Беспроводные сети будущего. Интервью с профессором Евгением Хоровым

Как скоро в России может появиться сеть 5G? Какие возможности открывает надежная связь с низкой задержкой для промышленности и транспорта? Какие научные задачи необходимо решить, чтобы развивать сети следующих поколений? О беспроводных сетях будущего ― в интервью с Евгением Михайловичем Хоровым.

― В 2000-х гг. начали массово распространяться мобильные телефоны. Соответственно, развивались и беспроводные сети ― сначала GSM, с середины 2000-х гг. начали внедрять 3G, в 2013–2014 гг. ― 4G. С тех пор беспроводная связь четвертого поколения так и остается в России основной. Возникает ощущение, что быстрое развитие беспроводных сетей остановилось. Так ли это?

― Создатели технологий сотовой связи проводят ребрендинг каждые десять лет; именно столько времени проходило между появлением сетей второго, третьего и четвертого поколений. До недавнего времени Россия шла в ногу с остальным миром в области внедрения новых сетей. Сегодня из-за ряда ограничений технологии сотовой связи пятого поколения у нас не применяются, и возникает чувство, что прогресс остановился. На самом деле массовое распространение сетей пятого поколения мы увидим буквально в ближайшие годы. Как в целом выглядит процесс развития беспроводных сетей? Во-первых, изменения происходят внутри самих поколений ― технические возможности и скорость передачи данных в современных сетях 4G и тех, что внедрялись в середине 2010-х гг., значительно отличаются друг от друга. Но скорость ― это только вершина айсберга, которую видит пользователь. Сегодня больше усилий прикладывается не для обеспечения рекордных гигабитов в секунду, а для достижения удовлетворительного качества обслуживания пользователей в самых разных ситуациях. И это касается не только сотовых сетей, но и Wi-Fi, новое поколение этой технологии уходит от наращивания скорости в сторону более надежной связи с низкими задержками.

Современные цифровые приложения требуют не только высоких скоростей, но и канала, при котором данные независимо от обстоятельств будут доходить за миллисекунды. Всем знакома ситуация: стоишь у точки доступа к Wi-Fi или базовой станции сотовой связи ― сигнал хороший и стабильный, но стоит отойти за угол, как связь пропадает. В разработках Wi-Fi восьмого поколения и систем связи 6G, которые только начинают внедрять во всем мире, ключевыми становятся задачи по созданию непрерывного покрытия.

Скорость передачи данных при пиковых возможностях существующих технологий сотовой связи и Wi-Fi уже сегодня существенно превышает текущие потребности человека. Но эти пиковые значения наблюдаются только в идеальных условиях, а надо создать систему, в которой максимальные возможности будут у всех.

― Для каких задач нужны беспроводные сети следующих поколений? Стабильно смотреть фильм в разрешении 8К с телефона в автобусе, конечно, приятно. Но ведь увеличение скорости и стабильности связи направлено не только на развлечения… 

― Рассказывая о технологии сотовой связи пятого поколения, обычно рисуют треугольник. В его верхнем углу расположен именно широкополосный доступ, который в том числе обеспечивает высокие скорости для просмотра видеопотоков в высоком разрешении. А в двух других углах находятся сценарии, которые представляют интерес не для обычных пользователей, а в первую очередь для индустрии.

Первый из них — сценарий беспроводного интернета вещей. Он предполагает объединение тысяч автономных устройств: сенсоров, роботов и датчиков. Они должны обеспечить эффективный обмен данными при минимальном энергопотреблении и с высокой надежностью доставки. Главная особенность заключается в том, что обычные протоколы, используемые, например, для доставки видеотрафика, плохо справляются с большим количеством одиночных сообщений от множества устройств.

Второй сценарий стал настоящей революцией для связи и, пожалуй, самым значимым новым направлением. Это сверхнадежная связь с малой задержкой. Речь идет о возможности доставлять данные с миллисекундной задержкой и надежностью, приближающейся к 100%. Под надежностью подразумевается вероятность потери пакетов, которая должна составлять доли процента при скорости доставки в одну миллисекунду. Высокая надежность при сверхнизких задержках ― это достаточно противоречивые требования, но технологии следующего поколения стремятся к решению этой задачи.

Это нужно для создания индустрии 4.0, где заводы работают без человека. Например, в Китае уже есть порты, где роль человека сведена к минимуму, более того, вмешательство человека может помешать нормальной работе. При создании таких систем важно, чтобы связь была мгновенной и надежной: например, если два робота, обрабатывающие одну деталь, начнут двигать ее несинхронно, это приведет к браку или столкновениям. Второе направление, требующее сверхнадежной связи с малой задержкой, ― беспилотные автомобили. Сегодня они уже появляются на улицах, но в целом отрасль только зарождается. Современные беспилотные автомобили способны передвигаться от одного парковочного места до другого без вмешательства человека. Они ориентируются в дорожных знаках и сигналах светофоров, вполне корректно справляются с нештатными ситуациями. Но это автомобили, выполняющие обычные функции.

Новые поколения связи позволят вывести транспорт на принципиально новый уровень: беспилотными станут все автомобили в городе. Обмениваясь информацией, они могут координировать свои действия и двигаться не хаотично, как это происходит сейчас, когда каждый водитель сам принимает решение, куда ему повернуть, а в единой системе. Например, на перекресте два потока машин, движущихся перпендикулярно, смогут ехать без остановки за счет точной синхронизации интервалов. Но цена ошибки в такой системе очень велика, и ее реализация возможна лишь при создании каналов связи с очень высокой надежностью и минимальной задержкой. По сути, это позволит создать новую транспортную отрасль, которая исключит пробки и будет эффективно использовать пространство.

