走向6G

彭健 孫美玉

以數(shù)據(jù)為中心的智能化系統(tǒng)的快速增長(zhǎng)對(duì)5G無(wú)線系統(tǒng)的能力帶來了巨大挑戰(zhàn)，需要開發(fā)具有新功能特性的6G無(wú)線系統(tǒng)。

隨著通信需求的提升，移動(dòng)通信從1G逐步發(fā)展至現(xiàn)在的5G，并且5G已經(jīng)在全球范圍內(nèi)開始大規(guī)模部署。盡管如此，以數(shù)據(jù)為中心的智能化系統(tǒng)的快速增長(zhǎng)對(duì)5G無(wú)線系統(tǒng)的能力帶來了巨大挑戰(zhàn)。例如要保證虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備良好的用戶體驗(yàn)，至少需要10Gbps的數(shù)據(jù)速率，這已經(jīng)是超越5G（B5G）后才能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

為了克服5G應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)的性能限制，需要開發(fā)具有新功能特性的6G無(wú)線系統(tǒng)。一方面，6G要實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)所有功能的融合，例如支持網(wǎng)絡(luò)致密化、高吞吐量、高可靠性、低能耗以及大規(guī)模連接。另一方面，6G將運(yùn)用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)和業(yè)務(wù)的拓展，包括AI、智能可穿戴設(shè)備、自動(dòng)駕駛汽車、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）和3D投影等。

從5G走向6G

盡管當(dāng)前5G尚未大規(guī)模應(yīng)用和深入滲透，但從5G標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范來看，仍然在信息交互方面存在空間范圍受限和性能指標(biāo)難以滿足某些垂直行業(yè)應(yīng)用的不足。例如，從通信網(wǎng)絡(luò)空間覆蓋范圍看，5G仍然是以基站為中心的發(fā)散覆蓋，在基站所未覆蓋的沙漠、無(wú)人區(qū)、海洋等區(qū)域內(nèi)將形成通信盲區(qū)，預(yù)計(jì)5G時(shí)代仍將有80%以上的陸地區(qū)域和95%以上的海洋區(qū)域無(wú)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。此外，5G的通信對(duì)象集中在陸地地表10km以內(nèi)高度的有限空間范圍，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“空天海地”無(wú)縫覆蓋的通信愿景。

從行業(yè)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)性能需求看，更大的連接數(shù)密度、更大的傳輸帶寬、更低的端到端時(shí)延、更高的可靠性和確定性以及更智能化的網(wǎng)絡(luò)特性，是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與垂直行業(yè)融合應(yīng)用得以快速推廣和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的必然需要。例如，對(duì)于智能工廠，6G能夠?qū)r(shí)延縮減至亞秒（<1ms）級(jí)甚至是微秒（μs）級(jí)，從而能夠逐步取代工廠內(nèi)機(jī)器間的有線傳輸，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)更高層級(jí)的無(wú)線化和彈性化。另外，目前5G的連接數(shù)密度約為每平方米一個(gè)連接設(shè)備，隨著傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，在很多應(yīng)用場(chǎng)景下每平方米連接的設(shè)備數(shù)量將超過1個(gè)，5G網(wǎng)絡(luò)將無(wú)法承擔(dān)更大連接設(shè)備的接入，必須依賴下一代6G網(wǎng)絡(luò)超大連接數(shù)性能的支撐。

基于上，6G總體愿景是基于5G愿景的進(jìn)一步擴(kuò)展和升級(jí)。從網(wǎng)絡(luò)接入方式看，6G將包含多樣化的接入網(wǎng)，如移動(dòng)蜂窩、衛(wèi)星通信、無(wú)人機(jī)通信、水聲通信、可見光通信等多種接入方式。從網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍看，6G愿景下將構(gòu)建跨地域、跨空域、跨海域的空—天—?！匾惑w化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球無(wú)縫覆蓋。從網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)看，6G無(wú)論是傳輸速率、端到端時(shí)延、可靠性、連接數(shù)密度、頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)能效等方面都會(huì)有大的提升，從而滿足各種垂直行業(yè)多樣化的網(wǎng)絡(luò)需求。從網(wǎng)絡(luò)智能化程度看，6G愿景下網(wǎng)絡(luò)和用戶將作為統(tǒng)一整體，AI在賦能6G網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，更重要的是深入挖掘用戶的智能需求，每個(gè)用戶都將通過AI助理提升用戶體驗(yàn)。從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的邊界看，6G的服務(wù)對(duì)象將從物理世界的人、機(jī)、物拓展至虛擬世界的“境”，通過物理世界和虛擬世界的連接，實(shí)現(xiàn)人—機(jī)—物—境的協(xié)作，滿足人類精神和物質(zhì)的全方位需求。

