6G 趨向：時空信息全球無縫、智能泛在發(fā)展

◎ 陳陽

通信是信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“高速路”。移動通信技術(shù)推動著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，改善了人們的生活水平，促進(jìn)了社會的發(fā)展和繁榮。時下，隨著5G 的部署和商用，其已在礦山、工廠、醫(yī)療、教育、交通等領(lǐng)域得到初步應(yīng)用落地。時空信息也在與5G 融合發(fā)展中，朝著智能和泛在的方向邁進(jìn)。

● 邢建平向中國工程院劉經(jīng)南院士（左一）、中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會首席專家曹沖教授（右一）展示北斗新時空精準(zhǔn)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺

中國工程院院士張平曾表示：“4G 使通信觸達(dá)能力達(dá)到空前的高度，遠(yuǎn)隔萬水千山也可通過無線網(wǎng)絡(luò)連接。5G 將人與人的通信擴(kuò)大至人與物的通信、物與物的通信、機(jī)器與機(jī)器的通信，把萬物都賦有一定的通信功能，并且可以依據(jù)數(shù)據(jù)做出決策。5G 是人機(jī)物互聯(lián)，是人類社會空間、信息空間及物理空間的交互過程，5G 從這個維度上改變了社會?！?/p>

4G 改變生活、5G 改變社會，那么6G 會改變什么？移動通信領(lǐng)域的發(fā)展節(jié)奏歷來是“使用一代，建設(shè)一代，研發(fā)一代”，自5G 落地應(yīng)用以來，世界各國紛紛開始對下一代移動通信（6G）探索研究。

在日前召開的第31 屆中國國際信息通信展覽會上，工業(yè)和信息化部部長金壯龍表示，工業(yè)和信息化部將加快新興產(chǎn)業(yè)培育，搶占未來新優(yōu)勢，持續(xù)增強(qiáng)移動通信、光通信等領(lǐng)域全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，鞏固優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先地位，前瞻布局下一代互聯(lián)網(wǎng)等前沿領(lǐng)域，全面推進(jìn)6G技術(shù)研發(fā)。

山東大學(xué)微電子學(xué)院特聘教授、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院執(zhí)行院長邢建平認(rèn)為，5G 高速率、低時延、寬連接等特點(diǎn)有效增強(qiáng)和拓展了時空信息技術(shù)的應(yīng)用能力和范圍，諸如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等融合應(yīng)用已經(jīng)落地。在可預(yù)見的未來，隨著5G的不斷普及應(yīng)用和建設(shè)優(yōu)化，尤其是未來6G 的建設(shè)落地，智能化、融合化的趨勢將進(jìn)一步加強(qiáng)，有望實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)的全球無縫和智能泛在。

增強(qiáng)和拓展 5G賦能時空信息

邢建平一直從事北斗導(dǎo)航、通信網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)等方向的應(yīng)用技術(shù)研究，目前承擔(dān)著北斗星動能國家重點(diǎn)研發(fā)課題。他告訴記者，5G是實(shí)現(xiàn)人機(jī)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，從多個維度全面賦能時空信息融合應(yīng)用。

首先，與4G 網(wǎng)絡(luò)相比，5G具有更大的傳輸容量、更高的傳輸速率，5G 網(wǎng)絡(luò)下載速度可達(dá)到1Gbps～10Gbps；而4G 網(wǎng)絡(luò)的下載速度通常在10Mbps～100Mbps。因此，在同樣的時間內(nèi)，5G 網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸數(shù)據(jù)量更大、種類更豐富的信息。

在4G 網(wǎng)絡(luò)時代，導(dǎo)航定位服務(wù)主要是在人與人之間，所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小和數(shù)據(jù)種類相對單一，但5G 時代，定位導(dǎo)航需求從人與人、人與物拓展至物與物之間，定位導(dǎo)航信息不再是單向傳輸，而是雙向同步，且定位導(dǎo)航服務(wù)所需求的數(shù)據(jù)種類也不再是傳統(tǒng)的二維地圖信息，甚至3D 地圖數(shù)據(jù)、視頻傳感器數(shù)據(jù)等，這就對通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力提出了新的要求。5G恰恰呼應(yīng)和滿足了這一需求，這就使得自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景得以在5G 時代逐漸落地。

