6G通信時代產(chǎn)業(yè)生態(tài)典型機會探析

劉 星 封華偉

（清華大學，北京 100084）

0 引言

隨著世界各國針對第六代通信技術(shù)（6G）的愿景、技術(shù)、頻譜、標準等陸續(xù)展開研究和規(guī)劃，6G所涉及的產(chǎn)業(yè)生態(tài)機會也成為產(chǎn)學研各界的關(guān)注點。

6G所涉及的產(chǎn)業(yè)生態(tài)已顯著擴張[1-3]，廣泛地拓展到星地海洋通訊、飛行器、可調(diào)元件、顯示設(shè)備等眾多領(lǐng)域。要實現(xiàn)從5G向6G的躍升，需要在全域覆蓋、更低時延、更高的用戶體驗速率，以及智能化程度等多方面取得突破。鑒于此，本文選取6G規(guī)劃中在全域覆蓋方面最具潛力的網(wǎng)絡(luò)使能技術(shù)之一——星地一體化，在智能化程度方面最具潛力的無線使能技術(shù)之一——智能超表面，在更低時延、更高的用戶體驗速率方面選取市場規(guī)模預(yù)期最大的垂直應(yīng)用之一——擴展現(xiàn)實（XR），作為典型產(chǎn)業(yè)生態(tài)機會加以分析。

1 智能超表面

智能超表面與超材料密切相關(guān)。超材料是人為設(shè)計的具有天然材料所不具備的特異物理性質(zhì)的材料，而智能超表面是操控超材料在移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用。智能超表面由眾多可調(diào)元件組成，這些可調(diào)元件可以是變?nèi)荻O管、PIN開關(guān)、MEMS開關(guān)、液晶、石墨烯等，通過對這些可調(diào)元件施加偏置電壓可以實現(xiàn)對電磁波的動態(tài)調(diào)控，從而控制反射信號的幅度、相位等特性。具體的調(diào)控方式包括通過FPGA編程，采用人工智能算法建立輸入信號和輸出信號之間的映射關(guān)系，從而實現(xiàn)對信號傳播的控制。

1.1 智能超表面的技術(shù)實現(xiàn)與應(yīng)用

智能超表面由于具有控制信號傳播的能力，能夠滿足6G網(wǎng)絡(luò)的擴大覆蓋面以及去蜂窩化的要求，尤其適用于建筑物密集區(qū)域。

1.1.1 消除覆蓋盲區(qū)

當發(fā)射基站和接受終端是非視距信道時（即它們的直線傳播途徑被障礙物阻擋），必須借助反射路徑進行傳播，而一般物體所產(chǎn)生的漫反射讓信號難以集中反射到接受終端。此時可以通過調(diào)整智能超表面的可控元件，讓反射信號集中傳遞到覆蓋盲區(qū)。

1.1.2 安全通信阻斷竊聽

常規(guī)的基站信號不能主動選擇接受用戶，當發(fā)現(xiàn)有竊聽者時也不能在保證其他用戶通信的情況下阻斷竊聽者接受信號。借助智能超表面技術(shù)，當?shù)弥`聽者的方位后，可以控制對應(yīng)方向的反射信號的相位，抵消該方向的直射信號，使竊聽者接收不到信號，從而保證了通信的安全。

1.1.3 增強邊緣覆蓋

位于小區(qū)邊緣的終端，在本區(qū)信號較弱的同時還會受到鄰區(qū)信號干擾。智能超表面可以通過操控反射信號的相位，讓本區(qū)的同相疊加增強，鄰區(qū)的反相疊加抵消，在增強邊緣覆蓋的同時消除鄰區(qū)干擾。

1.2 智能超表面的產(chǎn)業(yè)生態(tài)機會

目前，智能超表面的部分技術(shù)環(huán)節(jié)仍在攻堅階段。例如，選取合適的人工智能算法[4]來提供自適應(yīng)的超表面實時調(diào)控以適應(yīng)環(huán)境的變化，將無源的RIS變?yōu)橛性磥砜朔IS的“乘性衰落”效應(yīng)。

智能超表面的核心在于可調(diào)元件，如變?nèi)荻O管、PIN開關(guān)、MEMS開關(guān)、液晶、石墨烯等。在此市場機會下，液晶行業(yè)，二極管，以及MEMS傳感器行業(yè)的龍頭企業(yè)均有可能率先獲益。

2 星地深度融合

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能夠覆蓋鄉(xiāng)村、邊遠、海上、空中的用戶，覆蓋容量大。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的另一個優(yōu)勢是能讓車、船、飛機這些移動的載體能夠不間斷地傳遞信息，在搶險救災(zāi)和軍事活動方面發(fā)揮巨大作用。在用戶與應(yīng)用層面，6G的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)為信號較差的農(nóng)牧場、海洋、偏僻的科學站點及荒郊野外的旅游探險者提供了全域覆蓋，帶來更多便捷。

