6G — поколение беспроводной связи, которое должно появиться в обозримом будущем. Для его реализации предстоит ещё многое сделать, но уже сейчас понятно, какие ключевые элементы будут лежать в основе стандартов 6G.
В этой статье я расскажу о физических основах технологии 6G, которые будут во многом отличаться от того, что лежит в основе предыдущих поколений беспроводной связи. Сеть 6G принесёт технологии искусственного интеллекта (ИИ) в каждый дом. Речь пойдёт о таких вещах как терагерцовый диапазон частот, антенны, применяемые в этом диапазоне, новые схемы модуляции, новые методы множественного доступа и технологии ультрамассивного MIMO.
Введение
Опираясь на фундамент 5G, беспроводная сеть 6G поставила амбициозную цель совершить повсеместную интеллектуальную революцию [1]. Разработчики 6G видят её в качестве связующего звена между двумя мирами, физическим и цифровым. Искусственный интеллект (ИИ), основанный на машинном обучении, станет основой 6G, и в этой сфере общество полностью перейдет от подключённых людей и подключённых вещей к подключённому интеллекту. Иначе говоря, беспроводная сеть 6G нацелена на предоставление услуги ИИ каждому человеку, дому и бизнесу, что, в свою очередь, приведет к появлению всеобщего интеллекта.
Траектория развития 6G будет формироваться экспертами по всему миру, поскольку сети 6G будут строиться на основе открытых инноваций и единого унифицированного стандарта.
Принципиальные особенности технологии 6G, отличающие её от предыдущих поколений связи:
6G расширит возможности человеческого общения, обеспечивая максимальное погружение с достоверными ощущениями в произвольном месте;
6G станет новой формой межмашинного взаимодействия, предоставляя интеллектуальную связь для эффективного машинно‑ориентированного доступа. 6G будет полностью включать в себя как машинное обучение, так и ИИ;
6G откроет новое уникальное поколение беспроводных сетей с поддержкой всеобщего интеллекта. Отличительными свойствами 6G будут наличие искусственного интеллекта, надёжность и высокая энергоэффективность.
Ключевые технологические тенденции
Новый спектр в терагерцовом диапазоне и оптическая беспроводная связь для чрезвычайно высоких скоростей передачи данных. Субтерагерцовый и миллиметровый диапазоны будут базовыми спектрами в сотовых сетях 6G, в то время как полоса нижнего ТГц‑диапазона (0,3–1,0 ТГц) будет основным кандидатом для передачи данных на короткие расстояния, например для использования внутри помещений или в каналах устройство‑устройство (D2D). ТГц‑диапазон обеспечивает сверхширокую полосу пропускания, превышающую десятки ГГц.
Интегрированное сканирование окружающей среды и связь для новых услуг и улучшенной беспроводной связи.
Искусственный интеллект как услуга и функция в системе связи 6G для интеллектуального подключения «умных» устройств.
Надёжность 6G, основанная на многосторонней модели доверия и новых криптографических технологиях.
Интеграция наземных и неназемных сетей для повсеместного доступа на всей земной поверхности.
Экологичные и устойчивые сети с низкой совокупной стоимостью владения для устойчивого развития во всем мире.
Терагерцовый диапазон
Терагерцовый диапазон – это расширение возможностей использования спектра для беспроводной связи 6G. По сравнению с низкочастотными диапазонами, ТГц-диапазон имеет очевидные преимущества для связи с очень высокой скоростью передачи данных. Терагерцовый диапазон – это область спектра электромагнитного излучения между миллиметровыми волнами (от 300 ГГц) и дальним инфракрасным излучением (приблизительно до 3 ТГц). Он обеспечивает более широкую полосу пропускания по сравнению с миллиметровыми волнами и имеет более благоприятные параметры распространения, чем инфракрасное излучение. Основной целью терагерцовой связи является повышение спектральной эффективности с использованием технологий MIMO, достижение скорости передачи данных до нескольких Тб/с, которая выходит далеко за рамки возможностей 5G [2].
ТГц-связь обладает гораздо более богатыми спектральными ресурсами, чем полосы более низких частот, что делает её выгодной по нескольким причинам:
ТГц-связь удовлетворит потребность 6G в пропускной способности, достигающей нескольких терабит в секунду.
Интеграция большего количества антенных элементов в единую базовую станцию, поскольку длина волны обратно пропорциональна частоте и размеру антенны. Ожидается, что на базовых станциях будет установлено более 10 000 небольших антенн. Они способны справляться с потерями в тракте, генерируя сверхузкие лучи, которые достигают большей пропускной способности, одновременно поддерживая связь с большим количеством пользователей.
