Вэнь Тонг, Пейин Чжу (редакторы) - Сети 6G. Путь от 5G к 6G глазами разработчиков. От подключенных людей и вещей к подключенному интеллекту [2022, PDF, RUS]

Примеры страниц

Оглавление

Вступление от издательства...................................................................................14
Авторы.......................................................................................................................15
Предисловие.............................................................................................................17
Словарь сокращений...............................................................................................19
Часть I. Вступление..................................................................................................29
Глава 1. Мобильная связь до 2030 года и далее................................................30
1.1. Эволюция систем мобильной связи..........................................................30
1.2. Ключевые факторы потребности в 6G.......................................................33
1.3. Общая концепция.......................................................................................41
1.3.1. Ключевые технологические тенденции.......................................................48
1.3.2. Типичные варианты использования............................................................57
1.3.3. Ключевые показатели эффективности........................................................61
1.4. Структура книги..........................................................................................65
1.5. Источники...................................................................................................67
Часть II. Сценарии использования и целевые KPI..............................................69
Введение в часть II..................................................................................................70
Глава 2. Максимально достоверный эффект погружения................................71
2.1. Облачная VR высокой степени достоверности.........................................72
2.1.1. Требования к задержке передачи.................................................................73
2.1.2. Требования к пропускной способности.......................................................76
2.1.3. Обзор основных требований для полной VR...............................................78
2.2. Тактильное и мультисенсорное общение.................................................79
2.2.1. Дистанционная работа в высокодинамичных средах.................................80
2.2.2. Основные требования к телеуправлению в высокодинамичных
средах..............................................................................................................82
2.3. Дисплеи 3D без стекла и голографические дисплеи................................83
2.3.1. Глубина восприятия и 3D-дисплеи без стекла.............................................83
2.3.2. Методы реконструкции трехмерных изображений
без использования стекла..............................................................................84
2.3.3. Требования к разрешению и задержке........................................................85
2.3.4. Основные требования к 3D-дисплеям без стекла.......................................86
2.4. Источники...................................................................................................86
Глава 3. Сканирование, локализация и визуализация.......................................88
3.1. Высокоточная локализация........................................................................89
3.1.1. Абсолютная локализация..............................................................................90
3.1.2. Относительная локализация.........................................................................91
3.1.3. Семантическая локализация........................................................................92
3.2. Визуализация, картирование и локализация в реальном времени........93
3.2.1. Одновременная локализация и картирование............................................94
3.2.2. Визуализация и картирование внутри помещений....................................95
3.2.3. Визуализация и картирование на открытом воздухе.................................96
3.3. Расширенное человеческое восприятие...................................................97
3.3.1. За пределами возможностей глаза – сверхвысокое разрешение...............98
3.3.2. За пределами возможностей глаза – сделать невидимое видимым..........99
3.3.3. За пределами возможностей глаза – спектральное распознавание........100
3.4. Распознавание жестов и действий..........................................................101
3.4.1. Бесконтактное управление на макроуровне.............................................102
3.4.2. Бесконтактное управление на микроуровне.............................................104
3.5. Источники.................................................................................................105
Глава 4. Полнофункциональная индустрия 4.0 и выше................................. 106
4.1. Фабрика будущего.....................................................................................108
4.2. Управление движением............................................................................110
4.3. Совместная деятельность роботов в группе...........................................111
4.4. От интеллектуальных коботов к киборгам.............................................112
4.5. Источники.................................................................................................113
Глава 5. Умный город и умная жизнь................................................................. 114
5.1. Умный транспорт......................................................................................114
5.2. Умное здание.............................................................................................116
5.3. Умное здравоохранение...........................................................................118
5.4. Интеллектуальные сервисы на базе БПЛА..............................................119
5.5. Источники.................................................................................................121
Глава 6. Глобальное покрытие сети мобильного доступа.............................. 122
6.1. Широкополосный беспроводной доступ для всех..................................123
6.1.1. Мобильная широкополосная связь в любом месте...................................123
6.1.2. Широкополосное соединение в движении................................................124
6.1.3. Связь служб быстрого реагирования и помощь при стихийных
бедствиях......................................................................................................125