2.1 星地深度融合的技術(shù)實現(xiàn)與應(yīng)用

星地深度融合是空天地一體化的通信網(wǎng)絡(luò)，自上而下分為天基通信、空基通信和地基通信三個層次。

天基通信的設(shè)備主要是衛(wèi)星，其產(chǎn)業(yè)鏈又可分為衛(wèi)星的制造、發(fā)射、地面設(shè)備制造以及衛(wèi)星運營及服務(wù)四個環(huán)節(jié)，進而又涉及到火箭，運營設(shè)備以及終端芯片等產(chǎn)業(yè)。

在3～50km的空基通信中，主要設(shè)備為高空平臺（HAPS： High Altitude Platform Station）和飛機。HAPS是衛(wèi)星與地面基站的中轉(zhuǎn)設(shè)備，一般具有浮空的特點，即長時間停留在固定的高空位置，一般有飛艇、氣球、無人機三種設(shè)備。

在小于3km的地基通信設(shè)備中，又可分為無人飛行器（UAV）、基站和衛(wèi)星信關(guān)站。衛(wèi)星信關(guān)站在公眾電話交換網(wǎng)絡(luò)（PSTN）和全球移動衛(wèi)星通信（GMSC）之間起轉(zhuǎn)接作用。

地面用戶想要使用到衛(wèi)星的服務(wù)，有直接接入、通過HAPS接入和通過衛(wèi)星信關(guān)站接入等多種方式。一般小型的電子設(shè)備（如手機）需安裝天線等信號接收設(shè)備要來接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，會喪失手機的便攜性。此外，要和衛(wèi)星形成互通的網(wǎng)絡(luò)，還要有向衛(wèi)星發(fā)射信號的能力，對手機的功率和電池容量都是一個考驗。所以，目前來看，直接接入衛(wèi)星信號的方式更適合輪船、坦克等大型設(shè)備。HAPS和衛(wèi)星信關(guān)站都是衛(wèi)星信號傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，區(qū)別在于HAPS是空基中轉(zhuǎn)站，而衛(wèi)星信關(guān)站是地基中轉(zhuǎn)站，前者可以采用飛艇、熱氣球等浮空設(shè)備，沒有地形限制，而衛(wèi)星信關(guān)站是建立在地面上，成本較低，可以大量建設(shè)覆蓋。

2.2 星地深度融合的產(chǎn)業(yè)生態(tài)機會

在星地深度融合的市場機會下，近地低軌道通信衛(wèi)星（LEO）的衛(wèi)星制造公司[5]值得關(guān)注。此外，具備核心技術(shù)的微波毫米波射頻芯片領(lǐng)軍企業(yè)也將隨著6G行業(yè)的發(fā)展而受益。高空平臺一般由飛艇、氣球、無人機組成，國內(nèi)的飛艇制造企業(yè)，以及國內(nèi)僅三家持有熱氣球生產(chǎn)資格證的公司，均有機會在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中獲益。

3 擴展現(xiàn)實

擴展現(xiàn)實（XR）包括虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）。VR是利用計算機生成的一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合交互的三維動態(tài)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中，是完全虛擬的。而AR是實時地計算攝影機影像的位置及角度，并在對應(yīng)位置添加3D模型技術(shù)，目標是將虛擬與現(xiàn)實進行結(jié)合互動。MR包括增強現(xiàn)實和增強虛擬，通過在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實場景信息，在虛擬世界、現(xiàn)實世界和用戶之間搭建一個三者交互的平臺，在MR中現(xiàn)實信息被數(shù)字化而與虛擬信息進行融合，此時人們已無法區(qū)分現(xiàn)實與虛擬的邊界。

3.1 擴展現(xiàn)實的技術(shù)實現(xiàn)與應(yīng)用

在理想的未來，XR的發(fā)展達到能夠讓人所有的感官都具備沉浸式的感受時，XR基本就可以讓人足不出戶地做一切想做的事。用戶將不再受到時間和地點的限制，隨時能享受到虛擬的教育、旅游、運動等完全沉浸式體驗。

為了讓人們能有沉浸式的體驗，XR的設(shè)備要盡可能真實地模擬出人體的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等感官，并與人進行交互。

3.1.1 XR視覺設(shè)備

目前視覺是最考驗設(shè)備性能和網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的功能。傳統(tǒng)的顯示器是平面的，在人的視野范圍內(nèi)只占一小塊，而XR顯示器是球面的，有著更廣闊的視野。一般而言，XR的視場角（Field of View“FOV”）要達到130°才能有較好的體驗。

除此以外，XR設(shè)備是把畫面投影到人眼前25～50cm處，比一般的顯示設(shè)備離人眼的距離更近，更容易出現(xiàn)紗窗效應(yīng)，看到鋸齒和點陣，所以XR顯示器要比傳統(tǒng)顯示器對清晰度的要求更高。

具體到參數(shù)上的要求就是角分辨率一般要達到60ppd。而目前的4K視頻換算成XR全景只有約11ppd。目前領(lǐng)先的技術(shù)Micro LED宣稱可以達到30ppd，離滿足擴展現(xiàn)實的要求又更近了一步，但現(xiàn)階段成本居高不下，尚未實現(xiàn)量產(chǎn)。市場主流VR設(shè)備搭載的顯示屏仍以LCD/ Fast LCD為主。