Высоконаправленные антенные элементы помогают уменьшить межканальные помехи и предотвратить подслушивание во время связи, тем самым обеспечивая лучшую безопасность.
Недавние разработки в области полупроводниковой технологии позволили преодолеть “запрещённую зону” в ТГц-диапазоне, вызванную отсутствием аппаратных средств для работы в этом диапазоне, и стимулировали развитие различных применений терагерцовых частот.
Хотя сигналы в ТГц-диапазоне затухают сильнее, чем миллиметровые волны, всё же есть возможности найти подходящие диапазоны для передачи. Количество потенциальных окон частотных диапазонов с лучшими характеристиками распространения относительно велико (например, 140, 220 и 300 ГГц). Эти окна частотных диапазонов можно использовать для передачи на средние (например, 200 м) или короткие (менее 10 м) расстояния, избегая частотных областей с высоким атмосферным поглощением. Кроме того, длины волн в ТГц-диапазоне намного меньше, чем в диапазоне миллиметровых волн, и в одной и той же области на кристалле может быть размещено больше антенн, чтобы преодолеть затухание при распространении, тем самым улучшая покрытие.
В последнее время были исследованы различные архитектуры для систем терагерцовой связи и продемонстрированы испытательные стенды, основанные на двух различных подходах: электронный, где радиочастоты умножаются до ТГц; и фотонный, где оптические частоты делятся до ТГц. Следует отметить тот факт, что большинство этих систем разрабатываются в основном для связи на малых расстояниях внутри помещений, отчасти из-за высокого атмосферного затухания в ТГц-диапазоне. Однако этого можно до некоторой степени избежать, выбрав окно частот, в котором потери в атмосфере низкие, например 140, 220 и 300 ГГц.
Беспроводная связь в терагерцовом диапазоне продемонстрировала большой потенциал во многих приложениях связи малого радиуса действия в определенных частотных окнах (например, 140, 220 и 300 ГГц). Целевая группа IEEE 802.15.3d исследовала спектр 252–325 ГГц и определила варианты использования, такие как киоски для загрузки данных, внутричиповая/внутриплатная радиосвязь, беспроводная связь в центрах обработки данных, а также мобильные оконечные и транзитные каналы.
Проблемы использования терагерцового диапазона
Системы беспроводной связи в ТГц-диапазонах испытывают большие потери в тракте передачи. Для компенсации высоких потерь обычно используются высоконаправленные антенные решётки.
Проблема, связанная с широкополосными спектральными характеристиками материала и ограниченным диапазоном перестройки полупроводниковых источников, в результате чего рабочий диапазон источника ТГц-сигнала может оказаться недостаточным для покрытия всего спектрального диапазона. Последние работы показали заметный прогресс; например, сообщается об источнике ТГц-диапазона с широким диапазоном перестройки (0,04–0,99 ТГц).
Достижения технологии полупроводников типа III-V/кремний позволили выполнять гетерогенную интеграцию различных высокопроизводительных компонентов, таких как электронные, фотонные, магнитные и графеновые компоненты. Поэтому для обеспечения оптимальных характеристик необходима комплексная платформа, которая была бы одновременно компактной и весьма разнородной, а также вбирала бы в себя все эти компоненты.
Подробнее о физических основах построения генераторов и приёмников ТГц-излучения вы можете прочитать в недавно вышедшей статье нашего блога.
Новые антенны
Антенна с фотопроводящей линзой
В типичной антенне линза питается от тонкой подложки с высокой диэлектрической проницаемостью, на которой напечатаны плоские электроды антенны. К традиционным типам антенн относятся диполи, “бабочки”, спиральные и логопериодические. К антенне прикладывают внешнее напряжение смещения, чтобы ускорить переходные фототоки, и в конечном итоге терагерцовая волна излучается в пространство. Чтобы уменьшить рассогласование и максимизировать характеристики антенны, необходимо разработать линзы оптимального размера и формы.
Для увеличения скорости визуализации среды были предложены структуры с решётками в фокальной плоскости. Один из вариантов включает в себя подключённые антенные решетки, которые напечатаны на питающей подложке и питают линзы с большой апертурой. Решётки можно сконфигурировать для управления лучом или формирования луча, и эта конфигурация может использоваться как для сканирования окружающей среды, так и для телекоммуникационных систем. В другом варианте применяется близко расположенная линза, размещённая поверх антенных элементов, чтобы сформировать плотно упакованную решётку. Эта структура больше подходит для космических или астрономических приложений, где предпочтительно наличие функции многопиксельного сканирования. Эти два варианта показаны на рисунке 1.
