5G應(yīng)用創(chuàng)新與6G技術(shù)演進(jìn)

尤肖虎

一、5G技術(shù)框架及應(yīng)用創(chuàng)新

（一）移動通信發(fā)展歷程、核心技術(shù)及應(yīng)用特征

移動通信整體的發(fā)展脈絡(luò)，從1G到5G，實(shí)際上跨越三個階段，應(yīng)用特征發(fā)生了三次根本性的變革。

第一個階段是從模擬到數(shù)字。從20世紀(jì)80年代的第一代模擬通信到90年代的第二代數(shù)字通信，這是移動通信第一次大的變革。這一階段解決移動通信的基本業(yè)務(wù)，話音業(yè)務(wù)以及一些數(shù)字消息業(yè)務(wù)。

第二個階段是從窄帶到寬帶。2000年第三代移動通信實(shí)現(xiàn)寬帶化，實(shí)際上這個目標(biāo)到2010年第四代移動通信才基本上完成。大家都體會到，3G剛剛推出的時候，業(yè)務(wù)能力對移動互聯(lián)網(wǎng)的支持是非常有限的，到了4G，移動寬帶已經(jīng)快速普及，催生了移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展。從窄帶到寬帶，這是移動通信第二次大的變革。

第三個階段是從移動互聯(lián)網(wǎng)到移動信息基礎(chǔ)設(shè)施（高可靠、低時延）。從5G開始，移動通信又發(fā)生第三次大的變革，從移動互聯(lián)網(wǎng)支撐垂直行業(yè)，也就是滲透到社會各行各業(yè)，這是一個大的變革，我們預(yù)計(jì)這個大的變革可能會持續(xù)十年甚至更長的時間才能非常好地完成。

（二）5G：從應(yīng)用場景到技術(shù)需求

ITU（國際電信聯(lián)盟）在2014年給出5G三大應(yīng)用場景，增強(qiáng)移動寬帶、海量機(jī)器類通信、超高可靠低時延通信。傳統(tǒng)移動通信只強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)移動寬帶，即只強(qiáng)調(diào)傳輸速率和移動性。現(xiàn)在的技術(shù)指標(biāo)強(qiáng)調(diào)覆蓋，強(qiáng)調(diào)延時，強(qiáng)調(diào)可靠性，強(qiáng)調(diào)這個終端的待機(jī)時間，特別是靠近供電（設(shè)施）的電池待機(jī)時長要求更高，可能要十年甚至更長。

（三）愿景：5G應(yīng)用改變社會——增強(qiáng)寬帶，萬物互聯(lián)

4G改變生活，5G改變社會。怎么改變？有三大類應(yīng)用。第一類是大視頻業(yè)務(wù)，包括廣電非常關(guān)心的AR/VR/XR、4K/8K高清應(yīng)用，以及一些游戲等應(yīng)用，它對帶寬要求非常高。另外兩類和物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)，一類是大連接業(yè)務(wù)，就是海量傳感與物—物互聯(lián)應(yīng)用；另一類是高可靠低時延業(yè)務(wù)，包括車聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)應(yīng)用。

我們看一下華為xLab總結(jié)的5G新型應(yīng)用10大場景：1.云VR/AR——實(shí)時計(jì)算機(jī)圖像渲染和建模；2.車聯(lián)網(wǎng)——遠(yuǎn)控駕駛、編隊(duì)行駛、自動駕駛；3.智能制造——無線機(jī)器人云端控制；4.智慧能源——饋線自動化；5.無限醫(yī)療——具備力反饋的遠(yuǎn)程診斷；6.無線家庭娛樂——高清8K視頻和云游戲；7.聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)——專業(yè)巡檢和安防；8.社交網(wǎng)絡(luò)——超高清/全景直播；9.個人AI輔助——AI輔助智能頭盔；10.智慧城市——AI使能的視頻監(jiān)控。以上場景對傳輸速度和傳輸時延要求是非常高的，不是現(xiàn)有的4G系統(tǒng)能支撐的，需要5G技術(shù)加以支撐。

總結(jié)起來，5G傳得快，反應(yīng)快，舉一個例子，包剪錘游戲，人類永遠(yuǎn)贏不了機(jī)器，人類的反應(yīng)時間是60毫秒，AI+5G的反應(yīng)時間是20毫秒，人類出手的瞬間，機(jī)器反應(yīng)出來了，所以它可以做到很多人類不可能做到的事情。利用5G和人工智能可以進(jìn)一步改變世界。

