Scientific journal

Scientific Review. Technical science

ISSN 2500-0799

ПИ №ФС77-57440

Международный союз электросвязи (ITU) определяет Тактильный Интернет (Tactile Internet, далее TI) как интернет-сеть, которая сочетает в себе сверхнизкую задержку, экстремальную широкополосность, безопасность, надежность и повышенную доступность высокоскоростного подключения к Интернету, чему способствует использование технологии сети связи пятого поколения(5G) [1]. Тактильный Интернет вещей (Tactile IoT, далее TIoT) считается преемником Интернета вещей, который благодаря огромным технологическим достижениям привел к развитию интернета вещей, по сути является продолжением современного мобильного Интернета, но с добавленной способностью передавать не только аудио- и визуальные данные, но и тактильные ощущения в режиме реального времени. Это означает, что пользователи смогут чувствовать объекты и манипулировать ими удаленно, как если бы они присутствовали физически. TI создает интерактивную систему в реальном времени между человеком и машиной и привносит в мобильную сеть массовые взаимодействия «человек – машина» H2M (Human-to-Machine) [2]. Цель этой новаторской технологии – дать пользователям возможность воспринимать объекты в цифровом мире и манипулировать ими с таким же уровнем точности и оперативности, как и в физическом мире. Обладая потенциалом для преобразования отраслей промышленности, повышения общественной безопасности и улучшения нашей повседневной жизни, TI может стать краеугольным камнем цифровой эпохи.

Целью исследования являются анализ и построение Концепции внедрения TI на сетях мобильной связи. Рассмотрены концепция внедрения, структура и требования к TI на сетях мобильной связи, протоколы тактильной системе передача данных. Даны краткие рекомендации по внедрению TI на сетях 5G/5G-Advanced.

Материалы и методы исследования

Применены методы исследования: теоретический (анализ, синтез, аналогия, обобщение), монографический, цифровой анализ с применением приемов сравнения, технико-экономические расчеты эффективности и др.

Коммуникационные системы следующего поколения нацелены на достижение высокой спектральной и энергетической эффективности, низкой задержки и массового подключения благодаря значительному росту числа устройств интернета вещей (IoT). Эти устройства IoT будут предоставлять передовые услуги, такие как интеллектуальный трафик, мониторинг и управление окружающей средой, виртуальная реальность (VR) / виртуальная навигация, телемедицина, цифровое зондирование, передача видео высокой четкости (HD) и Full HD с помощью подключенных дронов и роботов. В основе TI лежит концепция тактильной коммуникации, которая предполагает передачу сенсорных ощущений по сетям. Это выходит за рамки простых вибраций и силовой обратной связи, которые люди в настоящее время испытывают с нашими смартфонами и игровыми контроллерами. Вместо этого Тактильный Интернет даст возможность пользователям ощущать текстуру, вес и форму объектов в режиме реального времени, позволяя им взаимодействовать с цифровой средой более естественным и интуитивно понятным способом [3].

Для достижения такого уровня реалистичности Тактильный Интернет требует сверхнизкой задержки и высокой надежности передачи данных. Международный союз электросвязи (ITU) установил целевую задержку всего в одну миллисекунду для Тактильного Интернета по сравнению с 10–20 миллисекундами, которые обычно наблюдаются в современных сетях LTE/LTE-Advanced [4].

Мобильный Интернет позволяет подключать устройства и людей для обмена голосовыми и мультимедийными данными в любое время и в любом месте. IoT соединяет машины или предметы для повышения их эффективности за счет использования возможностей сетевого взаимодействия. Разница между обычным IoT и TI заметна и существенна. Первый является средством передачи аудио- и визуальных данных, тогда как TI передает ощущение человеческого прикосновения в режиме реального времени. Ключевое различие между тактильным и не-тактильным управлением заключается в том, что в первом случае от системы имеется аудио-, визуальная и тактильная обратная связь, тогда как во втором случае обратная связь может быть только аудио- и/или визуальной, при этом понятие контура управления отсутствует. В таблице 1 приводятся основные характеристики IoT и TI.

Таблица 1

Основные характеристики IoT и TI.

Структура системы Тактильного Интернета (TI)

Таблица 2

Протоколы тактильной системе передача данных

В целом, технология TI воплощает антропоцентрическую модель, которая расширяет диапазон человеческих возможностей, включая помощь современных и автоматизированных устройств.

Для создания полностью функциональной сети для TI необходима сквозная связь, обеспечивающая надежность и безопасность прямых и эффективных коммуникаций, связанных с требуемыми операциями, с помощью тактильных и не-тактильных средств управления. Базовая архитектура TI состоит из трех компонентов. Первичный домен, сетевой домен и вторичный домен обеспечивают взаимосвязь уровней на каждом этапе внутренней связи и передачи данных. Пример базовой архитектурной модели можно увидеть на рисунке.

