующих протоколов контроля, маршрутизации и управления. Эти решения сильно зависят от формата пакета, используемого для сетей 6G. Следовательно, решение и консенсус в отношении того, что будет передаваться по сети, должны стать первым шагом на пути к эволюции сетевого протокола. Наконец, не все требования к приложениям подпадают под требования сетей 6G, и существующая модель интернета должна работать с новым протоколом New IP, поэтому обратная совместимость является критической характеристикой этого протокола.
При этом учитывается, что существующие схемы адресов (например, IPv4 и IPv6) соответствуют формату нового New IP-пакета. Изменения полезной нагрузки или адресации необязательны, когда в них нет необходимости. New IP может работать с существующей семантикой и предоставляет компоненты для дополнительных услуг в сетях 6G.
Общая архитектура сети 6G
Целью построения 3D-архитектуры воздушно-космической сети мобильной связи шестого поколения является необходимость расширения пространства покрытия и обеспечения соединения абонентов в любом месте в любое время, что существенно расширяет требования к обеспечению глубины покрытия услугами интегрированной сети связи 6G.
Существующая сетевая архитектура сетей поколений 2G−5G, основанная на унаследованной наземной территориально-распределенной сотовой инфраструктуре, имеет два следующих недостатка:
- невозможность удовлетворить сценарии высокогорной и подводной (глубоководной) связи;
- непомерно дорогая стоимость обеспечения плотных сотовых сетей для достижения возможности подключения в любой точке (малонаселенной местности, пустыне, океане).
Чтобы устранить указанные выше недостатки, сеть 6G будет объединять воздушно-космические не-наземные сети NTN для обеспечения полного беспроводного покрытия всего 3D-пространства зон обслуживания [18]. Облик интегрированной сети связи 6G, охватывающей пространства "космос − воздух − земля − море" (рис.3), рассмотрен в работе [19].
К основным элементам архитектуры сети 6G на уровне сетей относится архитектура подсистем связи:
- наземных территориально-распределенных мобильных и транспортных сетей;
- наземных и воздушно-космических суб-сетей ведомственного и отраслевого уровня, а также частных мобильных сетей;
- не-наземных воздушно-космических пространственно-распределенных сетей NTN.
Каждая из подсистем и суб-сетей будет включать в себя узлы радиодоступа и замыкаться на единую пространственно-распределенную опорную сеть 6G Core на основе принципа интеграции сети из сетей.
В классическом понимании как территориально-распределенная часть сети сеть 6G будет включать:
- сеть радиодоступа 6G RAN, расширенную в части использования радиочастотного спектра от миллиметрового до терагерцового и оптического диапазонов;
- опорную (базовую) сеть 6G Core;
- транспортную сеть 6G Backhaul, охватывающую как наземную территориально-распределенную часть, так и воздушно-космическую часть для присоединения к опорной сети 6G Core;
- сеть синхронизации 6G Syn, обеспечивающая частотную, фазовую и временную синхронизацию сигналов в сети 6G.
На уровне сети радиодоступа 6G RAN основными элементами будут узлы доступа, использующие радиотехнологии, а также технологии терагерцовые и оптические.
Опорная сеть 6G Core будет включать функциональные модули, реализующие управление сети в целом и обеспечивающие построение сервисно-ориентированной архитектуры сети при оказании услуг 6G.
Сети 6G также должны обеспечить связь под водой. Однако подводная среда является совершенно другим сценарием по сравнению с воздухом или космосом. Подводная среда непредсказуема и сложна, характеризуется высоким затуханием сигнала, влияет на возможности физического повреждения оборудования на больших глубинах и создает сложности в развертывании подводной части сети 6G.
В соленой воде радиосигналы сильно ослабляются, поэтому акустическая связь − единственный вариант для передачи данных из сети 6G к пилотируемым и беспилотным подводным аппаратам. Развертывание подводных узлов акустической связи как подсистемы сети 6G − дело дорогое и сложное, поэтому плотность таких узлов должна быть низкой.
Подвижность узлов акустической связи затруднена из-за колебаний потока и плотности воды. Подводные датчики движения разработаны с учетом дополнительной защиты от подводной среды. Более того, для такой связи требуются сложные трансиверы и большой объем памяти. При разработке источников питания следует иметь в виду, что солнечная энергия не может использоваться в подводных условиях. Выход из строя подводных датчиков ускоряют загрязнение и коррозия. Таким образом, чтобы обеспечить эффективную подводную связь в сети 6G, необходимо преодолеть проблемы влияния подводных условий на распространение сигналов и эксплуатацию сети. ■
Отзывы читателей
