淺析基于6G網絡性能需求與設計原則的移動通信網絡開放平臺

王曉萌，王 玢

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

目前，隨著5G網絡的全面商用，面向6G移動蜂窩系統的研究也正在逐步展開。為了實現人們對智能通信領域萬物互聯的更深層次的需求，6G網絡系統應運而生。

6G的早期階段目標是將5G進行擴展和深入，以AI、邊緣計算和物聯網為基礎，實現智能應用與網絡的深度融合，實現虛擬現實、虛擬用戶、智能網絡等功能；而后續(xù)階段的目標是在人工智能理論、新興材料和集成天線相關技術的驅動下，實現從真實世界體系到虛擬世界體系的延拓與共生[1]。

1 6G通信網絡系統設計的必要性

遵循蜂窩通信網絡每10年代際更替的周期規(guī)律，6G標準化預計在2030年前完成，進而6G網絡部署也隨之開始。隨著智能終端設備的突破性發(fā)展，人類的生物特征將被精確、實時地映射并集成于數字與虛擬世界，傳統的智能終端（智能手表、心跳檢測儀等）將變得愈加精巧智能，皮下植入、可攝入式和體內嵌入式的傳感器、外骨骼和大腦活動檢測儀等設備將不斷涌現。隨著增強現實持續(xù)進步、人機接口的友好性不斷改善，人類對物理世界、虛擬世界以及生物世界的高效、直觀控制將指日可待。因此，未來的連接就是要實現對這些不同世界的無縫交互，為人類創(chuàng)造統一的體驗。為了實現這個目標，除了新的通信需求外，我們還需要在下面幾個方面取得突破性進展。

⊙ 新的人機接口：終端設備從單一實體擴展到多個本地實體，創(chuàng)建新的人機接口需要多個實體的統一協同。

⊙ 泛在計算：在本地設備和云計算中心之間實現泛在通用計算。

⊙ 新的知識系統：將數據加以存儲、處理并轉換為具有可操作性的知識。

⊙ 精準感知和控制：通過精準的感知能夠更準確地控制物理世界。

對物理世界的每一個時空瞬間實現真實、完整的重現，都要求網絡具備超大的容量和極低的時延。如表1所示，目前5G已經能夠實現一些適用于未來的實時應用，但更多特有的萬物互聯場景，必須在采用了嶄新系統設計與技術的6G時代，才能大規(guī)模應用。

表1 5G與6G網絡應用場景對比

2 6G的六大關鍵性能指標

在5G移動通信網絡中，涵蓋了三大關鍵性能指標（KPI），分別為數據率/吞吐量/容量、時延與可靠性、規(guī)模與靈活性。未來，這三大性能指標仍可適用于6G網絡，但隨著人們對物理世界、虛擬世界以及生物世界無縫交互的需求日益增長，6G網絡需要滿足更特殊的需求，并具備相應的新性能指標。如圖1所示，目前我們對6G的需求主要劃分為以下六大類別，為滿足這六大需求，又有三項新的關鍵性能指標出現，即精度與準確度、自適應與響應時間、終端設備。

圖1 6G需求和關鍵性能指標

3 設計6G系統的六個基本維度

迄今為止，每一代蜂窩通信系統（1G～5G）主要通過三個基本維度來提升網絡容量，包括頻譜、頻譜效率以及空間重用。在6G時代，隨著用戶數量的增長以及新的應用案例的涌現，我們需要繼續(xù)深耕這三大維度從而獲得更高的網絡容量。除了上述三個傳統維度的資源，6G系統設計中還將考慮三個全新的維度：數據、算力和能效。

3.1 數據

第一個新維度是數據。目前，已經在互聯網業(yè)務中取得巨大成功的人工智能/機器學習（AI/ML）技術是大數據驅動的，需要獲取大量的專業(yè)領域的數據。AI/ML技術的合理應用對未來6G通信網絡的成功至為關鍵。飛速增長的通信網絡數據和傳感器數據將成為重要數據資源，通過AI/ML技術對這些大數據進行充分分析和使用可以顯著提升系統性能。