Основная область включает интерфейс «человек – система» (HSI), тактильную роботизированную систему, которая позволяет пользователям отправлять и получать ощущения в режиме реального времени человеку-оператору. Входные ощущения принимаются и преобразуются в подходящее тактильное кодирование, которое затем направляет и контролирует операции вторичной области. Однако функциональность роботизированной системы ограничена. Для оптимизации сверхбыстрого отклика и сверхнадежности TI следует увеличить степень свободы (DoF).

Следующим компонентом архитектуры является сетевой домен, разработанный кинестетически для двусторонней связи между первичным и вторичным доменами. Для этого требуется сверхнадежное, сверхчувствительное и безопасное подключение для обмена данными в режиме реального времени, что достигается благодаря коммуникационной архитектуре 5G, основанной на облачной архитектуре и архитектуре на основе сервисов. Базовая сеть (CN) и сеть радиодоступа (RAN) являются основными компонентами архитектуры связи 5G, удовлетворяющими основным требованиям TI.

В тактильной системе передача данных подразделяется на три области. В основной области действия и движения человеческого тела создают и передают тактильные данные через интерфейс Human System Interface (HSI), в контролируемой области управление данными осуществляется телеоператором как форма телеприсутствия и телеактивации (TPTA). Весь этот процесс осуществляется в сетевой области мобильной сети LTE/5G. В таблице 2 перечислены соответствующие протоколы тактильной системе передача данных, используемые в условиях реального времени.

Результаты исследования и их обсуждение

1. Основные требования Тактильного Интернета к мобильной сети

Важнейшими аспектами сети 5G являются связь с низкой задержкой и управление устройствами в режиме реального времени. Эта будущая волна инноваций проложит путь к TI. Очень низкая задержка в сочетании со сверхвысокой надежностью, а также неизменным качеством и безопасностью будут характеризовать TI. TI основан на максимально возможном времени реакции, доступности, надежности и безопасности. Эти цели должны быть достигнуты с помощью архитектур распределенных платформ обслуживания. Требование очень низкой сквозной задержки приводит к тому, что тактильные приложения должны реализовываться в локально доступных системах, рядом с клиентами. TI характеризуется следующими технологическими требованиями:

• сверхнизкая задержка; круговая задержка от 1 мс и ниже;

• сверхвысокая доступность; доступность 99,999%;

• сверхзащищенная сквозная связь (E2E);

• высокая пропускная способность мобильной сети (>1 Гбит/с);

• средняя скорость передачи тактильных данных составляет не менее 100 Мбит/с;

• пропускная способность сети: до 1 млн устройств на 1 кв. км;

• надежность: 99,999% надежности мобильной сети;

• мобильность: бесперебойная передача данных между радиоузлами со скоростью до 500 км/ч;

• время автономной работы: до десяти (10) лет автономной работы устройств с низким энергопотреблением (IoT, IIoT и TIoT).

2. Внедрение TI на сетях 5G/5G-Advanced

Мобильная связь 5G предлагает ряд преимуществ, которые включают чрезвычайно низкую задержку, очень высокие скорости передачи данных, значительное увеличение числа пользователей, а также увеличение пропускной способности базовой станции и воспринимаемого качества обслуживания. Это может быть достигнуто за счет увеличения сложности приема за счет неортогонального доступа пользователей. Неортогональный множественный доступ (NOMA) является одним из способных претендентов на реализацию концепции беспроводной связи 5G. Поддержка большего числа пользователей, чем доступные ортогональные ресурсы, является ключевым принципом NOMA.

В таблице 3 перечислены преимущества и ограничения технологии TI на сети 5G.

Для решения этих задач потребуется использование следующих новых технологий телекоммуникаций [5, 6]:

• MEC (Mobile Edge Computing) – размещение граничных облаков ближе к конечному пользователю и снижение задержки;

• NFV (Network Function Virtualization) – виртуализация сетевых функций совместно с облачными вычислениями;

• SDN (Software Defined Networks) – большая гибкость и управляемость программно-конфигурированной сети, распределение ресурсов и приложений;

• D2D (Device-to-Device communications) – возможность обеспечения минимальной задержки в условиях огромного числа разнородных устройств.

Таблица 3

Особенности сети 5G для TI

В июле 2018 года МСЭ учредил специализированную рабочую группу для изучения системных технологий для систем B5G/6G. Прогнозируется, что МСЭ завершит стандартизацию 6G (ITU-R IMT-2030) к концу 2030 года, тогда как 3GPP завершит стандартизацию 6G релизом R23 [7].

Заключение

TI представляет собой новый рубеж в области подключения, который потенциально может революционизировать то, как люди взаимодействуют с технологиями и друг с другом. Однако существуют также проблемы, которые необходимо решить, такие как вопросы задержки сети, вопросы конфиденциальности и безопасности. Передача тактильных ощущений через Интернет требует высокого уровня передачи и обработки данных, что может сделать их уязвимыми для взлома и несанкционированного доступа. Кроме того, возможность удаленного манипулирования объектами поднимает этические вопросы о границах личного пространства и согласия. По мере дальнейшего развития сетей 5G/6G и развития тактильных технологий ожидается появление растущего числа приложений и вариантов использования этой захватывающей технологии, что в конечном итоге приведет к более захватывающему и интерактивному цифровому будущему.