6G 需求、愿景與應(yīng)用場景探討*

王瑜 新 ，章 秀銀 ，徐汗 青 ，唐 杰 ，陳 真

(1.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州510641；2.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳518055；3.移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳518055)

0 引言

回顧移動(dòng)通信40 年來的發(fā)展歷程,可以發(fā)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基本上是以10 年為周期進(jìn)行迭代升級(jí)，如圖1所示。歷經(jīng)第一代模擬語音通信、第二代數(shù)字語音通信、第三代簡易多媒體通信和第四代的移動(dòng)寬帶多媒體通信移動(dòng)通信，目前處于第五代大規(guī)模商用的起始階段。 隨著人類社會(huì)化和智能化需求的不斷提升，5G 也將會(huì)出現(xiàn)性能和應(yīng)用方面的瓶頸。 正如10 年前啟動(dòng)5G 的研究，現(xiàn)在開始6G 的研究符合移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律[1]。

國內(nèi)外產(chǎn)學(xué)研已于2019 年開始啟動(dòng)6G 研究，涵蓋愿景需求、場景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)等諸多研究內(nèi)容。 在國際方面，國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)在2020 年2 月瑞士日內(nèi)瓦召開ITU-R WP5D 工作組會(huì)議，會(huì)議決定啟動(dòng)未來新一代移動(dòng)通信(6G)的研究工作。 美國在2019 年初宣布啟動(dòng)6G研究，聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)為6G 研究開放了太赫茲頻段。 2019 年9 月，芬蘭奧盧大學(xué)與參會(huì)的70 位世界頂尖通信專家共同發(fā)布全球首份6G 白皮書——《6G 泛在無線智能的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素及其研究挑戰(zhàn)》[2]。 在國內(nèi)方面，中國工業(yè)與信息化部在原有的5G 推進(jìn)組(IMT-2020)基礎(chǔ)上，成立6G 推進(jìn)組(IMT-2030)，開展關(guān)于6G 愿景、需求、關(guān)鍵技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化的可行性研究。 中國科技部于2019 年11 月成立國家6G 技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組和總體專家組。 中國移動(dòng)于2019 年11 月發(fā)布了《6G 愿景與需求白皮書》，提出“數(shù)字孿生，智慧泛在”的6G 愿景[3]。 綜上所述，雖然國內(nèi)外已經(jīng)啟動(dòng)6G 的前瞻性研究，產(chǎn)業(yè)界或研究機(jī)構(gòu)也提出了關(guān)于6G 方面的初步設(shè)想，但關(guān)于6G 需求、愿景、應(yīng)用場景及其性能指標(biāo)方面還遠(yuǎn)未達(dá)成共識(shí)。 但基本的研究方法依然一脈相承，即：依據(jù)5G 發(fā)展情況，一方面分析現(xiàn)有系統(tǒng)的不足和挑戰(zhàn)，另一方面分析未來的潛在業(yè)務(wù)需求， 從而總結(jié)出未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的特征，設(shè)計(jì)未來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需求愿景，并進(jìn)一步探討頻率需求、技術(shù)和運(yùn)營挑戰(zhàn)、潛在創(chuàng)新機(jī)會(huì)等問題。 6G 一定是一個(gè)對5G 不足不斷增強(qiáng)，并滿足新的需求并順勢發(fā)展的系統(tǒng)。 以此為基本出發(fā)點(diǎn)，本文從5G 通信系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)和不足入手， 通過分析6G 階段可能出現(xiàn)的典型業(yè)務(wù)， 對6G 愿景和應(yīng)用場景進(jìn)行探討， 初步給出6G網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)體系。

圖1 移動(dòng)通信的發(fā)展歷程

1 5G 通信系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對通信的需求也將不斷提升，5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)將面臨如下挑戰(zhàn)：

(1)數(shù)據(jù)速率

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)和虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)被認(rèn)為是5G 高數(shù)據(jù)率最重要的需求之一，未來AR/VR 和混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality，MR)將融合到擴(kuò)展顯示(Extended Reality，XR)中。 同時(shí)，高保真XR 交互或全息交互將替代現(xiàn)有的平面多媒體的交互形式，該類型業(yè)務(wù)將至少需要Tb/s 級(jí)別以上的峰值速率。 目前的5G 系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)如此高的數(shù)據(jù)速率。