6.2. Широкий спектр услуг интернета вещей в труднодоступных
местах.........................................................................................................126
6.3. Высокоточное позиционирование и навигация.....................................127
6.4. Мониторинг земной поверхности в реальном времени........................128
6.5. Источники.................................................................................................129
Глава 7. Подключенное машинное обучение и сетевой ИИ.......................... 130
7.1. Услуги и операции 6G, дополненные искусственным интеллектом......131
7.1.1. Качество услуг сети 6G, дополненной искусственным интеллектом.......132
7.1.2. Управление сетью, дополненной ИИ..........................................................133
7.2. Сервисы искусственного интеллекта с поддержкой 6G.........................134
7.2.1. Совместный анализ и управление в реальном времени...........................134
7.2.2. 6G для крупномасштабного интеллекта.....................................................136
7.3. Источники..................................................................................................137
Резюме части II...................................................................................................... 138
Часть III. Теоретические основы......................................................................... 139
Введение в часть III.............................................................................................. 140
Глава 8. Теоретические основы искусственного интеллекта
и машинного обучения........................................................................................ 142
8.1. Фундаментальная теория искусственного интеллекта..........................142
8.1.1. Определения................................................................................................142
8.1.2. Таксономия машинного обучения.............................................................145
8.1.3. Теоретико-информационный принцип DNN............................................148
8.1.4. Реализации DNN..........................................................................................150
8.2. Теория распределенного ИИ....................................................................151
8.3. Теория динамической байесовской сети................................................156
8.4. Источники.................................................................................................162
Глава 9. Теоретические основы беспроводных сетей большой емкости.... 165
9.1. Теория электромагнитной информации.................................................165
9.1.1. Физический канал распространения.........................................................167
9.1.2. Диаграммы направленности антенных решеток и эффект
взаимного влияния......................................................................................168
9.1.3. Электромагнитные физические характеристики.....................................169
9.2. Теория крупномасштабной коммуникации...........................................171
9.3. Источники.................................................................................................177
Глава 10. Теоретические основы беспроводных сетей большой емкости.....183
10.1. Теория семантической коммуникации.................................................183
10.2. Теория сверхвысокого разрешения.......................................................188
10.3. Источники................................................................................................193
Глава 11. Теоретические основы энергоэффективных систем..................... 194
11.1. Энергоэффективные коммуникации и теория вычислений...............194
11.2. Теория зеленого ИИ................................................................................197
11.3. Источники................................................................................................200
Резюме части III..................................................................................................... 202
Часть IV. Новые элементы................................................................................... 205
Введение в часть IV.............................................................................................. 206
Глава 12. Новый спектр........................................................................................ 207
12.1. Глобальное распределение спектра 5G до 2020 года............................208
12.2. Требования к спектру 6G........................................................................210
12.3. Средние диапазоны – наиболее экономичный способ
широкого охвата........................................................................................212
12.4. Полосы миллиметрового диапазона в эпоху 6G...................................215
12.5. Новые возможности для сканирования и связи в ТГц-диапазоне......218
12.6. Источники................................................................................................221
Глава 13. Новые каналы....................................................................................... 223
13.1. Новые требования к моделированию канала 6G..................................224
13.2. Канальные измерения в 6G....................................................................228
13.2.1. Канальные измерения в новом спектре..................................................228
13.2.2. Канальные измерения в новых сценариях..............................................231
13.3. Источники................................................................................................233
Глава 14. Новые материалы................................................................................ 235
14.1. Развитие кремниевой платформы........................................................235
14.2. Гетерогенная платформа на материалах типа III–V.............................237
14.3. Реконфигурируемый материал..............................................................237
14.4. Фотонный кристалл................................................................................239
14.5. Фотоэлектрические материалы и фотодетектор..................................240
14.6. Плазмонный материал...........................................................................240
14.7. Источники................................................................................................242
Глава 15. Новые антенны..................................................................................... 246
15.1. Антенна с фотопроводящей линзой......................................................247
15.2. Отражающие и передающие решетки...................................................248