6G應(yīng)用場(chǎng)景展望

未來，6G將以5G提出的三大應(yīng)用場(chǎng)景（大帶寬，海量連接，超低延遲）為基礎(chǔ)，不斷通過技術(shù)創(chuàng)新來提升性能和優(yōu)化體驗(yàn)，并且進(jìn)一步將服務(wù)的邊界從物理世界延拓至虛擬世界，在人—機(jī)—物—境完美協(xié)作的基礎(chǔ)上，探索新的應(yīng)用場(chǎng)景、新的業(yè)務(wù)形態(tài)和新的商業(yè)模式。

人體數(shù)字孿生。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件下，數(shù)字技術(shù)對(duì)人體健康的監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用于宏觀身體指標(biāo)監(jiān)測(cè)和顯性疾病預(yù)防等方面，實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)性有待進(jìn)一步提高。隨著6G技術(shù)的到來，以及生物科學(xué)、材料科學(xué)、生物電子醫(yī)學(xué)等交叉學(xué)科的進(jìn)一步成熟，未來有望實(shí)現(xiàn)完整的“人體數(shù)字孿生”，即通過大量智能傳感器（>100個(gè)/人）在人體的廣泛應(yīng)用，對(duì)重要器官、神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、肌肉骨骼、情緒狀態(tài)等進(jìn)行精確實(shí)時(shí)的“鏡像映射”，形成一個(gè)完整人體的虛擬世界精確復(fù)制品，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人體個(gè)性化健康數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，結(jié)合核磁、CT、彩超、血常規(guī)、尿生化等專業(yè)的影像和生化檢查結(jié)果，利用AI技術(shù)可對(duì)個(gè)體提供健康狀況精準(zhǔn)評(píng)估和及時(shí)干預(yù)，并且能夠?yàn)閷I(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)下一步精準(zhǔn)診斷和制定個(gè)性化的手術(shù)方案提供重要參考。

空中高速上網(wǎng)。為了給乘客提供飛機(jī)上的空中上網(wǎng)服務(wù)，4G/5G時(shí)代通信界為此做過大量的努力，但仍然有很大的提升空間。當(dāng)前空中上網(wǎng)服務(wù)主要有兩種模式——地面基站模式和衛(wèi)星模式。如采用地面基站模式，則空中上網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量難以保障;如采用衛(wèi)星通信模式，上網(wǎng)質(zhì)量可以相對(duì)得到保障，但成本太高。而6G將采用全新的通信技術(shù)以及超越“蜂窩”的新穎網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在降低網(wǎng)絡(luò)使用成本的同時(shí)，保證能為飛機(jī)上的用戶提供高質(zhì)量的上網(wǎng)服務(wù)。

基于全息通信的XR。影響虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR/VR）技術(shù)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的一大因素是用戶使用的移動(dòng)性和自由度，即不受所處位置的限制。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，可以預(yù)期10年以后（2030—），信息交互形式將進(jìn)一步由AR/VR逐步演進(jìn)至高保真擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）交互為主，甚至是基于全息通信的信息交互，最終將全面實(shí)現(xiàn)無(wú)線全息通信。用戶可隨時(shí)隨地享受全息通信和全息顯示帶來的體驗(yàn)升級(jí)——視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺乃至情感將通過高保真XR充分被調(diào)動(dòng)，用戶將不再受到時(shí)間和地點(diǎn)的限制，以“我”為中心享受虛擬教育、虛擬旅游、虛擬運(yùn)動(dòng)、虛擬繪畫、虛擬演唱會(huì)等完全沉浸式的全息體驗(yàn)。

新型智慧城市群。隨著數(shù)字時(shí)代的不斷演進(jìn)，通信網(wǎng)絡(luò)成為智慧城市群不可或缺的公共基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)城市管理部門而言，城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)是重要職責(zé)。目前，絕大部分城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的信息感知、傳輸、分析、控制仍處于各自為政現(xiàn)狀，缺乏統(tǒng)一的平臺(tái)。作為城市群的基礎(chǔ)設(shè)施之一，6G將采用統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，引入新業(yè)務(wù)場(chǎng)景，構(gòu)建更高效更完備的網(wǎng)絡(luò)。未來6G網(wǎng)絡(luò)可由多家運(yùn)營(yíng)商投資共建，采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)將物理網(wǎng)絡(luò)和邏輯網(wǎng)絡(luò)分離。人工智能（AI）深度融入6G系統(tǒng)，將在高效傳輸、無(wú)縫組網(wǎng)、內(nèi)生安全、大規(guī)模部署、自動(dòng)維護(hù)等多個(gè)層面得到實(shí)際應(yīng)用。

