6G 技術趨勢與應用研究

靳欣欣

(1.深圳賽西信息技術有限公司，廣東 深圳 518057；2.中國電子技術標準化研究院，北京 100176)

0 引言

5G 的主要目標是滿足超高清、VR/AR、云桌面等業務在高移動、密集連接等情況下在消費場景以及工業、醫療、交通等垂直行業場景的需求，與物聯網等技術融合，開啟萬物互聯、數字孿生。但面向2030 及更遠的未來，5G 技術上限等仍然無法滿足網絡覆蓋與應用需求。

與5G 演進趨勢較類似，早期的6G，也就是5G 發展的中后期，6G 預計將是5G 的進一步拓展，在網絡性能、應用場景等各方面進一步優化和深化。而在6G 中后期發展中，隨著AI、量子計算、集成天線等技術的發展，6G將產生新的突破，甚至構建新世界。

1 從通信技術發展史看6G 技術演進趨勢

如圖1 所示，移動通信系統的發展是一個從溝通泛在、信息泛在、感知泛在到智慧泛在的過程，也是一個網絡連接更加廣泛、技術融合更加顯著、數據價值逐步凸顯、賦能效應指數升級的過程。

圖1 移動通信系統發展歷程

(1)網絡連接愈加廣泛

5G 以基站為中心發散覆蓋，通信對象集中在陸地地表10 km 以內高度的有限空間范圍，預計5G 時代仍將有80%以上的陸地區域和95%以上的海洋區域無移動網絡信號[1]，在基站所未覆蓋的沙漠、無人區、海洋等區域內將形成通信盲區；而6G 將充分利用低中高全頻譜資源，實現空天地一體化的全球無縫覆蓋[2]。

(2)網絡性能不斷提升

更大的連接數密度、更大的傳輸帶寬、更低的端到端時延、更高的可靠性和確定性以及更智能化的網絡特性，是移動通信網絡與垂直行業融合應用得以快速推廣和長遠發展的必然需要。盡管當前5G 應用的效應尚未完全顯現，但從5G 標準的規范來看，仍然在信息傳輸、交互、覆蓋等方面難以滿足某些垂直行業的業務需求。5G 與6G 的網性能對比如表1所示[2-3]。

表1 5G 與6G 的網絡性能對比

例如，對于工業精準控制場景、觸感技術等，需要將時延縮減至亞秒(＜1 ms)級甚至是微秒(μs)級[4]。全息通信中，極致的數據速率可帶來沉浸式全息連接體驗，這要求6G 數據速率需達到太比特量級。在測量測繪、精準農業、車聯網、形變監測等場景中，需要能夠支撐1 m 以下甚至亞米級的超高精度定位的通信技術，往往需要通信技術具備超低延時、群智感知、超大規模天線陣列等技術特點以及與衛星通信等通信系統的良好融合[5-7]。超能交通場景下，飛機、磁懸浮列車等承載的終端的移動速度將超過1 000 km/h，這對超高速移動環境下通信技術支持實時通信業務和高精度定位業務都提出了挑戰。

另外，隨著傳感器與智能終端類型的豐富、規模擴大，5G 網絡將無法承擔未來智慧城市場景中更大連接設備的接入，必須依賴下一代6G 網絡超大連接數性能的支撐。

(3)技術融合更加顯著

5G 與人工智能等技術的融合更多體現在共同應用在業務場景中。而高度自主智能化的超靈活網絡是6G最為明顯的特征之一。如圖2、表2 所示，6G 智能化將貫徹于網絡端到端每一個環節，人工智能、區塊鏈、大數據等技術將融合在網絡架構之中，實現網絡的自主自治[8-10]。

表2 6G 與其他技術融合的作用

圖2 6G 將與人工智能、區塊鏈等技術深度融合

(4)數據價值逐步凸顯

6G 網絡將推動數據來源更加多元化、數據連接規模大幅提升，推動產業、城市、社會向“數字孿生”演進，能夠在更大規模、更優水平上挖掘數據價值；與此同時，由于AI、區塊鏈等技術的引入，也改變了數據收集、優先級和共享方式，進一步優化了數據對于不同對象的價值體現；同時AI、區塊鏈等技術等提供了智能化的隱私安全保障機制。因此，6G 技術的實現與推廣，將極大意義上促進數據價值的進一步凸顯。

(5)賦能效應指數升級

6G 愿景是“海陸空天地”萬物互聯，推動現實世界向虛擬世界映射，加速社會智慧化升級，實現數字孿生和智慧泛在。以感知技術為例，從1G 到5G，實現信息交互的主要載體從語音、文字、圖片、視頻到VR 等傳感設備，而6G 的大吞吐量、超低延時等夠支撐多維感官的協同傳輸，使人們獲得“通感”體驗，包括觸感、聽感、視感等，可應用到醫療健康、教育培訓、文娛等多個領域。