其次，5G 高可靠低時延通信（URLLC）可使關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和計算機(jī)之間的往返延遲小于1 毫秒，在具體業(yè)務(wù)應(yīng)用場景下可達(dá)到10 毫秒以下的端到端時延。毫秒級的時延對于工業(yè)自動化和自動駕駛領(lǐng)域可以說至關(guān)重要。

以自動駕駛為例，無人駕駛時，高精度地圖需要具備輔助完成高精度的定位功能、道路級和車道級的規(guī)劃能力，以及車道級的引導(dǎo)能力，并且需要實(shí)時更新。攝像頭、傳感器等采集到的信息將會通過通信手段在云端做交互，使地圖更加智能，通行效率也更高。

此外，5G 網(wǎng)絡(luò)對于導(dǎo)航定位服務(wù)具有明顯的增強(qiáng)和優(yōu)化功能。我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較好地解決了室外空間的可靠定位需求，但在城市峽谷、室內(nèi)空間等復(fù)雜環(huán)境下，導(dǎo)航信號無法實(shí)現(xiàn)有效覆蓋和可靠服務(wù)，而基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)的信號增強(qiáng)和高精度定位技術(shù)則有效地彌補(bǔ)了導(dǎo)航信號在城市空間和室內(nèi)定位的“服務(wù)盲區(qū)”。不僅如此，基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)，還能夠有效增強(qiáng)導(dǎo)航定位精度，實(shí)現(xiàn)城市空間動態(tài)厘米級、靜態(tài)毫米級的導(dǎo)航定位精度。

當(dāng)然，5G 并不是萬能的，目前，5G 也在不斷建設(shè)優(yōu)化，并向下一代移動通信（6G）演進(jìn)。5G 的通信服務(wù)仍然受限于地面基站，在人口分布稀疏的地區(qū)及戈壁、山區(qū)等特定環(huán)境下，5G 信號不能覆蓋，其應(yīng)用服務(wù)場景自然也就受限。

更值得關(guān)注的是，低空、海域等環(huán)境是目前通信和導(dǎo)航服務(wù)共同的薄弱環(huán)節(jié)，這也是6G 和新一代國家綜合時空體系需要解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。邢建平提到，2022 年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，在距離海岸30 多千米的地區(qū)，嘗試將通信和定位導(dǎo)航技術(shù)融合應(yīng)用于海洋牧場的運(yùn)營管理，取得了較好的效果，但這也僅限于近海區(qū)域，在遠(yuǎn)海區(qū)域的通信和導(dǎo)航定位服務(wù)仍有待突破。

“ 特別值得一提，或者說需要重點(diǎn)聚焦的是5G 專網(wǎng)的建設(shè)和應(yīng)用?！毙辖ㄆ秸J(rèn)為，與4G 不同，5G 除了更高的速度之外，還有超可靠低延遲通信、大規(guī)模機(jī)器通信的特性。此外，5G 還具有以前不存在的巨大優(yōu)勢，稱為網(wǎng)絡(luò)切片。

網(wǎng)絡(luò)切片是創(chuàng)建虛擬獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的功能，在邏輯上實(shí)現(xiàn)單個物理網(wǎng)絡(luò)分開。因此，5G 非常適合通過單個網(wǎng)絡(luò)為具有不同通信屬性的企業(yè)或部門的每個應(yīng)用場景（如應(yīng)急救援、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等）創(chuàng)建多個專用網(wǎng)絡(luò)。

在第31 屆中國國際信息通信展覽會上，相關(guān)部門負(fù)責(zé)人也表示將加快5G 行業(yè)虛擬專網(wǎng)建設(shè)，深入實(shí)施5G 應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動，進(jìn)一步豐富拓展5G 應(yīng)用場景，深化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合，完善工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系、標(biāo)準(zhǔn)體系、應(yīng)用體系，打造一批5G 工廠，大力推進(jìn)制造業(yè)智能化、綠色化、融合化。

全球無縫與智能泛在6G時代的PNT服務(wù)

我們常說，5G 開啟的是一個萬物互聯(lián)的新時代，但受限于網(wǎng)絡(luò)覆蓋、運(yùn)營成本、傳輸能力等多種因素，目前，5G 網(wǎng)絡(luò)仍無法實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)下的全球無縫與萬物互聯(lián)，而未來的6G 將有望彌補(bǔ)5G 的不足，從而滿足更高難度和更多樣化的需求。