全域應(yīng)急通信搶險(xiǎn)。到2030年以后，“泛在連接”將成為6G網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)之一，完成在沙漠、深海、高山等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)的部署，實(shí)現(xiàn)跨地域、跨空域、跨海域的全域無(wú)縫覆蓋。依托其覆蓋范圍廣、靈活部署、超低功耗、超高精度和不易受地面災(zāi)害影響等特點(diǎn)，6G通信網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急通信搶險(xiǎn)、“無(wú)人區(qū)”實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。如在發(fā)生地震等自然災(zāi)害造成地面通信網(wǎng)絡(luò)毀壞時(shí)，可以整合天基網(wǎng)絡(luò)（衛(wèi)星）和空基網(wǎng)絡(luò)（無(wú)人機(jī)）等通信資源，實(shí)現(xiàn)廣域無(wú)縫覆蓋、隨時(shí)接入、資源集成支撐應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)距離保障和扁平化的應(yīng)急指揮。此外，利用6G網(wǎng)絡(luò)還可以對(duì)沙漠、海洋、河流等容易發(fā)生自然災(zāi)害的區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，提供沙塵暴、臺(tái)風(fēng)、洪水等預(yù)警服務(wù)，將災(zāi)害損失降到最低。

智能工廠PLUS。利用6G網(wǎng)絡(luò)的超高帶寬、超低時(shí)延和超可靠等特性，可以對(duì)工廠內(nèi)車間、機(jī)床、零部件等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，利用邊緣計(jì)算和AI等技術(shù)，在終端側(cè)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并且能夠?qū)崟r(shí)下達(dá)執(zhí)行命令。6G中引入了區(qū)塊鏈技術(shù)，智能工廠所有終端之間可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，而不需要經(jīng)過云中心，實(shí)現(xiàn)去中心化操作，提升生產(chǎn)效率。不僅限于工廠內(nèi)，6G可保障對(duì)整個(gè)產(chǎn)品生命周期的全連接?；谙冗M(jìn)的6G網(wǎng)絡(luò)，工廠內(nèi)任何需要聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備/終端均可靈活組網(wǎng)，智能裝備的組合同樣可根據(jù)生產(chǎn)線的需求進(jìn)行靈活調(diào)整和快速部署，從而能夠主動(dòng)適應(yīng)制造業(yè)個(gè)人化、定制化C2B的大趨勢(shì)。智能工廠PLUS將從需求端的客戶個(gè)性化需求、行業(yè)的市場(chǎng)空間，到工廠交付能力、不同工廠間的協(xié)作，再到物流、供應(yīng)鏈、產(chǎn)品及服務(wù)交付，形成端到端的閉環(huán)，而6G貫穿于閉關(guān)的全過程，扮演著重要角色。

網(wǎng)聯(lián)機(jī)器人和自治系統(tǒng)。目前，一些汽車技術(shù)研究人員正在研究智能網(wǎng)聯(lián)汽車。6G有助于網(wǎng)聯(lián)機(jī)器人和自主系統(tǒng)的部署，無(wú)人機(jī)快遞系統(tǒng)就是這樣的一個(gè)案例。6G系統(tǒng)將促進(jìn)自動(dòng)駕駛汽車或無(wú)人駕駛汽車的規(guī)模部署和應(yīng)用。自動(dòng)駕駛汽車通過各種傳感器來感知周圍環(huán)境，如光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR）、雷達(dá)、GPS、聲納、里程計(jì)和慣性測(cè)量裝置。6G系統(tǒng)將支持可靠的車與萬(wàn)物相連（V2X）以及車與服務(wù)器之間的連接（vehicle to server）。對(duì)于無(wú)人機(jī)（UAV），6G將支持無(wú)人機(jī)與地面控制器之間的通信。無(wú)人機(jī)在軍事、商業(yè)、科學(xué)、農(nóng)業(yè)、娛樂、城市治理、物流、監(jiān)視、航拍、搶險(xiǎn)救災(zāi)等許多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用空間。此外，當(dāng)蜂窩基站不存在或者不工作時(shí)，無(wú)人機(jī)可以作為高空平臺(tái)站（HAPS）為該區(qū)域的用戶提供廣播和高速上網(wǎng)服務(wù)。

（來源：中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院）