2 6G 應用典型業務場景

通過對6G 技術趨勢的分析可知，6G 未來的場景應用價值主要體現在數據的廣泛且規模化采集、交互的實時性、獲得的便捷性等，從而獲得更加精準的數字化模型、更加高價值的運算結果、跨地域跨時間的體驗、更加智能化的反饋與服務，實現全社會的智慧內生。正如3G、4G 等信息技術把人類推向“虛擬網絡世界”，5G為人類開啟“萬物互聯”，6G 等未來信息技術將把全社會推向“數字孿生”，真正實現“萬物智聯”。

其實，不論是孿生工廠、孿生醫療、孿生城市，其本質都是在模擬仿真技術的基礎上，綜合應用AI 等技術，實現物理系統向信息空間數字化模型映射、監測、分析、優化、管理[11]。因此，本文重點介紹沉浸式體驗與交互、孿生醫療、孿生工廠、超能交通。

2.1 沉浸式體驗與交互場景

沉浸式體驗與交互可利用VR/AR 或者全息技術實現。對于VR 在線業務，通過云將內容存儲及圖像渲染遷移至云端，VR 頭顯設備只需具備解碼、呈現及網絡接入的能力。因此，云VR 大大降低了對頭顯設備的性能要求，有效降低頭顯設備成本，也將促進頭顯設備向輕量化發展。但目前4K VR 頭顯的清晰度對于沉浸式體驗遠遠不夠，甚至還會讓用戶產生疲勞感，而提高清晰度除了對于顯示技術的要求提高以外，對于帶寬要求也很高；對于VR 強交互業務來說，運動到成像的時延20 ms僅是不讓用戶產生眩暈感的最低要求[12]，能夠達到10 ms則更為理想，但是由于傳輸損耗、影像占據網絡容量大等原因，在實際應用中對于5G 來說存在難度。

根據投影物體和幀率的大小，全息通信需1 Gb/s～1 Tb/s 的網絡帶寬。而5G eMBB(增強帶寬)場景提供的用戶體驗速率為0.1～1 Gb/s，峰值速率為數十Gb/s[3]，很難達到甚至達不到全息通信對于高清、超高清影像的需求。為了讓用戶獲得身臨其境的感覺，全息通信要求網絡必須提供小于1 ms 的端到端時延[4]。

全息通信示意如圖3 所示。全息技術未來發展的關鍵趨勢是全息交互，通過AI 識別、傳感技術等采集用戶的動作等，通過交互系統分析，從而做出反饋，這對網絡通信和計算能力提出了更高的要求。

圖3 全息通信示意圖

2.2 孿生醫療

信息技術在醫療的應用演進如圖4 所示，醫療數字化、智慧化發展可以分為管理數字化、醫療數字化、虛擬醫院、孿生醫療4 個階段，目前我國醫療處在醫療數字化和虛擬醫院之間。疫情防控期間，我國5G 在遠程超聲波會診、遠程急救等場景得到示范應用與推廣[13]。

圖4 信息技術在醫療的應用階段演進

面向未來，材料、生物電子、傳感等技術將得到極大發展，傳感終端可以做到納米級別[14-15]，利用6G 超廣連接、超大帶寬形成“體域網”，通過大量的智能傳感器(＞100 項傳感器/cm3)，可準確地進行重要器官、神經系統、呼吸系統、泌尿系統、肌肉骨骼、情緒狀態等的信息采集，對人體的健康情況進行數字化映射形，實現對人體個性化健康數據的實時監控，醫療健康從“治療”轉向“預防”。

孿生醫療的可應用場景很多，并且隨著生物、醫學、電子、信息技術的發展應用場景將會繼續豐富，目前可以預想到的有納米機器人、數字器官、病理研究、疾病預防等。

實現納米機器人之間的協作、實時智能化模擬與定位等，需通信技術與生物學、材料等技術的融合應用。而納米機器人的高密度接入、納米機器人之間的通信速率、通信可靠性與網絡統一控制等也是未來6G 在納米機器人應用需要解決的問題。

數字器官是在納米機器人/傳感器的基礎上，實現對人體器官的精確模擬，在數字器官的基礎上可以實現對于藥物研發、器官手術、解剖教學等的模擬，從而降低醫學研究成本、提升手術的成功率等。為了實現對器官的完全實時模擬，未來的體域網對部署的納米機器人數量提出了超高要求。例如當前數字化器官模型對人體心臟進行重構時切片厚度僅為10 μm，那么需要7 000～8 000 個切片才可以完成重構[15]。如果把一個切片記錄的信息當成一個納米機器人負責重構的信息，那么部署在人體心臟的納米機器人數量將是數千級別。

2.3 孿生工廠

數字孿生工廠示意圖如圖5 所示，孿生工廠將設備、人員和廠區等的相關信息采集，通過仿真、建模映射到虛擬世界，綜合利用AI、邊緣計算等技術，實現對生產線、人員安全、設備狀態等的實時監測與控制，服務于工廠運行、管理與決策。