― Это возможности сетей 5G или последующих поколений?

― Сети пятого поколения способны на это в минимальном приближении. На самом деле сверхнадежная связь с малой задержкой в 5G осталась недореализованной. Несмотря на наличие стандартов и протоколов, позволяющих осуществить такое взаимодействие, не хватает еще и умных алгоритмов, которые управляли бы передачей данных в соответствии с новыми требованиями. Существуют такие организации, как Партнерский проект третьего поколения (3GPP) и Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): они разрабатывают глобальные стандарты технологий, заставляя компании договариваться между собой. То есть стандартизируются правила, по которым устройства, выпущенные разными производителями, могут взаимодействовать, говорить на одном языке и понимать друг друга. Но этого недостаточно. За различные параметры передачи, обеспечение надежности доставки, возможность адаптироваться в случае нестабильности канала отвечают интеллектуальные алгоритмы. Это интеллектуальная собственность, ноу-хау каждой компании, как рецепт кока-колы. Эти алгоритмы нигде не публикуются и хранятся в секрете.

Производство отечественного оборудования для сотовой связи или Wi-Fi — это не только внедрение стандартов, но и разработка собственных алгоритмов, от которых зависит очень многое. Например, работая с различными производителями, мы неоднократно увеличивали скорость вдвое просто за счет выбора корректных параметров и правильной организации передачи данных. Это оптимизация ресурсов, позволяющая увеличить емкость сети и повысить качество обслуживания пользователей. Роль этих алгоритмов колоссальна, и их нехватка остается препятствием для создания конкурентоспособного отечественного оборудования. Именно отсутствие этих алгоритмов не позволило в полной мере использовать преимущества сверхнадежных связей с малой задержкой, заложенные разработчиками в сети 5G. Поэтому развитие существующих и разработка новых алгоритмов будет проводиться при создании сетей 6G.

― Весной появились новости о возможном внедрении сетей 6G в России к 2032 г. Что это за сети и чем они будут отличаться от сетей пятого поколения с технической и научной точек зрения?

― Если оценивать сети пятого поколения без учета сверхнадежной связи с малой задержкой, то 5G можно охарактеризовать как «4G на стероидах» ― это технологии, работающие на очень близких принципах, но за счет определенного развития увеличивается скорость передачи данных и улучшаются некоторые характеристики. Вероятно, 6G будет в значительной степени представлять собой 5G на стероидах. Каких-то революционных перемен пока не предвидится.

Дело в том, что последние пять-десять лет ученые в исследованиях искали ответ на вопрос «Какой именно должна быть технология 6G?». Было много интересных идей, но на текущий момент они остаются непроработанными с научной точки зрения ― ограничения заложены на фундаментальном уровне. Какими видят сети 6G ведущие производители телеком-оборудования Huawei, Ericsson, Nokia? В материалах, которые они обсуждают внутри консорциума 3GPP, речь идет в основном об использовании не терагерцевых частот, а частот, лишь в несколько раз превышающих массово используемые сегодня (так называемый диапазон FR3 от 7 до 24 ГГц). Хотя сети шестого поколения задействуют более широкие каналы передачи данных, технологически 6G станет скорее эволюционным развитием сетей 5G, нежели революцией. Тем не менее при разработке беспроводной связи следующего поколения возникнет много задач, связанных не только с дефицитом существующих частотных ресурсов, но и с возможностями оборудования.

― Какие фундаментальные задачи надо решить, чтобы продолжать это развитие и в будущем создавать беспроводные сети седьмого, восьмого, девятого поколений?

― С ростом скоростей передачи данных оборудование должно обрабатывать все больше и больше информации. Факторами, ограничивающими развитие алгоритмов передачи данных, преимущественно становятся их нарастающая сложность и энергопотребление. Зачастую важно не достичь оптимизации пропускной способности, а обеспечить минимальную задержку, не превышающую миллисекунды или ее доли. При этом важно, чтобы такое оборудование потребляло как можно меньше энергии, ― это напрямую влияет на стоимость и удобство использования беспроводных сетей. Мне кажется, мы вышли на тот уровень, когда вычислительная простота алгоритмов становится существенным фактором, и дальнейшее развитие будет упираться именно в это ограничение. Здесь может прийти на помощь искусственный интеллект: он позволяет переосмыслить некоторые подходы. Быть может, будут найдены вычислительно более простые формы, которые обеспечат приемлемую производительность.

― Насколько в России развиты необходимые компетенции? И насколько велик разрыв между научным знанием и внедрением технологий?

― В России есть несколько сильных научных команд, работающих и показывающих результаты на мировом уровне. В том числе это совместные проекты с ведущими российскими и зарубежными производителями в области поиска новых решений для беспроводных сетей.

Да, существуют определенные проблемы с элементной базой, и это тормозит создание полностью отечественного оборудования. Однако такие возможности есть, а учитывая то, что связь остается одной из основополагающих отраслей и вопросом государственной безопасности, мы должны научиться самостоятельно производить оборудование.

― Вы приводили примеры полностью автоматизированных заводов и городов, в которых работает только беспилотный транспорт. Как скоро мы сможем увидеть это? 

― Я думаю, что это вопрос десяти лет. Надо понимать следующее: несмотря на то что 6G станет последующим развитием технологий 5G, определенные научные и технологические подходы все равно будут новыми. А обеспечение сквозного покрытия, повышение качества обслуживания и надежности потребуют создания принципиально новых научных подходов для управления передачей данных. Как только эти подходы будут разработаны, начнется создание оборудования и инфраструктуры следующего поколения.

Тогда и станет возможным строить заводы, работающие без участия людей, и создавать транспортную отрасль с массовым внедрением беспилотных автомобилей. 

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