(2)時(shí)延與可靠性

當(dāng)前5G 系統(tǒng)可達(dá)到低至1 ms 時(shí)延特性，并提供10-6的可靠性能力。 而未來的工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療和自動(dòng)駕駛等應(yīng)用，對移動(dòng)通信的時(shí)延和可靠性能力將提出更高的要求。 例如：時(shí)延需要縮減至亞秒(＜1 ms)級(jí)甚至是微秒(μs)級(jí)，可靠性則要達(dá)到10-7，這必將為5G 系統(tǒng)的演進(jìn)帶來挑戰(zhàn)。

(3)萬物互聯(lián)

萬物互聯(lián)的大規(guī)模機(jī)器通信mMTC 是5G 標(biāo)準(zhǔn)定義的三大應(yīng)用之一，但運(yùn)營商考慮到4G 中的物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT收入非常有限， 而且目前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用還處于初級(jí)階段，因此對物聯(lián)網(wǎng)的投入興趣不大。 同時(shí)，3GPP 國際標(biāo)準(zhǔn)組織在R15 版本之后并未對mMTC 空口技術(shù)進(jìn)行持續(xù)增強(qiáng)和演進(jìn)。 因此，萬物互聯(lián)的愿景在目前的5G 系統(tǒng)中并未得到很好的實(shí)現(xiàn)。 為了實(shí)現(xiàn)這一愿景，需要進(jìn)一步解決物聯(lián)網(wǎng)終端的深度覆蓋、廉價(jià)成本及電池壽命的問題。此外，隨著傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，設(shè)備連接密度的需求將大于現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)中的每平方米一個(gè)連接設(shè)備。 如何在6G 研究中找到更好的突破口，真正實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，也將會(huì)是現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究方向和重要挑戰(zhàn)。

(4)通信網(wǎng)絡(luò)空間范圍

目前5G 系統(tǒng)的通信范圍主要還是以基站為中心的覆蓋，而在人口密度低的偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋、太空等區(qū)域，5G 網(wǎng)絡(luò)無法進(jìn)行有效覆蓋，進(jìn)而形成信號(hào)盲區(qū)。 隨著人類在野外科考探險(xiǎn)、太空及航海、航空活動(dòng)的日益頻繁,人們對隨時(shí)隨地寬帶通信的需求也不斷增加,如何構(gòu)建空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)真正意義上全球無縫覆蓋，將是未來B5G 或6G 研究的重要方向。

(5)能源效率

為了保證覆蓋范圍與4G 網(wǎng)絡(luò)基本相同，現(xiàn)有5G 基站采用增加基站發(fā)射功率的方式，實(shí)現(xiàn)5G 大帶寬下的功率密度與4G 基站的一致性，但也導(dǎo)致運(yùn)營商在電費(fèi)方面的運(yùn)營成本明顯增加。 未來6G 通信將朝著更大通信帶寬的方向發(fā)展，為了提高功率效率，在發(fā)射端采用更大規(guī)模的天線陣來聚焦發(fā)射功率，在接收端采用更先進(jìn)的處理算法來高效利用接收功率，或采用其他多跳技術(shù)和智能反射面板技術(shù)等，都是未來6G 可以研究的方向。

(6)網(wǎng)絡(luò)融合

5G 通信定義增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)、超可靠低時(shí)延通信(uRLLC)以及大規(guī)模機(jī)器通信(mMTC)三大應(yīng)用場景。 但目前除了eMBB 獲得大規(guī)模商用，其他兩大應(yīng)用場景并未有實(shí)現(xiàn)較好的產(chǎn)業(yè)化回報(bào)，主要是由于5G 網(wǎng)絡(luò)向垂直行業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展時(shí)，遇到了網(wǎng)絡(luò)融合方面的難題，包括移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與家庭寬帶固網(wǎng)的融合、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)/醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)/物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的融合等。 網(wǎng)絡(luò)融合問題需要在后續(xù)的B5G 或6G 系統(tǒng)研究中認(rèn)真考慮。

(7)人工智能與通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合

人工智能(Artificial Intelligence，AI)在其他領(lǐng)域的成功，使得人們開始考慮在5G 系統(tǒng)中使用AI 技術(shù)[4-5]。 但由于5G 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初對AI 的考慮較少，以及目前的AI 算法在無線通信領(lǐng)域的局限性[6-9]，5G 與AI 的結(jié)合并不是真正以AI 為基礎(chǔ)的全新智能通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，僅是利用AI 算法對傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)最核心最有價(jià)值的部分在于無線空口接入網(wǎng)，目前AI 與5G 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和提高網(wǎng)絡(luò)靈活度方面，AI 賦能移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的作用還極其有限。

綜上所述，目前5G 通信系統(tǒng)所面臨的各種挑戰(zhàn)，將會(huì)是后續(xù)6G 技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定過程中要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵性問題。