![Рисунок 1. Антенны с фотопроводящими линзами [3]](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4bd/e74/87e/4bde7487e1c5c25b2f03ba992dd9ebc1.png "Рисунок 1. Антенны с фотопроводящими линзами [3]")
Отражающие и передающие решётки
В отражающих решётках используются различные рассеиватели электромагнитного излучения, напечатанные на поверхности. При освещении фидерной антенной отражательные решётки ведут себя как традиционные рефлекторные антенны. Рассеиватели могут принимать форму микрополосковых пятен, как показано на рисунке 2. Каждый рассеиватель тщательно проектируют для создания фазового сдвига, имитирующего изогнутую поверхность отражателя и, следовательно, отражающего луч с заданными свойствами.
Передающая решётка состоит из плоской подложки с несколькими печатными резонаторами, обладающими заданным фазовым распределением. Падающая волна проходит через плоскость передающей решётки и затем преобразуется в луч с желаемой диаграммой направленности. В большинстве случаев передающая решётка ведет себя как плоская диэлектрическая линза. Функция управления лучом может быть реализована как в плоскости источника, так и в плоскости решётки. Например, сначала можно настроить расположенный в фокусе источник. Затем в плоскости передающей решётки манипулируют резонаторами для придания желаемых свойств исходящему лучу [4].
Метаповерхности
Метаповерхности предоставляют привлекательные решения по организации излучения для многих новых применений. Благодаря гибкости управления метаповерхности “программируются” с помощью цифровой платформы. Вдобавок к этому они имеют небольшие размеры, что обеспечивает недорогую интеграцию с различными платформами. Напечатанные на гибкой подложке метаповерхности могут входить в состав носимых устройств, потенциально пригодных для связи, получения изображений и других вариантов применения.
Для метаповерхностных антенн элементарные ячейки тщательно проектируют таким образом, чтобы согласовать амплитуды и фазы для получения желаемой диаграммы направленности. Каждая элементарная ячейка служит небольшим излучателем с определёнными параметрами, что, в свою очередь, позволяет объединённому лучу от всех элементов принять необходимую форму. Антенны передатчика и приёмника могут быть интегрированы на одной подложке, и становится возможным реализовать отдельные волноводные структуры для подключения излучателей к входному или выходному сигнальному порту.
Одним из самых интересных применений, вероятно, является метаповерхностная голография. Метаповерхности могут использоваться для записи информации голограммы, их элементарные ячейки могут действовать как “пиксели”. Другими словами, каждый элемент может хранить определённые амплитудную и фазовую характеристики. При последующем освещении волнами определённой конфигурации отражения от этих элементов могут быть наложены друг на друга для создания трёхмерной голограммы исходного объекта.
Еще одно интересное применение метаповерхности – маскировка. Она заключается в размещении тонкого метаповерхностного слоя на определённом расстоянии от маскируемого объекта, что, в свою очередь, позволяет создать “противофазную” интерференцию, которая нейтрализует рассеяние. Конечным результатом является объект, “невидимый” на определенной частоте.
Орбитальный угловой момент
В последнее время большое внимание привлекает новый метод мультиплексирования – орбитальный угловой момент (orbital angular momentum, OAM). Согласно новому подходу, при использовании OAM антенна может генерировать ортогональные моды, каждая из которых связана с различным орбитальным моментом. Например, сигнал может иметь фазовый коэффициент
Каждый режим может нести различную информацию; следовательно, несколько режимов OAM могут сосуществовать и передавать данные одновременно по одному каналу связи. Правильно выделив требуемый режим OAM на стороне приемника, можно оптимизировать эффективность использования спектра. Показано, что системы связи OAM позволяют достичь высокой скорости передачи данных. Подробнее об этом вы можете прочитать в статье нашего блога.
Технология OAM имеет большой потенциал в сценариях беспроводной связи LOS, таких как транзитная сеть сотовой связи и межсоединения в центре обработки данных. Кроме того, комбинированная связь OAM-MIMO значительно увеличит скорость передачи данных и обеспечит гораздо более высокую эффективность использования спектра. Например, сообщается о системе связи с мультиплексированием OAM-MIMO, которая обеспечивает скорость передачи данных 100 Гбит/с на расстоянии 10 м [5]. Предложенный метод мультиплексирования использует 11 ортогональных ОАМ-мод на частоте 28 ГГц.