（四）5G系統(tǒng)基本構(gòu)成與產(chǎn)業(yè)鏈

5G的產(chǎn)業(yè)鏈非常長，我把它簡單分了一下，包括終端設(shè)備、基站設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。既包括硬件設(shè)備，也包括軟件設(shè)備，還有關(guān)鍵技術(shù)等，所以整個供應(yīng)鏈非常長，在某些環(huán)節(jié)上被卡脖子也是非常正常的。產(chǎn)業(yè)鏈上我國也有相對比較薄弱的地方，所以我們希望能夠形成一個和諧的供應(yīng)鏈，這是5G發(fā)展的一個非常重要的目標(biāo)。不見得所有的環(huán)節(jié)都是我國本地企業(yè)來提供，最好是能夠多渠道、多廠商供應(yīng)，這樣它的產(chǎn)業(yè)鏈和穩(wěn)定性將會提升許多。

（五）5G技術(shù)框架與標(biāo)準(zhǔn)

為了實(shí)現(xiàn)三大場景下一系列的技術(shù)應(yīng)用，我們需要什么樣的5G技術(shù)框架與標(biāo)準(zhǔn)呢？我國在這方面做了一些貢獻(xiàn)，比如說定義了5G的技術(shù)能力，率先提出了5G的技術(shù)框架，這包含兩個大的部分，一個是靈活統(tǒng)一的空中接口，一個是新型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。5G有非常多的應(yīng)用場景，并且這個場景變化是非常大的。我們采用了一系列的技術(shù)使得5G的空中接口和網(wǎng)絡(luò)變得足夠靈活，最大可能地滿足各種各樣的應(yīng)用。

5G和4G對比，第一次把三大場景用統(tǒng)一接口來支撐，支持靈活的設(shè)計(jì)，支持更高的傳輸效率，用大規(guī)模天線、更高頻譜效率，非正交接入、高效海量支持小數(shù)據(jù)物聯(lián)，滿足更為普適性的應(yīng)用（移動互聯(lián)網(wǎng)+移動物聯(lián)網(wǎng)），更加靈活的網(wǎng)絡(luò)資源自由度，更加具有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

二、我國在5G技術(shù)發(fā)展中的突出貢獻(xiàn)

移動通信是國家關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，是推動國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提升信息化水平的重要引擎。5G作為我國網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國建設(shè)的重點(diǎn)突破領(lǐng)域，“十三五”規(guī)劃以及國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略中，均把5G作為優(yōu)先發(fā)展的內(nèi)容。我國在2013年左右，和全球同步啟動了5G的研究，全面推進(jìn)5G需求、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)及國際合作等。利用我國的制度優(yōu)勢，產(chǎn)學(xué)研密切結(jié)合，頂層設(shè)計(jì)，協(xié)同推進(jìn)，5G整體性的推進(jìn)非常強(qiáng)。我國的移動通信技術(shù)從4G的并跑迅速發(fā)展到在5G系統(tǒng)級的研發(fā)方面走在世界的最前列。

從2014年開始，在三部委組織下，在推進(jìn)全世界范圍內(nèi)5G的技術(shù)交融和技術(shù)實(shí)驗(yàn)，分三個階段，第一個是關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，第二個是方案的驗(yàn)證，第三個是系統(tǒng)級的驗(yàn)證，一直到2019年，已經(jīng)進(jìn)入商用階段。我國是率先用5G無線技術(shù)試驗(yàn)支撐國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的國家，對于支撐全球范圍內(nèi)5G核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的形成做出了重要貢獻(xiàn)。我國還成立了5G推進(jìn)組，全面協(xié)調(diào)5G的研發(fā)活動包括技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)、產(chǎn)業(yè)協(xié)作、國際合作等。

我國全面參與5G國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，在整個3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織里面，有30多個職位，投票權(quán)23%，文稿數(shù)量占到了1/3左右，牽頭項(xiàng)目達(dá)到了45%左右。從這些具體的數(shù)字上可以看到我國為5G做出的貢獻(xiàn)。

我國所做的貢獻(xiàn)還體現(xiàn)在5G標(biāo)準(zhǔn)基本專利占比明顯提升。我國推動形成全球統(tǒng)一的5G國際標(biāo)準(zhǔn)，華為、中興在3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)披露的基本專利超過2400項(xiàng)。截至2019年2月，我國企業(yè)在歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會聲明的5G標(biāo)準(zhǔn)必要專利占比達(dá)到32.3%，位居全球第一位。另外，我國面向5G典型場景，全面滿足ITU指標(biāo)。從這些層面上也看出我國在推動5G方面的貢獻(xiàn)。

三、5G向6G技術(shù)的未來演進(jìn)

