Беспроводная передача информации и энергии в 6G-сетях связи
На сегодняшний день беспроводная связь выступает в качестве главного фактора ускорения процессов цифровой трансформации, развития экономики и улучшения качества жизни. А за последние пять лет технология 5G стала ключевой частью инфраструктуры, необходимой для поддержания этих процессов.
Согласно отчету Всемирной ассоциации поставщиков мобильных устройств (Global mobile Suppliers Association, GSA), на первый квартал 2025 года, количество сотовых операторов, которые оказывают мобильные и/или фиксированные услуги связи, используя технологии 5G, составило 619 в 184 странах. Это почти в три раза больше чем в 2024 году за этот же период.
Помимо этого, более 70 операторов связи уже развернули свои автономные сети 5G SA (Stand Alone) и ещё 86 операторов планируют это сделать в ближайшей перспективе.
Всего за пять лет по всему миру установлено свыше 15 миллионов сотовых базовых станций, внедрено более трех миллионов приложений для обслуживания одного миллиарда конечных пользовательских устройств. И с каждым годом плотность подключенных к сети мобильных устройств только увеличивается. Так, с начала 2024 года число анонсированных 5G-устройств выросло на 32% и составило 3201 зарегистрированных моделей, из которых 2500 поддерживают частотный диапазон 3,3–3,8 ГГц (band n78). Предполагается, что к 2030 году по всему миру их количество превысит 125 миллиардов, а всего число устройств подключенных к беспроводной сети достигнет 500 миллиардов, которые будут представлены разными форм-факторами от устройств дополненной (Augmented Reality, AR) и виртуальной реальности (Virtual Reality, VR) до голографического оборудования.
Также со временем стали очевидными коммерческие преимущества технологий связи пятого поколения на отраслевых рынках от сельского хозяйства до промышленного производства. В настоящее время активно создаются отраслевые экосистемы. В Китае уже развернуто 6000 виртуальных частных сетей 5G в более чем 40 отраслях.
Учитывая общую тенденцию к дальнейшему развитию и распространению сетей пятого поколения, к 2027 году на 5G будет приходиться 80% глобального дохода от выставленных счетов за услуги связи. Телекоммуникационные компании смогут получить около 625 млрд долларов США чистой прибыли по всему миру. По сравнению с доходом на начало 2024 года в 310 млрд долларов США, рост прибыли в течение следующих трех лет составит более 100%. Несмотря на успешную коммерциализацию сетей 5G, которая уже обеспечила операторам связи возврат вложенных инвестиций, научное сообщество и промышленность продолжают вести исследовательскую деятельность над разработкой и внедрением системы связи следующего поколения 6G. В первую очередь это вызвано стремительным развитием передовых технологий, таких как искусственный интеллект (ИИ), робототехника и всеобщая автоматизация, а также появлением новых потребностей и услуг с более строгими требованиями к беспроводной связи, которые не могут удовлетворить сети 5G.
Кроме этого, на современном этапе цифровой трансформации 5G уже не способно эффективно справиться с накопившимися социальными проблемами, такими как цифровое неравенство, изменение климата и энергетический кризис. По мнению специалистов, эта неспособность в полной мере реализовать цели цифровой трансформации и решить нарастающие проблемы устойчивости и общественные потребности нуждается в смене парадигмы, сосредоточенной вокруг инновационных технологических инструментов. Поэтому многие страны, такие как США, Китай, Южная Корея, Япония и ряд других государств намерены развернуть 6G-сети к 2030 году.
Такие текущие тенденции в развитии 6G-сетей обусловлены стремительным возрастанием плотности подключенных к сети мобильных устройств, в первую очередь из мира Интернета вещей (Internet of Things, IoT), а также появлением новых технологий, которые требуют современных мобильных приложений.
В ближайшей перспективе IoT-сети будут широко использоваться носимыми устройствами для непрерывного мониторинга состояния здоровья и в промышленных приложениях, которые будут поддерживать чрезвычайно высокие скорости передачи данных. Также области применения IoT-устройств включают в себя сектора интеллектуального сельского хозяйства, автономный транспорт и логистику, интеллектуальную городскую экосистему. Эффективная реализация концепции IoT-сетей потребует полной модернизации сотовой инфраструктуры, и в значительной степени будет зависеть от технологических достижений, которые смогут обеспечить максимальную связность мобильных устройств. Ключевыми из них являются интеллектуальные отражающие поверхности (Intelligent Reflecting Surface, IRS), также известные как реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (Reconfigurable Intelligent Surface, RIS), терагерцовые (ТГц) коммуникации и голографические антенные системы (Holographic Multiple-Input And Multiple-Output, H-MIMO).
В системах связи шестого поколения особое внимание будет уделяться высокой пропускной способности, надежности и энергоэффективности сетей.
Энергоэффективность – это один из основных проблемных вопросов современных радиосистем. Чем выше скорость передачи информации, тем меньше автономная работа мобильного устройства.
В теории 6G будет способна передавать один террабит данных в секунду. Передача таких больших объемов информации требует значительных затрат энергии. Как правило, существующие в настоящее время IoT-устройства обладают ограниченными энергоресурсами, поскольку питаются от аккумуляторных батарей с конечной емкостью хранения энергии. Ограниченные энергетические ресурсы IoT-терминалов и строгие условия обеспечения бесперебойного предоставления услуг (непрерывной работы устройства) требуют периодическую подзарядку. А тот факт, что IoT-устройства встраиваются в подвижную инфраструктуру (автономные транспортные средства), а также размещаются в отдаленных местах или устанавливаются в зонах с ограниченным доступом (промышленные объекты), делают их проводную зарядку дорогостоящей и обременительной задачей, ухудшая качество обслуживания мобильных сетей. Поэтому научным сообществом предлагалось несколько преобладающих стратегий использования возобновляемых источников энергии и продления срока службы IoT-устройств, такие как использование солнечной энергии и метод сбора окружающей радиочастотной энергии (Radio Frequency Energy Harvesting, RF-EH).