15.3. Метаповерхности....................................................................................249
15.4. Нанофотодетекторы...............................................................................251
15.5. Антенна на кристалле и антенна в корпусе..........................................252
15.6. Орбитальный угловой момент...............................................................253
15.7. Источники................................................................................................254
Глава 16. Современные технологии ТГц-диапазона....................................... 257
16.1. Компоненты ТГц-систем........................................................................258
16.1.1. Электронный подход.................................................................................258
16.1.2. Гибридный и фотонный подходы.............................................................264
16.2. Системы ТГц-диапазона.........................................................................266
16.2.1. Терагерцовые системы связи....................................................................266
16.2.2. ТГц-визуализация и сенсорные системы.................................................268
16.3. Проблемы................................................................................................270
16.4. Источники................................................................................................272
Глава 17. Вычислительная техника после закона Мура................................. 280
17.1. Постмуровская эра..................................................................................280
17.2. Нейроморфные вычисления...................................................................282
17.3. Квантовые вычисления...........................................................................284
17.4. Новые вычислительные архитектуры....................................................286
17.5. Источники................................................................................................288
Глава 18. Новые устройства................................................................................ 290
18.1. Мобильные устройства будущего..........................................................290
18.2. Интерфейс мозга и устройств будущего...............................................297
18.3. Новые носимые устройства....................................................................300
18.4. Источники................................................................................................301
Резюме части IV..................................................................................................... 304
Часть V. Технологии-кандидаты для применения в радиоинтерфейсе 6G.305
Введение в часть V................................................................................................ 306
Глава 19. Структура интеллектуального радиоинтерфейса........................... 312
19.1. Почему нужен новый радиоинтерфейс.................................................312
19.2. Обзор существующих технологий.........................................................313
19.2.1. Использование спектра и энергоэффективность в NR...........................314
19.2.2. ИИ и машинное обучение на физическом уровне..................................315
19.2.3. Машинное обучение на уровне доступа к среде (MAC)..........................317
19.3. Ожидания от новых разработок и потенциальные направления
исследований.............................................................................................318
19.3.1. Персонализированный радиоинтерфейс с поддержкой ИИ..................319
19.3.2. Организация сквозного канала на основе ИИ и нерешенные
проблемы......................................................................................................329
19.4. Источники................................................................................................330
Глава 20. Интеграция наземной и неназемной связи..................................... 334
20.1. Почему нужна интеграция наземной и неназемной связи.................334
20.2. Обзор существующих решений.............................................................336
20.3. Ожидания от новой системы и потенциальные направления
исследований.............................................................................................341
20.3.1. Интегрированная многоуровневая сеть..................................................341
20.3.2. Улучшенная неназемная связь.................................................................345
20.4. Источники................................................................................................350
Глава 21. Интеграция сканирования и связи................................................... 351
21.1. Почему нужна интеграция сканирования и связи...............................351
21.2. Обзор существующих решений.............................................................353
21.3. Ожидания от новой сети и потенциальные направления
исследований.............................................................................................357
21.3.1. Аспекты проектирования интегрированной системы
сканирования/связи.....................................................................................358
21.3.2. Конструкция и алгоритмы оборудования радиочастотного
сканирования...............................................................................................366
21.4. Источники................................................................................................371
Глава 22. Новые формы сигналов и схемы модуляции................................. 374
22.1. Почему нужны новые формы сигнала и схемы модуляции.................374
22.2. Обзор существующих решений.............................................................376
22.2.1. Сигналы с несколькими несущими..........................................................377
22.2.2. Формы сигналов с одной несущей...........................................................384
22.2.3. Схемы модуляции......................................................................................386
22.2.4. Формы сканирующих сигналов................................................................388
22.3. Ожидания от новых разработок и потенциальные направления
исследований.............................................................................................390
22.4. Источники................................................................................................394
Глава 23. Новое канальное кодирование......................................................... 399
23.1. Почему нужно новое кодирование........................................................399
23.2. Схемы канального кодирования............................................................401