圖5 數字孿生工廠架構示意圖

以制造和運維優化環節為例，數字孿生工廠將會實現真正的無人化、智能化。在研發設計端形成的虛擬產品模型，進入制造環節，生產設備自主開始運行，并基于精準識別、高精度定位等技術實現高精度加工與精準裝配，尤其適用于飛機、汽車、高端裝備等離散型制造業。生產加工工程中的工藝仿真在超低延時網絡的驅動下，實時評估預測加工后的產品形態與質量，提前給出修改或預防建議。“數字孿生體”和真實的設備、人隨時隨地動態交互，共享數據，在模型驅動下自我優化，不斷進化。

6G 支撐工業大規模數據連接、數據實時采集、信息實時交互。相較于5G，由于引入了人工智能、區塊鏈等技術，6G 網絡可以實現自主自治的智能化運維與資源分配，因此，工廠內任何需要聯網的設備或手持終端都可以進行靈活組網，從而支持生產線的靈活調整與部署，主動適應制造業個性化、定制化C2B 的大趨勢。

2.4 超能交通

交通將是未來6G 應用與規模推廣的關鍵領域，未來出行將會有無人車、個人飛行器、智慧平衡器等多種交通方式，實現“上天入地，多模態自由出行”。超能交通，即是融合物聯網、6G、互聯網等，應用未來通信技術實現多模態、大規模交通工具的近乎全量連接，通過“云+AI”智慧大腦進行數據的存儲、分析、融合、應用，綜合虛擬現實、全息通信等技術，同時提供開放式的接入與應用能力，為城市交通及刑偵、社會運行等創造價值。

超能交通架構示意圖如圖6 所示，超能交通將貫穿“空－海(含海底)－路”，形成泛在的網絡連接與感知體系，通過對大量數據的融匯、分析、決策，不僅可實現路況的智能巡查、自主自優化，服務人們的出行與娛樂，還可以更大規模、更深層次地服務于應急搶險、警情調度、刑偵工作等。

圖6 超能交通架構示意圖

3 6G 應用性能需求及展望

3.1 不同場景對于6G 的性能需求

6G 所面向的場景相較于5G 復雜化、多樣化程度大幅提升，對于6G 的帶寬、延時、連接密度以及靈活性等都提出了更高的要求，總結不同場景下對于6G 網絡的性能需求如表3 所示。

表3 6G 面向不同場景的需求

3.2 6G 技術與應用展望

通過對6G 技術趨勢研判和典型應用場景的分析，可知未來6G 將帶來全新的技術視角、顛覆性的技術創新、全域全時全景的技術應用、廣泛深入的技術融合。

(1)全新的技術視角

相較于5G，6G 技術不僅僅是網絡性能上的大幅提升，還有由于與區塊鏈、人工智能等技術融合而帶來的網絡治理模式、網絡架構、應用接入模式等方面的顛覆，以及跨越空間的萬物互聯。例如，5G 對于網絡資源的目標是“按需分配”，而6G 則是“自主自治”。這些改變將為技術界、業務界帶來全新的視角，在此基礎上技術融合、應用創新演變進化，挖掘新的需求，從而顛覆原先的認知。

(2)顛覆性的技術創新

6G 技術不僅需要在5G 基礎上創新，而且需要對全新的智能網絡等方面進行新的研究，其中軌道角動量等技術研究尚在起步階段。另外，雖然無線空口技術也在5G 相關技術中進行研發，但并未取得突破性的成果，而若要真正實現6G 愿景，則需要進行突破性創新。6G 關鍵技術如圖7 所示[2]。

圖7 6G 關鍵技術

(3)全域全時全景的技術應用

6G 網絡目標是“空-天-地-海”的全域覆蓋，提供實時傳輸與反饋，同時擁有高密度的設備連接能力，能夠實現針對全域、某個區域、某個個體的“全景”畫像，基于“全域全時全景”的網絡覆蓋、數據采集、數據分析，實現更多維度、更高水平的技術應用，推動實現人類社會邁入數字孿生、智慧內生、泛在自由的時代。

(4)廣泛深入的技術融合

網絡覆蓋上，未來空-天-地-海一體化覆蓋網絡將由具備不同功能、位于不同高度的衛星、高空平臺、近地通信平臺以及陸地和海洋等多種網絡節點實現互聯互通，相互取長補短、優勢互補，形成一個以地面蜂窩網絡為基礎，多種非地面通信為重要補充的立體廣域覆蓋通信網絡，實現同一終端在地面、空中、海面各個區域的無縫漫游，為各類用戶提供多樣化的應用和服務。技術架構上，6G 引入了區塊鏈、AI 等技術，直接融合到網絡架構本身，形成分布式的、智能內生的網絡架構。應用上，全息技術、XR、AI、云、仿真等多種技術在多行業多場景融合創新，將形成新業態、新模式。