邢建平介紹，6G 網(wǎng)絡(luò)將是一個地面無線與低軌衛(wèi)星通信集成的天地融合一體化網(wǎng)絡(luò)，通過將衛(wèi)星通信整合到6G 移動通信，實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋、世界互聯(lián)、萬物智聯(lián)。低軌衛(wèi)星通信能夠有效擺脫對地面基站的依賴，基于通導(dǎo)融合、通感融合，PNT（定位、導(dǎo)航、授時）服務(wù)也將實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋，此前諸如高山密林、城市峽谷、室內(nèi)空間、遠(yuǎn)洋海域等PNT服務(wù)的 “盲區(qū)”，都有望得到填補(bǔ)。

●邢建平指導(dǎo)學(xué)生國際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽iCAN 競賽創(chuàng)新項(xiàng)目

“ PNT 需求與通信技術(shù)是緊密相關(guān)的，定位、導(dǎo)航、授時需求往往是確定主體與參照物的時空關(guān)系，而這個參照物可以是人也可以是物，這就必然涉及人與人、人與物的信息互動，所以PNT 服務(wù)過程中必須有通信的參與。通導(dǎo)融合也不是5G 時代出現(xiàn)的新概念，而是PNT 服務(wù)的必然要求，隨著5G 時代乃至未來6G 時代的到來，通信與PNT 服務(wù)的融合將進(jìn)一步加深，從而衍生出更多的智能化應(yīng)用場景?！毙辖ㄆ秸f道。

不僅如此，據(jù)《6G 典型場景和關(guān)鍵能力》白皮書介紹，從6G關(guān)鍵能力看，6G 的主要無線性能指標(biāo)將在原有5G 的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)十至百倍提升，引入智能服務(wù)效率、感知精度、全域覆蓋能力等全新性能指標(biāo)，融合通信、計算、感知等能力支持各類智能化服務(wù)。

例如，6G 的網(wǎng)絡(luò)速率將從5G的1Gbps～10Gbps 提升至Tbps 量級，能夠有效滿足高級別自動駕駛（無人駕駛）、數(shù)字孿生、元宇宙、萬物互聯(lián)等新興業(yè)務(wù)場景的超高速率傳輸需求。

邢建平特別提到，從6G 系統(tǒng)設(shè)計角度看，6G 新技術(shù)根據(jù)功能特性和定位可分類為無線通信、無線網(wǎng)絡(luò)、功能與架構(gòu)和系統(tǒng)組網(wǎng)四大方向。其中，無線通信定位在點(diǎn)對點(diǎn)通信，目標(biāo)是提升頻譜效率、峰值速率和接入用戶數(shù)。無線網(wǎng)絡(luò)定位在多點(diǎn)對多點(diǎn)組網(wǎng)，目標(biāo)是支持多頻段多制式、拓展微域和盲區(qū)覆蓋能力和網(wǎng)絡(luò)感知能力。功能與架構(gòu)定位在信息通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)理論體系，通過平臺化、結(jié)構(gòu)化、服務(wù)化、內(nèi)生設(shè)計等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)至簡和結(jié)構(gòu)熵減，以及與5G 的平滑代際演進(jìn)和前后雙向兼容。

面向全場景，融合全要素，實(shí)現(xiàn)全領(lǐng)域的資源和能力貫通，實(shí)現(xiàn)信息流的全過程服務(wù)。系統(tǒng)組網(wǎng)定位在貫通物理和數(shù)字空間，在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)自生長、自優(yōu)化、自演進(jìn)。向集中+分布協(xié)同轉(zhuǎn)變，按需擴(kuò)展，即插即用，實(shí)現(xiàn)柔性網(wǎng)絡(luò)組織。端到端系統(tǒng)節(jié)能，提升能源和資源利用率。網(wǎng)業(yè)融合，實(shí)現(xiàn)能力內(nèi)化與開放共生。

因此，可以預(yù)見6G 和時空信息融合應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)普適化、可配置，從而走向大眾，實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能泛在和萬物智聯(lián)，那時，時空信息融合應(yīng)用將像“自來水”一樣，即取即用，用戶屬性也將從專業(yè)人員擴(kuò)充至普通大眾，用戶量級將實(shí)現(xiàn)指數(shù)式增長。