隨著5G的大規(guī)模商用，6G已經(jīng)成為新一輪科技競爭的焦點(diǎn)。我國于2019年11月啟動了國家6G專項(xiàng)研究計(jì)劃，成立國家6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組和總體專家組，標(biāo)志我國6G技術(shù)研發(fā)工作正式啟動。其他各國首腦也在談6G，美國提出“衛(wèi)星+太赫茲=6G”的概念；日本提出了未來6G技術(shù)的發(fā)展路線圖，希望2024年5G覆蓋率達(dá)到98%，為6G奠定基礎(chǔ)，2030年全面引入6G商用，并且要占據(jù)30%的全球市場份額；韓國希望在2028年率先實(shí)施6G，確保韓國成為首個6G的商用國家。新一輪在移動通信領(lǐng)域的競爭已經(jīng)全面開啟。

ITU也啟動了面向2030年的6G研究工作，計(jì)劃于2022年6月，完成未來技術(shù)趨勢研究報告，詳細(xì)描述5G之后的技術(shù)演進(jìn)方向，計(jì)劃于2023年6月，完成6G系統(tǒng)整體目標(biāo)、應(yīng)用場景和主要系統(tǒng)能力等。

6G的特征是超連接、更高速率與可靠性、更低時延、更寬覆蓋、更加智能。

紫金山實(shí)驗(yàn)室率先啟動了6G的研究，目前有一支將近200人的隊(duì)伍從事6G關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。我們提出了6G的發(fā)展愿景，就是全覆蓋、全頻譜、全應(yīng)用、強(qiáng)安全。

全頻譜，移動通信從第一代（1G）發(fā)展到第五代（5G），用來發(fā)送和接收的數(shù)字信息越來越多，越來越快，所以用的電磁波頻率越來越高。到6G，在深耕低頻段、超低頻段的同時，將向毫米波、太赫茲和可見光等高頻發(fā)展。根據(jù)目前的測算，如果用毫米波頻段，移動傳輸速率將達(dá)到5G的100倍，達(dá)到1TB/秒。到6G更高的頻段，全頻譜是非常自然的。

全覆蓋，現(xiàn)有的4G、5G覆蓋地球表面的7%還不到，剩下沒有信號覆蓋的93%怎么辦？靠衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)的融合，我們叫星地融合，可以覆蓋無邊無際的沙漠海洋和人跡罕至的高山密林。實(shí)際上是靠地面的網(wǎng)絡(luò)來解決容量問題，靠衛(wèi)星來解決覆蓋問題。兩者有機(jī)的結(jié)合才真正能夠滿足全人類的需求。

全應(yīng)用，5G已經(jīng)邁向全應(yīng)用，6G會派生出來一些更新的場景，比如數(shù)字孿生，在虛擬的數(shù)字空間中復(fù)制出現(xiàn)實(shí)世界，利用這個虛擬的數(shù)字城市、數(shù)字社區(qū)、數(shù)字物體，再借助人工智能等技術(shù)，做設(shè)計(jì)、做規(guī)劃，做各種推演推算，讓我們面對現(xiàn)實(shí)的選擇不再糾結(jié)；遠(yuǎn)程全息無人智能系統(tǒng)，與遠(yuǎn)在萬里之外的人面對面互動——不是互相在屏幕上看“大臉”，而是面對栩栩如生的全息3D立體影像。這些應(yīng)用對于流量、時延的要求更高。

和4G時代的信號基站不一樣，進(jìn)入5G時代就開始需要一種特殊的信號發(fā)射裝置——大規(guī)模天線陣列。將數(shù)十上百個天線和芯片集成到一塊“平板”上，5G的高頻信號就可以穩(wěn)定、安全地發(fā)送到用戶的手機(jī)上，而且信號穩(wěn)定干擾小。6G通信就更需要這種大規(guī)模天線陣列，而且要求更高。紫金山實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過不斷探索，已經(jīng)研制出全球首個基于CMOS工藝、陣元數(shù)高達(dá)10000個的高集成毫米波相控天線陣列，解決了6G未來大規(guī)模商用的某些瓶頸問題。而且，這種裝置從芯片到天線陣全面自主可控，為我國持續(xù)引領(lǐng)5G/6G奠定基礎(chǔ)。

目前我們要推進(jìn)全場景5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商用，在實(shí)現(xiàn)良好覆蓋的同時，充分利用5G大連接、低時延、高可靠的基礎(chǔ)傳輸能力，有效支持車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)廣泛普及應(yīng)用；在冬奧會、特殊行業(yè)等部署典型應(yīng)用與示范，促進(jìn)毫米波5G產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)逐漸成熟，為未來6G發(fā)展奠定基礎(chǔ)。