23.2.1. История вопроса........................................................................................401
23.2.2. Целевые KPI канального кодирования 6G...............................................402
23.2.3. Принципы проектирования канального кодирования 6G.....................404
23.3. Совместное кодирование источника и канала.....................................410
23.3.1. Предыстория исследований......................................................................410
23.3.2. JSCC на основе машинного обучения.......................................................412
23.3.3. Принципы проектирования JSCC для 6G.................................................414
23.4. Сетевое кодирование на физическом уровне.......................................415
23.4.1. Основы........................................................................................................415
23.4.2. Принципы проектирования сетевого кодирования 6G..........................418
23.5. Источники................................................................................................420
Глава 24. Новый множественный доступ.......................................................... 427
24.1. Почему нужен новый множественный доступ.....................................427
24.2. Обзор существующих решений.............................................................429
24.2.1. Ортогональный множественный доступ.................................................429
24.2.2. Неортогональный множественный доступ..............................................431
24.2.3. Безгрантовый множественный доступ....................................................439
24.3. Ожидания от новых разработок и потенциальные направления
исследований.............................................................................................443
24.3.1. Множественный доступ для услуг URLLC большой емкости..................443
24.3.2. Множественный доступ для дешевых и маломощных устройств..........444
24.3.3. Множественный доступ и сверхмассивное подключение......................445
24.3.4. Множественный доступ и надежное формирование луча......................446
24.3.5. Множественный доступ с поддержкой ИИ..............................................446
24.4. Источники................................................................................................447
Глава 25. Ультрамассивный MIMO...................................................................... 451
25.1. Почему нужен ультрамассивный MIMO................................................451
25.2. Обзор существующих решений.............................................................452
25.2.1. Технологии MIMO для FR1........................................................................452
25.2.2. Технологии MIMO для FR2........................................................................454
25.2.3. Совместный MIMO.....................................................................................455
25.3. Новые технологии MIMO........................................................................458
25.3.2. Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности...........................461
25.3.3. Антенные решетки со сверхбольшой апертурой.....................................463
25.3.4. MIMO с искусственным интеллектом......................................................464
25.3.5. Другие потенциальные технологии MIMO..............................................466
25.4. Ожидания от новых разработок и потенциальные направления
исследований.............................................................................................471
25.4.1. MIMO со сканированием...........................................................................472
25.4.2. Управляемый радиоканал и топология сети...........................................474
25.4.3. MIMO на FR2 и терагерцовые частоты.....................................................475
25.4.4. Антенные решетки со сверхбольшой апертурой.....................................477
25.4.5. MIMO с поддержкой ИИ............................................................................478
25.5. Источники................................................................................................481
Глава 26. Интеграция каналов доступа и прямых каналов связи................ 489
26.1. Почему нужна интеграция каналов.......................................................489
26.2. Обзор существующих решений.............................................................492
26.3. Ожидания от новых разработок и потенциальные направления
исследований.............................................................................................494
26.3.1. Ключевые технологии суперканалов.......................................................494
26.3.2. Интеграция суперканалов с каналами доступа как единая
конструкция..................................................................................................495
26.4. Источники................................................................................................497
Резюме части V...................................................................................................... 499
Часть VI. Новые подходы к проектированию сетевой архитектуры 6G..... 501
Введение в часть VI.............................................................................................. 502
Глава 27. Технологии для сетевой архитектуры искусственного
интеллекта............................................................................................................. 508
27.1. История вопроса......................................................................................508
27.2. Соображения и принципы проектирования.........................................510
27.2.1. Основные требования................................................................................510
27.2.2. Ключевое различие между 5G и 6G...........................................................511
27.3. Особенности архитектуры......................................................................512
27.3.1. Общий обзор...............................................................................................512
27.3.2. Связь, ориентированная на задачи..........................................................515
27.3.3. Глубококонвергентные вычисления и граничные коммуникации........518
27.3.4. Эксплуатация и управление службами искусственного интеллекта......521
27.4. Источники................................................................................................523
Глава 28. Архитектура, ориентированная на пользователя.......................... 524
28.1. Обзор технологии UCN...........................................................................524