OAM – многообещающая технология передачи данных, поэтому сейчас активно рассматриваются способы её применения в сетях 6G. Из-за особенностей передающей антенны на практике диапазоны частот, которые позволяют 6G использовать системы OAM, будут превышать 20 ГГц, и, как таковые, диапазоны миллиметровых волн являются хорошими кандидатами. Было предпринято несколько попыток создания компактной антенной архитектуры и конструкции антенной решётки миллиметрового диапазона. Основная проблема, связанная с приложением OAM – это реализация мобильности устройств. Необходимы новые технологические решения, которые позволят использовать простые антенны на стороне пользовательского оборудования для демодуляции сигналов OAM, особенно когда речь идёт о поддержке мобильных применений.
Новые формы сигналов и схемы модуляции
Современные системы связи 4G (LTE) и 5G NR в полосах частот ниже 6 ГГц сталкиваются с обширными замираниями из-за многолучевого распространения. Во всех стандартах 4G и 5G для борьбы с этим нежелательным явлением используется OFDM в качестве основной формы сигнала. OFDM также совместим с MIMO. Однако по сравнению с сигналами на одной несущей OFDM имеет более высокое отношение пиковой мощности к средней мощности (PAPR). Как LTE, так и NR используют модуляцию из семейства QAM с кодами Грея.
Новые формы сигналов
Вероятно, что формы сигналов с несколькими несущими, в частности OFDM и QAM, продолжат играть центральную роль и в системах беспроводной связи в будущем. Однако могут быть введены и новые формы сигналов и новые схемы модуляции. К формам сигнала и схемам модуляции предъявляются следующие требования:
Низкий PAPR;
Низкая сложность обработки;
Высокая устойчивость в фазовому шуму, смещению несущей частоты, смещению синхронизации, нелинейности;
Устойчивость к эффекту Доплера;
Низкая задержка;
Высокая надёжность;
Высокая эффективность использования спектра;
Хорошая энергоэффективность.
Кратко рассмотрим несколько вариантов сигналов с несколькими несущими [6]. Все они очень эффективно используют спектр, но делают это за счёт довольно высокого PAPR.
CP-OFDM с ограничением спектра. CP здесь обозначает циклический префикс. Эта форма сигнала имеет очень низкую сложность на стороне передатчика и приёмника и обеспечивает хорошие показатели по коэффициенту блочных ошибок (block error rate, BLER). Кроме того, он совместим с MIMO, что является ключом к достижению эффективности использования спектра и надёжности. Однако он имеет высокое внеполосное излучение (out-of-band emission, OOBE). Для решения этой проблемы предлагаются методы ограничения спектра на основе фильтрации и оконного преобразования (рисунок 3).
Рисунок 3. Иллюстрация методов ограничения спектра на основе фильтрации и оконного преобразования, применяемых во временной области Фильтрованный OFDM (f-OFDM). К сигналам OFDM для подавления межполосных помех применяется фильтрация на основе поддиапазонов. Ортогональность во временной области между последовательными символами OFDM в каждом поддиапазоне нарушается намеренно, чтобы достичь более низкого уровня внеполосного излучения с незначительным снижением других показателей. Кроме того, f-OFDM использует спектр более эффективно при приемлемой вычислительной сложности.
Оконный OFDM (W-OFDM). Для сглаживания перехода между последовательными символами OFDM применяется непрямоугольное окно свёртки во временной области, что снижает сложность обработки. Однако часть длины префикса используется окнами, что ограничивает показатели W-OFDM из-за уменьшения его эффективной длины.
Множественная несущая с универсальной фильтрацией (UFMC). UFMC применяет фильтрацию поддиапазонов к каждому символу OFDM. Поскольку UFMC не имеет циклического префикса, он более сложен с точки зрения демодуляции и более чувствителен к синхронизации времени по сравнению с CP-OFDM.
Обобщённое мультиплексирование с частотным разделением (GFDM). GFDM применяет фильтрацию поднесущих для достижения низкого уровня внеполосного излучения. GFDM обрабатывается поблочно. Это увеличивает задержку обработки и, следовательно, не подходит для передачи с малой задержкой.
OFDM со спектральным прекодированием (SP-OFDM). SP-OFDM применяет прекодер к символам данных перед модуляцией OFDM, чтобы уменьшить внеполосное излучение. Это сокращение ограничено, особенно при небольшой полосе пропускания. Хотя предварительное кодирование создает помехи между несущими, их можно уменьшить в приёмнике. Сложность декодирования здесь выше, и может потребоваться дополнительная обработка сигнала.