Тем не менее, эти методы имеют некоторые недостатки. В частности, солнечные панели могут занимать значительные территории, что не подходит для малого форм-фактора компактных терминалов IoT, таких как беспроводные датчики, или ограничений по размеру, определяемых рабочей средой. Кроме того, они значительно увеличивают стоимость всей экосистемы, что может стать главной проблемой для массового развертывания IoT. Но самым основным недостатком этих двух подходов является прерывистое и неконтролируемое питание. Количество возобновляемой энергии на практике на порядок ниже, чем предполагалось в теории, что имеет решающее значение в 6G-системах. В связи с этим, в настоящее время предлагается ещё одна концепция сбора энергии из управляемых источников радиочастот, так называемая беспроводная передача энергии (Wireless power transfer, WET) по радиочастотному спектру, которая организует автономные сетевые подключения для маломощных наземных устройств в требуемом сценарии IoT.
Основной принцип действия WET заключается в том, что источники радиочастот передают энергетические сигналы на целевые устройства, оснащенные выпрямительной (ректенной) антенной схемой, которая преобразует полученную энергию электромагнитной волны в энергию постоянного тока. Таким образом, RF-EH в рамках WET подходит для пополнения энергии, хранящейся в аккумуляторной батарее беспроводных датчиков и других маломощных устройств IoT, контролируемым образом, тем самым гарантируя качественное обслуживание мобильных сетей без существенного увеличения стоимости и форм-фактора.
Концепция WET для 6G не является новой. Так, в 2021 году японская телекоммуникационная компания SoftBank уже проводила исследовательские мероприятия по передаче энергии в полосе частот 28 ГГц.
Технология была разработана совместно Киотским университетом, Технологическим институтом Канадзавы и Национальным институтом информационных и коммуникационных технологий.
Устройство WET было установлено на базовую станцию 5G. Тестирование показало, что один милливатт энергии передавался на мобильное устройство, на расстояние 10 метров от базовой станции, но скорость зарядки была очень низкой. Однако если брать в расчет, что использование 5G-сетями высокочастотных (миллиметровых) диапазонов для скоростных соединений, повлечет за собой создания более плотной структуры базовых станций и малых сот, то заметно снизить разряд мобильного устройства можно будет, просто перемещаясь по городу.
Хотя WET и рассматривается как ключевой компонент будущих IoT-сетей, промышленные и академические сообщества полагают, что для максимальной эффективности применения этого метода на первоначальном этапе, необходимо использовать его в качестве дополнения к уже существующим стратегиям использования возобновляемых источников энергии, либо в качестве альтернативы в экстремальных сценариях, когда строгие ограничения по стоимости или размеру не позволяют развернуть традиционные системы в отдаленных районах. Так, уже существуют проекты использования систем WET, устанавливаемых в качестве полезной нагрузки на беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Такие БПЛА-системы могут эффективно продлить срок службы маломощных наземных устройств, благодаря каналам связи воздух-земля с преобладанием прямой видимости. За счет использования гибкой мобильности БПЛА для сокращения расстояния передачи данных на IoT-устройства, WET обеспечивает гораздо более высокую эффективность передачи энергии, чем наземные аналоги.
Кроме этого, интеграция WET в системы радиосвязи привело к появлению нового метода использования контролируемой передачи радиочастотных сигналов для двойной цели: передачи данных и беспроводной зарядки (Wireless information and energy transfer, WIET).
WIET рассматривается как средство реализации возможных вариантов использования 6G, которые опираются на энергоустойчивые сети IoT, такие как интеллектуальные города и сети. Удовлетворение требований к качеству обслуживания WIET с точки зрения передачи данных и подачи питания требует эффективного совместного проектирования информационных и энергетических систем.
WIET является одним из направлений технологии SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) — это технология, которая позволяет одновременно передавать данные и электроэнергию по беспроводной связи между передатчиком (базовой станцией или точкой доступа) и приемником (беспроводным устройством или датчиком). SWIPT объединяет WET и беспроводную связь для обеспечения возможностей сбора энергии и передачи данных по одному и тому же беспроводному каналу.
Технология SWIPT имеет потенциальные применения в беспроводных сенсорных сетях, устройствах IoT, беспроводной зарядке, интеллектуальных сетях и системах управления энергопотреблением. Интегрируя передачу энергии и передачу данных в одном беспроводном канале, а также обеспечивает удобство, увеличенный срок службы батареи устройства и повышенную гибкость в различных сценариях беспроводной связи.
Таким образом, концепции WET, WIET и технология SWIPT являются ключевыми причинами процесса развития 6G IoT. Эти методы связи обеспечивают бесперебойную передачу энергии вместе с подключением данных к IoT-узлам в отдаленных, труднодоступных районах и позволят реализовать энергоустойчивые интеллектуальные среды, такие как «умные» дома/офисы, города и отрасли, тем самым революционизируя широкий спектр промышленных секторов и помогая решать основные проблемы устойчивости и социальные проблемы. С другой стороны, эффективная реализация систем 6G-WIET требует не только переосмысления определенных понятий связи, таких как распределение ресурсов и проектирование формы сигнала, но и зависит от базовых технологий. Поэтому понимание уникальных характеристик, преимуществ, возможностей и проблем, связанных с этими технологиями, имеет решающее значение для проектирования и оценки производительности WET/WIET в сетях 6G.