2 6G 愿景與應(yīng)用場景

2.1 6G 愿景

在5G 研究初期，IMT-2020 推進(jìn)組確立5G 愿景為“信息隨心至，萬物觸手及”[10]，其目標(biāo)是使得人類社會(huì)從4G 的移動(dòng)互聯(lián)過渡到5G 的萬物互聯(lián)時(shí)代。 6G 目標(biāo)是滿足2030 年之后的信息社會(huì)需求， 進(jìn)一步提升移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率、可靠性、能源效率的同時(shí)，降低通信時(shí)延，擴(kuò)展通信網(wǎng)絡(luò)空間，并結(jié)合AI 打通虛實(shí)空間，實(shí)現(xiàn)萬物智聯(lián)。因此，6G 愿景可以概括為4 個(gè)關(guān)鍵詞：“智慧連接”、“深度連接”、“全息連接”、“泛在連接”，并共同構(gòu)成“一念天地，萬物隨心”的6G 總體愿景[11]。

2.2 6G 主要應(yīng)用場景展望

(1)全息通信

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和人們對網(wǎng)絡(luò)溝通需求的不斷提升，未來AR/VR 和MR 將融合到XR 中，高保真XR交互或全息交互將替代現(xiàn)有的平面多媒體的交互形式，人們可以隨時(shí)隨地享受沉浸式的全息技術(shù)所帶來的體驗(yàn)[11-12]。 全息技術(shù)利用干涉和衍射技術(shù)來將物體的三維圖像高清展示在人們的面前，可以裸眼或通過XR 等技術(shù)來進(jìn)行全息交互。 為了實(shí)現(xiàn)全息通信的目標(biāo)要求，至少需要Tb/s 以上的峰值速率。

(2)數(shù)字孿生

隨著先進(jìn)傳感器、AI 和通信等技術(shù)的不斷發(fā)展，6G將在5G 的基礎(chǔ)上支持世界的全面數(shù)字化。 將物理世界向虛擬世界復(fù)制，包括人、器件、目標(biāo)物體、系統(tǒng)、地方等各種要素，這就是數(shù)字孿生的概念。 預(yù)計(jì)在6G 及以后的時(shí)代，世界將存在物理世界和虛擬的數(shù)字孿生世界，人們可以不受時(shí)間或空間限制，通過數(shù)字孿生世界去探索和感知世界，從而去發(fā)現(xiàn)問題或預(yù)測世界的變化，及時(shí)對物理世界進(jìn)行糾正。 例如：通過在體內(nèi)外密集部署傳感器(＞100 個(gè)/人)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析與建模，生成“數(shù)字孿生人”，醫(yī)生可以進(jìn)行精確的遠(yuǎn)程手術(shù)、人體健康管理，科學(xué)家可以進(jìn)行高效的病毒機(jī)理研究、器官研究等[3]。 數(shù)字孿生技術(shù)對通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，以再現(xiàn)1 平方米區(qū)域的三維世界為例，像素?cái)?shù)量的需求將大于1 萬億像素，假定傳輸周期為100 ms，以1/300 的比例進(jìn)行壓縮，需要的傳輸速率至少為0.8 Tb/s[13]。

(3)自動(dòng)駕駛

隨著人口的不斷增長和經(jīng)濟(jì)的快速全球化，即使可以通過“數(shù)字孿生”技術(shù)呈現(xiàn)遠(yuǎn)端世界，現(xiàn)實(shí)世界的人員或貨物的流動(dòng)仍然不可避免。自動(dòng)駕駛技術(shù)的使用將會(huì)使得運(yùn)輸和物流更加高效。自動(dòng)駕駛技術(shù)是采用車路協(xié)同的方式，眾多的傳感器將嵌入到每輛車之中，道路也會(huì)安裝大量傳感器，通信網(wǎng)絡(luò)需要將車上傳感器感知信息、道路傳感器獲取信息與云端進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)交互，實(shí)現(xiàn)協(xié)同決策，并發(fā)出動(dòng)作指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。因此，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，需要完整的系統(tǒng)配套，包括雷達(dá)傳感器、云端智能交通控制中心以及實(shí)現(xiàn)端到端、端到控制中心通信的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。車聯(lián)網(wǎng)將控制樞紐與大量的遠(yuǎn)端自動(dòng)駕駛汽車緊密相連，組成一張龐大的智慧交通網(wǎng)絡(luò)，這對車輛網(wǎng)通信的傳輸可靠性和時(shí)延提出非常高的要求。預(yù)計(jì)6G 通信網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)低于1 ms 的時(shí)延和10-7可靠性，將有力加快自動(dòng)駕駛時(shí)代的到來。