Ортогональное частотно-временное пространство (OTFS). OTFS использует двумерное преобразование Фурье для преобразования данных частотно-временной области в область временных задержек и доплеровских сдвигов, и эти преобразованные данные могут передаваться с помощью традиционного модулятора OFDM. Технология OTFS имеет значительное преимущество в помехоустойчивости по сравнению с существующими схемами модуляции, а также более низкие значения вероятности битовых ошибок, чем OFDM, в широком диапазоне скоростей абонентов (от 50 до 500 км/ч).
Спектрально эффективное мультиплексирование с частотным разделением каналов (SEFDM) и мультиплексирование в частотной области с перекрытием (OVFDM). По сравнению с OFDM, сигнал SEFDM/OVFDM использует интервал между поднесущими, который меньше ширины поднесущей. Следовательно, сигналы сжимаются в частотной области за счет наличия взаимных помех. Для подавления этих помех можно использовать усовершенствованный приёмник. Однако этот подход обычно сложен, особенно для модуляции высокого порядка и большого количества поднесущих.
Вейвлет-OFDM. вместо использования быстрого преобразования Фурье (как это делается в OFDM) вейвлет-OFDM использует дискретное вейвлет-преобразование. Подобно схемам фильтрации поднесущих, вейвлет-OFDM обеспечивает низкий уровень внеполосного излучения из-за перекрытия символов и не требует защитного интервала во времени. Его адаптация к MIMO требует дальнейшего углубленного исследования.
Подробнее о различных перспективных модификациях OFDM вы можете прочитать в статье нашего блога.
Новые схемы модуляции
По сравнению с обычной QAM другие схемы модуляции могут обеспечить лучший коэффициент усиления, более низкий PAPR и лучшую устойчивость к радиочастотным искажениям. Рассмотрим некоторые из них:
Повёрнутая QAM. Это обычная QAM после того, как к символам сигнального созвездия применили поворот по фазе. Например, квадратурная фазовая манипуляция с поворотом на угол π/4 (QPSK) применяется в узкополосном канале интернета вещей, где угол поворота фазы равен , а n – индекс символа. Дополнительное вращение фазы может уменьшить PAPR за счет использования сигналов с одной несущей.
Нерегулярная QAM. В 5G было предложено несколько схем нерегулярной QAM, включая, например, амплитудно-фазовая манипуляция (APSK). Эти схемы могут обеспечить более высокие коэффициенты усиления, улучшение PAPR и устойчивость к фазовому шуму. Однако такой выигрыш достигается за счет более высокой сложности демодуляции.
Индексная модуляция. При индексной модуляции индексы составляющих блоков в системах связи используются для передачи дополнительной информации. Два примера индексной модуляции – это пространственная модуляция и OFDM с индексной модуляцией. Пространственная модуляция передаёт информацию с использованием индексов передающих антенн в дополнение к традиционной схеме символьной модуляции (например, QAM). А OFDM с индексной модуляцией передаёт информацию с использованием индексов поднесущих, на которых осуществляется передача. Индексная модуляция может обеспечить хорошую энергоэффективность, но эффективность использования спектра будет ниже по сравнению с традиционными системами связи QAM.
Новый множественный доступ
Методы множественного доступа делятся на два класса: ортогональный множественный доступ (orthogonal multiple access, OMA) и неортогональный множественный доступ (non-orthogonal multiple access, NOMA). Кроме того, существуют две схемы, связанные с процедурами передачи с точки зрения планирования ресурсов: передачи со служебной информацией (grant-based, GB) и передачи без служебной информации или безгрантовой передачи (grant-free, GF). Эти методы множественного доступа и схемы передачи привлекли внимание исследователей и разработчиков стандартов 5G. Более того, оба класса методов множественного доступа применимы как к передачам типа GB, так и GF [7].
Ортогональный множественный доступ (OMA)
В предыдущих поколениях связи применялись исключительно схемы ортогонального множественного доступа. Ортогональность означает, что на передачу пользователя не влияют другие пользователи, обслуживаемые одновременно. Исходя из ресурсов, по которым осуществляется разделение пользователей, можно выделить следующие схемы OMA: множественный доступ с частотным разделением (FDMA), множественный доступ с временным разделением (TDMA), множественный доступ с кодовым разделением (CDMA), множественный доступ с пространственным разделением каналов (SDMA) и множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA).