在目前的XR設(shè)備的用戶體驗中，除了清晰度，刷新率也很重要，這兩個參數(shù)如果不達標，可能會導(dǎo)致暈動癥的產(chǎn)生。目前市面上主流的VR眼睛已經(jīng)能達到90～120HZ的刷新率，但是想要擁有足夠真實的體驗，刷新率要達到150～240Hz以上才能實現(xiàn)。

就目前市面上已有的VR設(shè)備來看，在屏幕類型、視場角、角分辨率和刷新率幾個重要維度的參數(shù)指標上，距離理想值仍有一定差距（參見表1）。

表1 VR設(shè)備搭載的微型顯示屏設(shè)備參數(shù)對比

3.1.2 XR聽覺設(shè)備

沉浸式XR設(shè)備要能夠具備全向三維定位虛擬聲源的能力和三維實時跟蹤聲音位置變化能力。一般而言，耳機設(shè)備通常是雙聲道，滿足立體聲的要求，而揚聲器則難以控制兩個耳膜收到的信號之差，未來可能的發(fā)展方向是用多個固定揚聲器來做到立體環(huán)繞聲。目前來看，XR設(shè)備中的聽覺已基本滿足要求，技術(shù)較為成熟。

3.1.3 XR觸覺、嗅覺、味覺設(shè)備

觸覺、嗅覺、味覺都還處在概念階段。

Meta Reality Labs 2021年11月16日公布旗下一款觸覺手套的設(shè)計，采用微流控處理器讓佩戴者感受到觸覺，然而這款手套依然處于早期研究階段，Meta Reality Labs尚未發(fā)布具體完成時間。

嗅覺方面，目前市面上一款日本公司研發(fā)的VAQSO VR，售價999美元，現(xiàn)階段能模擬五種氣味，像打印機一樣包含五個可更換的墨盒，每個墨盒裝有一種香水，不過氣味數(shù)有限且需提前布置，距離真正實現(xiàn)嗅覺的沉浸式感受還有很遠的距離。

味覺是所有感官中最難模擬的。詹姆斯·比爾德基金會（James Beard Foundation）在2018年推出的Aero banquets RMX通過視覺、聽覺、嗅覺等綜合作用，通過通感式的解決方式“仿造”了味覺的感知。

3.1.4 XR交互設(shè)備

沉浸式XR涉及語音交互、頭手交互、定位交互等復(fù)雜的交互方式。燈塔定位和頭手自由度是兩個重要的交互要素。以燈塔定位精度領(lǐng)先的交互產(chǎn)品HTC VIVE為例，其1.0版本是激光掃描器每分鐘3600轉(zhuǎn)，每秒15次定位，已基本滿足定位需求。頭手自由度交互一般分為3自由度和6自由度兩種，3自由度指的是xyz三個坐標方向的平移，6自由度在此基礎(chǔ)上多了繞xyz三個坐標的旋轉(zhuǎn)。目前市場上的VR設(shè)備大多支持6自由度。

3.1.5 XR設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)需求

XR系統(tǒng)將實現(xiàn)用戶和環(huán)境的語言、頭手、眼球交互等復(fù)雜業(yè)務(wù)，需要有超低的時延和超高的帶寬。

時延方面，5G端到端時延1ms，6G端到端時延0.1ms，均可滿足XR對時延的要求（20ms）。

帶寬方面，5G峰值速率10～20Gbps，但是現(xiàn)階段用戶體驗速率在50～100Mbps，可滿足現(xiàn)階段 8K 顯 示（55.3 Mbps）[6]， 難 以支撐16K UHD（超高清）視頻顯示（0.9Gbps），除非顯著提升5G的用戶體驗速率，否則無法支撐XR理想的完全沉浸狀態(tài)（3.8Gbps）[7]。相比而言，6G的用戶體驗速率可達到10Gbps，因此，6G時代有望在更多場景、更大范圍內(nèi)滿足XR對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的要求。

3.2 擴展現(xiàn)實的產(chǎn)業(yè)生態(tài)機會

作為6G應(yīng)用層面的市場機會熱點，VR和AR的市場規(guī)模有望在2030年分別達到447億美元和870億美元[7]。

視覺是當前XR設(shè)備最關(guān)注的因素，各大VR設(shè)備廠商熱衷于在顯示屏的觀感上競爭；聽覺設(shè)備的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用比較成熟，不構(gòu)成制約XR發(fā)展的因素；觸覺是接下來發(fā)展的側(cè)重點；嗅覺和味覺目前還只是處于實驗室研究和概念性階段。

從產(chǎn)業(yè)生態(tài)來看，具有Micro LED核心技術(shù)和制造能力的廠商及性能指標領(lǐng)先的VR終端設(shè)備廠商或?qū)⒙氏全@益。觸覺方面目前還沒有量產(chǎn)的設(shè)備，掌握核心技術(shù)的多維度觸覺傳感器初創(chuàng)公司值得關(guān)注。