3.2 算力

第二個新維度是算力。算力一直是蜂窩系統的一個重要資源。未來科技發(fā)展的兩個主要趨勢會導致算力成為稀缺資源：第一個趨勢是單位體積內所能封裝的晶體管數量已經趨向飽和，這將限制設備的計算能力；第二個趨勢是我們將使用各種類型的智能終端設備（例如，眼鏡、耳機和其他種類的可穿戴設備）來增強人類感知能力，這些設備尺寸非常小，不具有足夠的計算能力。因此，如何發(fā)掘6G網絡中的算力資源就顯得尤為重要。目前使用邊緣云分擔算力需求的方法不足以滿足多個設備之間同步計算的需求。充分利用與設備分離的區(qū)域算力將成為6G時代的新主題。因此，我們將算力看作是驅動新一代通信系統設計的又一個重要的維度。

3.3 能效

最后一個新維度是能效。網絡中每個網元的能效及可用能源決定了系統性能。6G系統中廣泛存在多種類型的網元具有不同種類的能效特性，從物聯網設備的超低能耗，到無線基站的電力供應限制，再到數據中心受電力限制。此外，如何應對氣候變化將成為未來十年全世界的一個關注點，不斷增長的網絡及設備能耗問題將會受到嚴格審查。因此能耗將變成6G設計中的一個重要維度。

綜上所述，6G將具有六個基本維度，相應的研究需要深入探索這些維度以便靈活地實現所定義的網絡性能指標。

4 設計6G的專業(yè)化開放平臺方案

移動通信取得巨大成功的一個重要因素是全球統一的開放標準。目前，移動通信主要提供面向人的服務，例如，語音、短信息服務（SMS）和盡力而為的寬帶數據業(yè)務。移動通信網絡已經達到了驚人的體量，其部署了數千萬個移動網絡基站，并有超過十億部智能手機在網絡中使用。過去五年中，移動通信服務已經擴展到了工業(yè)物聯網（IIoT）中。

首先，低功耗廣域（LPWA）連接解決方案，例如，NB-IoT和Cat-M已經完成了標準化。其次，面向汽車的蜂窩V2X通信標準和面向無人機的UAV連接標準也已制定完成。近期，在5G中用于實時控制的URLLC和TSC標準化正緊鑼密鼓地展開。LPWA和C-V2X的潛在連接設備將達到數十億量級。

隨著蜂窩網絡擴展到工業(yè)物聯網以及未來的家庭和企業(yè)環(huán)境中，我們預計將會出現大量定制化的專業(yè)連接方案來滿足不同特定場景的需求，但是每個定制化的方案都只是小規(guī)模的部署。為了有效地支持這些新的呈長尾分布的無線連接方案，我們需要制訂并引入新的移動網絡規(guī)范作為基礎平臺，它在更底層提供一些核心能力的支持。在此之上，不同的規(guī)范制訂小組可以進一步按照他們自己的用例要求來定義各自的高層協議，最終實現可以滿足各類應用場景需求的完整連接方案。

這些高層協議可以通過用戶聯盟內部的聯合軟件開發(fā)或者開源軟件來實現。這樣的概念如圖2所示。這種平臺方案的主要優(yōu)點是定義了連接平臺和專業(yè)應用層之間的開放接口。但是，拋開上層定制化的部分，我們認為通常在芯片中實現的底層通信協議仍需要由全球標準化機構來制定，以確保規(guī)模效應和不同設備之間的互聯互通性。

圖2 6G作為方案平臺的模型示例

上述6G中“網絡即平臺”的方案將進一步促進目前Open RAN的發(fā)展，其核心是由多個供應商來提供網絡的不同部分。除了射頻部分和一些需要在定制硬件中實現的處理密集型功能，其余部分則是運行在商用計算硬件上的軟件，而且接口規(guī)范也將變得開放。因此，移動網絡的智能控制層可以來自于任何供應商，并可根據不同方案做相應優(yōu)化以適應特定應用案例的連接需求。這也符合先前描述的下一代切片的概念，其中每個切片都有自己的特殊功能?！耙苿泳W絡和終端作為平臺”不僅是一項6G技術，更是一種為長尾分布的工業(yè)及其它室內應用案例提供高效和快速特定解決方案的新方法。

5 結束語

6G將在2030年前后成為未來新基建的重要組成部分，它將不僅僅作為5G的演進版本進一步實現降本增效，而是作為全新一代網絡范式，引領更大規(guī)模的新場景、新功能、新應用的落地。毋庸置疑的是，借用在快車道上發(fā)展的AI/ML技術和生態(tài)優(yōu)勢，通過和通信各細分領域的定制化系統設計，6G的網絡能力和應用潛能都將被前所未有地得到發(fā)掘?！?/p>