(4)空天海地通信

隨著科技的進(jìn)步和人類對活動(dòng)空間需求的提高，人類在野外科考探險(xiǎn)、太空、航海航空活動(dòng)的日益頻繁，人們對隨時(shí)隨地寬帶通信的需求也不斷增加[14]。 6G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋將從陸地?cái)U(kuò)展到天空和海洋，將空間、陸地以及海洋無縫連接，實(shí)現(xiàn)空天海地一體的全球信號(hào)覆蓋。對于其組網(wǎng)方式，地面基站與低軌衛(wèi)星、高軌衛(wèi)星、地面的直放站、水下基站等共同組網(wǎng)，進(jìn)行全方位的深度覆蓋。在6G 時(shí)代，人類將可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的“泛在連接”。

3 6G 性能指標(biāo)

隨著時(shí)代的發(fā)展，預(yù)計(jì)2030 年以后的6G 網(wǎng)絡(luò)將催生更多的應(yīng)用業(yè)務(wù)，與AI 的結(jié)合更加緊密，對數(shù)據(jù)訪問的安全等級(jí)也會(huì)有更細(xì)的量化指標(biāo)，6G 全球信號(hào)的立體覆蓋也會(huì)對定位提出更高的要求。 因此，對于6G 網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)體系，除了傳統(tǒng)的峰值數(shù)據(jù)率、用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)率、能源效率、頻譜效率、空口時(shí)延、移動(dòng)速度、連接密度、可靠性指標(biāo)之外，還需要定義通信終端的智能等級(jí)、可信安全等級(jí)、定位精度等指標(biāo)，例如：L4 的智能等級(jí)、超可靠的安全等級(jí)、厘米級(jí)別的定位精度。為了方便對比6G 和5G 的性能指標(biāo)，圖2 給出了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)對比。

(1)峰值數(shù)據(jù)率

峰值數(shù)據(jù)率是歷代通信系統(tǒng)一直追求的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。 5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最重要的一個(gè)應(yīng)用是eMBB，意味著高速的數(shù)據(jù)率，下載一部高清的電影視頻只需幾秒。 預(yù)測未來十年的發(fā)展趨勢,利用太赫茲和光譜頻段的大帶寬優(yōu)勢，可知2030 年可能達(dá)到Tb/s 峰值速率。

(2)用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)率

圖2 6G 與5G 的性能指標(biāo)對比

在高頻段大帶寬下，用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)率可達(dá)Gb/s。

(3)能源效率

全球超大規(guī)模的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為人們的工作生活帶來極大便利的同時(shí)，也消耗了大量的能源電量。 未來將搭建更多的基站和發(fā)射大量的衛(wèi)星來共同組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遍布全球的6G 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，將對能耗帶來前所未有的巨大挑戰(zhàn)。 預(yù)計(jì)6G 的能源效率是5G 的2 倍。

(4)頻譜效率

增加傳輸帶寬以實(shí)現(xiàn)更高的峰值速率的同時(shí)，為了達(dá)到相比5G 更高的能源效率，預(yù)計(jì)6G 的頻譜效率是5G 的2 倍。

(5)空口時(shí)延

無論是全息交互，還是自動(dòng)駕駛、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療，都需要較低的交互時(shí)延，預(yù)計(jì)6G 要實(shí)現(xiàn)100 μs的級(jí)別。

(6)移動(dòng)速度

隨著超高速列車的使用以及航空通信的需求，在5G的500 km/h 基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)移動(dòng)速度要達(dá)到1 000 km/h。

(7)連接密度

隨著智能傳感器的大量使用，利用超密集網(wǎng)絡(luò)、更大規(guī)模天線陣列和更大帶寬，6G 的連接密度可望達(dá)到5G 的2 倍。

(8)可靠性

隨著B5G 或6G 不斷廣泛應(yīng)用到垂直行業(yè)，如工業(yè)控制互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等，對6G 可靠性的需求有望達(dá)到10-7。

4 結(jié)論

本文首先分析了目前5G 通信系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，探討了6G 需求、愿景和應(yīng)用場景，并對6G 的性能指標(biāo)進(jìn)行了預(yù)測。 6G 一定是一個(gè)對5G 不足不斷增強(qiáng)，并滿足新的需求并順勢發(fā)展的系統(tǒng)。 6G 的“智慧連接”、“深度連接”、“全息連接”、“泛在連接”關(guān)鍵特性，共同構(gòu)成“一念天地，萬物隨心”的6G 總體愿景。