Для различных схем на основе OMA всё ещё остаются ограничения, которые необходимо устранить, чтобы удовлетворить очень жёстким требованиям к услугам в 6G. В частности, можно выделить следующие проблемы:
Количество пользователей или потоков данных строго ограничено количеством ортогональных каналов в системе OMA;
Высокие накладные расходы на служебные данные и ресурсы для гарантии ортогональности;
Сильная зависимость производительности системы связи от точного знания информации о канале для предварительного кодирования с обратной связью.
Неортогональный множественный доступ (NOMA)
Чтобы преодолеть ограничения OMA, была разработана технология неортогонального множественного доступа (NOMA), которая терпима к конфликту ресурсов в ортогональных каналах. Как для восходящего, так и для нисходящего канала совокупная пропускная способность для нескольких пользователей NOMA может быть больше по сравнению с параллельной передачей для одного и того же набора пользователей на ортогонально разделенных ресурсах [8].
NOMA может обеспечить ряд преимуществ перед OMA. NOMA дополнительно увеличивает пропускную способность системы, не используя дополнительные спектральные ресурсы или антенны. Технология NOMA способна поддерживать перегруженную передачу: NOMA дополнительно увеличивает общее количество подключений за счет введения допустимой коллизии символов в ортогональных каналах.
В нисходящем канале базовые станции передают сумму сигналов для нескольких пользователей, которые занимают одинаковые частотные и временные ресурсы. Обычно в одну группу назначаются нескольких пользователей со значительно различающимися отношениями сигнал/шум. Например, один пользователь может находиться рядом с базовой станцией, а другой пользователь – далеко от нее. Тогда дальнему пользователю будет выделена высокая мощность передачи, а ближнему – низкая мощность. На приемной стороне дальний пользователь рассматривает сигналы ближнего пользователя как шум, мощность которого намного ниже, чем мощность его собственных сигналов. Ближний пользователь отличает свои сигналы от сигналов дальнего пользователя, детектируя и восстанавливая последние.
В случае восходящего канала несколько пользователей передают свои сигналы на базовую станцию через одни и те же временные и частотные ресурсы. Схема работы восходящего канала NOMA более сложна, поскольку до того, как несколько сигналов данных от разных пользователей мультиплексируются, каждый пользователь получает случайный канал.
Другой класс неортогональных методов неортогонального множественного доступа – NOMA с кодовым разделением пользователей. К этому классу относятся, например, множественный доступ с разреженным кодом (SCMA), многопользовательский совместный доступ (MUSA), множественный доступ с распределением ресурсов (RSMA), множественный доступ с разделением по шаблону (PDMA), множественный доступ с решетчатым перемежением (IGMA) и множественный доступ, основанный на перемежении (IDMA).
Подробнее о методах NOMA с разделением по мощности и коду можно узнать в статьях нашего блога: здесь и здесь.
NOMA является многообещающим решением для увеличения пропускной способности системы за счет обслуживания большего количества пользователей с теми же радиоресурсами. Однако у существующих схем NOMA все еще остаются проблемы, которые необходимо решить. Во-первых, многие приёмники NOMA используют итерационные операции, что делает их более сложными, чем приёмники OMA. Во-вторых, схема NOMA в сочетании с MIMO всё ещё требует дальнейшего изучения в плане повышения общей производительности.
Ультрамассивный MIMO
MIMO – одна из ключевых технологий, которая позволит 6G достичь целевых показателей эффективности с точки зрения пользовательской и сетевой пропускной способности, надежности, маневренности и энергосбережения. Ожидается, что будущие системы MIMO будут включать передовые достижения в области радиочастотных технологий, а также новые материалы, архитектуры антенн и методы обработки сигналов.
Массивный MIMO (massive MIMO) – разновидность этой технологии, в которой количество антенн базовой станции намного больше, чем количество пользовательских терминалов. В массивно MIMO используются многоэлементные цифровые антенные решётки.
Радиоинтерфейсы 5G NR гарантируют, что пользователи могут свободно перемещаться между различными лучами и сотами без прерывания связи. Эти лучи могут принадлежать одной или разным точкам приёма-передачи (transmit-receive point, TRP) в одной и той же соте. Ожидается, что в сети 6G эта концепция радиоинтерфейса получит дальнейшее развитие и сможет гарантировать, что экстремальное уплотнение сети и связь на основе лучей предоставят пользователю действительно прозрачный хэндовер (передачу обслуживания), по крайней мере на физическом уровне.