28.2. Соображения и принципы проектирования UCN.................................525
28.2.1. Уроки, извлеченные из существующих сетей..........................................525
28.2.2. Основные требования...............................................................................528
28.3. Особенности архитектуры......................................................................533
28.3.1. Децентрализованная архитектура, ориентированная
на пользователя............................................................................................533
28.3.2. Слияние физического и кибернетического миров..................................536
28.3.3. Управление цифровыми активами..........................................................539
28.4. Источники................................................................................................540
Глава 29. Механизмы обеспечения благонадежности................................... 541
29.1. Понятие благонадежности системы......................................................541
29.1.1. От философии к обществу.........................................................................541
29.1.2. От общества к промышленности..............................................................542
29.2. Благонадежность сложных систем связи..............................................543
29.3. Правила достижения благонадежности.................................................546
29.3.1. Основные принципы.................................................................................546
29.3.2. Цели............................................................................................................547
29.4. Технологии благонадежности................................................................549
29.4.1. Модель многостороннего доверия...........................................................550
29.4.2. Технология распределенного реестра......................................................552
29.4.3. Постквантовая криптография...................................................................554
29.4.4. Автономная безопасность.........................................................................555
29.5. Источники................................................................................................556
Глава 30. Архитектура управления данными в сети 6G................................. 559
30.1. Почему необходимо управление данными...........................................559
30.2. Идеи и принципы проектирования системы управления данными.... 560
30.3. Особенности архитектуры управления данными................................562
30.3.1. Независимый уровень данных.................................................................562
30.3.2. Многопользовательские роли в управлении данными...........................564
30.3.3. Ресурс данных............................................................................................564
30.3.4. Сбор данных...............................................................................................566
30.3.5. Аналитика данных.....................................................................................566
30.3.6. Десенсибилизация данных.......................................................................568
30.4. Источники................................................................................................569
Глава 31. Архитектура многосторонней экосистемы...................................... 570
31.1. Почему нужна новая архитектура экосистемы.....................................570
31.2. Идеи и принципы проектирования.......................................................572
31.3. Детали многосторонней архитектуры...................................................573
31.3.1. Технология распределенного реестра......................................................574
31.3.2. Платформа многостороннего пользования.............................................577
31.3.3. Управление идентификацией...................................................................578
31.3.4. Управление данными................................................................................579
31.3.5. Сетевое управление...................................................................................581
31.3.6. Поддержка операционной деятельности и бизнеса................................584
31.4. Источники................................................................................................585
Глава 32. Интегрированная архитектура неназемных сетей........................ 587
32.1. Предпосылки к интеграции сетей.........................................................587
32.2. Идеи и принципы проектирования.......................................................590
32.2.1. Спутниковая группировка........................................................................591
32.2.2. Низкая задержка в глобальном масштабе...............................................593
32.2.3. Обеспечение подключения.......................................................................593
32.2.4. Мультисервисное обслуживание..............................................................594
32.3. Особенности архитектуры......................................................................594
32.3.1. Задержка.....................................................................................................594
32.3.2. Модели подключения................................................................................602
23.3.3. Маршрутизация в космосе........................................................................604
32.3.4. Эксплуатация, администрирование и обслуживание.............................606
32.4. Источники................................................................................................607
Резюме части VI..................................................................................................... 608
Часть VII. Подведение итогов и планы на будущее........................................ 609
Глава 33. Экосистема 6G и дорожная карта развития.................................... 610
33.1. Инициативы и экосистема 6G................................................................610
33.1.1. Инициативы ITU-R....................................................................................610
33.1.2. Региональные мероприятия.....................................................................611
33.1.3. Мнения промышленности и научных кругов..........................................613
33.2. Дорожная карта до 2030 года и далее....................................................616
33.3. Источники................................................................................................618
Предметный указатель........................................................................................ 621