Обсуждается бессотовая концепция массивного MIMO синхронизированными по фазе TRP. По мере роста числа участвующих TRP затухание, шум и помехи исчезают, и остается только проблема загрязнения пилот-сигнала. 6G может еще больше снизить зависимость от соты, тем самым улучшив взаимодействие с пользователем и общие характеристики сети. Для решения практических и теоретических вопросов и успешного развертывания сетей Бессоновой связи требуются дальнейшие исследования и эксперименты. Исследовалась некогерентная бессотовая система MIMO, цель которой – уменьшить зависимость от жесткой синхронизации между TRP. Эффект упрочнения канала бессотовой системы MIMO сильно зависит от количества антенн на TRP и статистических свойств среды распространения [9].
Терагерцовый MIMO
Постоянно растущий спрос на беспроводные данные, особенно передаваемые со скоростями порядка Тбит/с на короткие расстояния, может быть удовлетворен только за счет использования обширного (но широко не используемого) субтерагерцового спектра. Полоса частот ТГц-диапазона занимает область между миллиметровыми волнами и инфракрасным излучением, которые связаны с радиочастотными и оптическими устройствами соответственно. Последние достижения в области радиочастотных компонентов, обработки сигналов и антенной связи повлияют на различные аспекты систем MIMO, включая модуляторы, формы сигналов и конструкции приемопередатчиков. В новых трансиверах могут использоваться электронные, фотонные или комбинированные технологии.
Новая антенная технология может использовать решетки активных и пассивных элементов для улучшения формирования диаграммы направленности и покрытия.
Между миллиметровыми волнами и ТГц-диапазоном есть много общего, что делает развертывание MIMO в этих частях спектра похожим. Поэтому было бы естественно распространить решения и архитектуры миллиметрового диапазона на терагерцовый. Однако эти два диапазона существенно различаются по характеристикам канала, конструкции устройства, генерации сигналов и антенной технологии.
Терагерцовые волны страдают от высоких потерь на трассе. Потери на трассе увеличиваются квадратично с увеличением несущей частоты в свободном пространстве. Помимо огромных потерь в тракте передачи, с ТГц-волнами связаны и другие проблемы, такие как низкая эффективность усилителей мощности и проблемы, вызванные погодными условиями. Природные помехи ограничивают использование ТГц-диапазона локальными сценариями, такими как внутренние сети, умные офисы и умные фабрики. Более того, поскольку беспроводные каналы ТГц-диапазона практически не испытывают рассеяния, их охват ограничен физическими препятствиями, такими как стены и потолки. Кроме того, из-за незначительной дифракции волн беспроводные каналы состоят в основном из путей прямой видимости и, возможно, из нескольких путей отражения, создаваемых стенами или мебелью.
Очень широкая полоса пропускания, доступная на ТГц-частотах, сопряжена со специфическими проблемами. Во-первых, мощность теплового шума пропорциональна используемой полосе пропускания, что приводит к очень низкому соотношению сигнал/шум даже на средних расстояниях Tx-Rx. Во-вторых, широкополосные радиочастотные цепи более дороги и потенциально рассеивают больше энергии, что приводит к еще более низкой энергоэффективности терагерцовых трансиверов. В-третьих, структура решетки из антенных подрешеток ТГц-трансиверов наряду с очень широкой полосой пропускания приводит к отклонению или расщеплению луча. Это явление возникает из-за необходимости поддерживать приемлемую апертуру антенны. Размеры антенной панели не могут линейно уменьшаться с изменением полосы частот, в то время как длительность импульсов сокращается по мере увеличения доступной полосы пропускания. В результате разные антенные элементы испытывают разницу во времени прохождения дистанции, сравнимую с длительностью импульса или превышающую ее. Эта разница во времени приведет к тому, что лучи в частях используемой полосы пропускания будут указывать в немного разных направлениях, как показано на рисунке 4.
Поиск луча требует обширного сканирования на обоих концах беспроводной связи. Незначительное движение или поворот с любой стороны может привести к потере луча. Следовательно, гибкое управление лучом с низкими накладными расходами и высокой надежностью является ключом к успеху развертывания сети в ТГц-диапазоне.
Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS) недавно стали многообещающей технологией проектирования беспроводных сетей. Они также могут создавать интеллектуальные радиоканалы, т.е. распространением радиоволн можно управлять для создания персонализированного канала связи. В обобщённой модели, изображенной на рисунке 5, сеть RIS формируется между несколькими TRP для создания крупномасштабных интеллектуальных радиоканалов, обслуживающих нескольких пользователей. Благодаря поддержке формирования луча, использование интеллектуальных радиоканалов может значительно улучшить качество связи, производительность системы, покрытие соты и качество связи на границе соты. Панели RIS с различной структурой обладают различными возможностями регулировки фазы, которые варьируются от плавного управления фазой до дискретного управления с несколькими уровнями [10].
Многообещающее направление для сверхмассивных MIMO – использование решёток со сверхбольшой апертурой (extremely large aperture array, ELAA). ELAA это решётка, состоящая из сотен антенных элементов, которые совместно обслуживают распределенных пользователей. ELAA предназначена для того, чтобы все конечные пользователи использовали взаимно ортогональные каналы с пропускной способностью для каждого пользователя, аналогичной каналу с аддитивным белым гауссовым шумом. Большое пространственное разрешение ELAA также можно использовать для пространственного мультиплексирования большого количества устройств связи.
Во многих приложениях MIMO используется машинное обучение. В машинном обучении искусственный интеллект (ИИ) изучает основные характеристики целевого признака на основе данных, которые ему предоставили, и затем может применить эти знания к другой задаче. Схемы MIMO с искусственным интеллектом всегда превосходят обычные схемы. Ниже приведены некоторые типичные примеры MIMO с поддержкой ИИ:
Получение информации о состоянии канала;
Предварительное кодирование;
Детектирование MIMO;
Оценка канала MIMO.
Орбитальный угловой момент (OAM)
Для получения выигрыша от пространственного разнесения в условиях динамического канала предложена интегрированная структура OAM плюс MIMO (рисунок 6), называемая также многомодовой-многопространственной (multi-mode–multi-spatial, MOMS) [11].
В некоторых благоприятных сценариях (например, в микросотах и малых сотах внутри помещений) OAM может обеспечить более высокую эффективность использования спектра, чем системы MIMO с простыми и неоптимальными декодерами.
Информация, переносимая ортогональными лучами OAM, может быть эффективно демультиплексирована без сложной постобработки сигнала. Эта низкая сложность обработки имеет большое значение для сверхвысокой скорости беспроводной связи (например, пропускная способность Тбит/с в миллиметровых и ТГц-диапазонах).
Заключение
В это статье я попытался дать краткий обзор физических основ технологии 6G: терагерцовый диапазон частот, новые антенны, новые формы сигналов и схемы модуляции, новые методы множественного доступа, новые технологии ультрамассивного MIMO, мультиплексирование с разделением по орбитальному угловому моменту. Разработка стандартов 6G требует новых подходов практически во всех компонентах технологий беспроводной связи. В статье остались не охваченными много важных вопросов, например, новые технологии искусственного интеллекта и новые устройства, новое канальное кодирование и новая сетевая архитектура и т.д.
Больше материалов на тему современных методов проектирования систем беспроводной связи вы можете найти здесь и здесь.
Литература
2. ITU. World Radiocommunication Conference, Final Acts WRC-19. – 2019.
3. O. Yurduseven, Wideband integrated lens antennas for terahertz deep space investigation. – Ph.D. dissertation, Delft University of Technology, 2016.
4. T. J. Cui, M. Q. Qi, X. Wan et al. Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials // Light: Science & Applications. – 2014. – vol. 3, no. 10. – p. e218.
5. H. Sasaki, D. Lee, H. Fukumoto et al. Experiment on over-100-Gbps wireless transmission with OAM-MIMO multiplexing system in 28-GHz band // Proc. 2018 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM). IEEE. – 2018. – pp. 1–6.
6. X. Zhang, L. Chen, J. Qiu, J. Abdoli. On the waveform for 5G // IEEE Communications Magazine. – 2016. – vol. 54, no. 11. – pp. 74–80.
7. M. Vaezi, Z. Ding, H. V. Poor. Multiple access techniques for 5G wireless networks and beyond. – Springer, 2019.
8. Y. Liu, Z. Qin, Z. Ding. Non-orthogonal multiple access for massive connectivity. – Springer, 2020.
10. M. Di Renzo, M. Debbah, D.-T. Phan-Huy et al., Smart radio environments empowered by reconfigurable AI metasurfaces: An idea whose time has come // EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. – 2019. – vol. 2019, no. 1. – pp. 1–20.
11. R. Ni, Y. Lv, Q. Zhu et al. Degrees of freedom of multi-mode-multispatial in-line-of-sight channels // Proc. 2020 IEEE GLOBECOM Conference. IEEE. – 2020. – pp. 1–6.