此外，6G 在互聯(lián)網(wǎng)資源以及安全性、可靠性等指標(biāo)上將進(jìn)一步提升，真正意義上可信賴、可追溯、可計算的高效移動網(wǎng)絡(luò)將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，這也將為時空智能的泛在應(yīng)用提供堅實(shí)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

當(dāng)然，6G 愿景未必會在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)，有專家預(yù)計，我國有望在2030 年前后實(shí)現(xiàn)6G 的大規(guī)模商用。無獨(dú)有偶，今年3 月份，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)辦公室稱，2035 年前建成以下一代北斗系統(tǒng)為核心，更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合時空體系，提供基準(zhǔn)統(tǒng)一、覆蓋無縫、安全可信、便捷高效的定位導(dǎo)航授時服務(wù)，為未來智能化、無人化發(fā)展提供核心支撐。

6G 將是一個端到端的信息處理與服務(wù)系統(tǒng)，其核心功能將從信息傳遞擴(kuò)展到信息采集、信息計算與信息應(yīng)用，提供更強(qiáng)的通信、計算、感知、智能和安全等多維內(nèi)生能力。這與新一代國家綜合時空體系中“更加泛在、更加融合、更加智能”的要求不謀而合。

6G 是一個需求驅(qū)動、泛在融合的通信系統(tǒng)，新一代國家綜合時空體系也并不是北斗的“獨(dú)角戲”，而是融合多種定位、導(dǎo)航、授時技術(shù)手段的綜合時空體系。雙方在感知、計算、智能和安全等多方面有著優(yōu)勢互補(bǔ)、互相賦能的需求，這就決定了6G 和新一代國家綜合時空體系將在發(fā)展中走向深度融合。

從天空地海到虛實(shí)共生6G+時空信息值得暢想

6G 和時空信息的深度融合與雙向賦能是技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在需求和必然趨勢，而雙方深度融合有望構(gòu)建出的天空地海一體化時空信息感知網(wǎng)絡(luò)能夠在應(yīng)用市場激起多么大的漣漪呢？邢建平表示，這取決于需求市場的想象力。

6G +時空信息所構(gòu)建的天空地海時空信息感知網(wǎng)絡(luò)，將通信、時空信息的應(yīng)用“疆域”拓展到了全球全域。比如，在低空領(lǐng)域，隨著通信和PNT 服務(wù)的全覆蓋，人類的生產(chǎn)生活可能會向低空擴(kuò)張，可以預(yù)見，未來低空智慧交通、智慧物流有望像地面交通、物流一樣成為日常生產(chǎn)生活的一部分。

遠(yuǎn)洋海域目前是通信和PNT 服務(wù)的薄弱環(huán)節(jié)，也是人類生產(chǎn)生活相對較少的區(qū)域，而6G 和時空信息的覆蓋，也將助推人類生產(chǎn)生活足跡向遠(yuǎn)洋區(qū)域邁進(jìn)。不僅如此，目前，在現(xiàn)有通信和PNT 服務(wù)體系下，高山密林、遠(yuǎn)洋海域等復(fù)雜環(huán)境下充滿不確定性的應(yīng)急救援工作，也將變得更加簡單和高效。

6G 時代的突出特點(diǎn)可能就是智能和泛在，而且智能和泛在不僅存在于物理世界，還將延伸到虛擬世界。邢建平認(rèn)為，數(shù)字孿生以及元宇宙是6G 時代一個可期待的重要愿景。通過數(shù)字孿生將形成“雙世界架構(gòu)”，即真實(shí)的物理世界和虛擬世界，兩者的需求相對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界在虛擬世界的映射。

甚至，數(shù)字孿生可能不止于外部世界，還能延伸至人體，在虛擬世界中對人類的各種差異化特征進(jìn)行數(shù)字化抽象與表達(dá)，并建立每個用戶的全方位立體化模擬，實(shí)現(xiàn)人體的數(shù)字孿生，從而實(shí)現(xiàn)更具想象的人機(jī)互聯(lián)、萬物智聯(lián)。

6G 改變世界可能是多維度、深層次的改變，諸如精準(zhǔn)醫(yī)療、全息通信、元宇宙等頗具科幻色彩的場景，都可能在6G 時代逐一實(shí)現(xiàn)。“想象和愿景是驅(qū)動技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重要動力，因此，愿景不妨看得更遠(yuǎn)一點(diǎn)，然后再回到現(xiàn)實(shí)，逐一去突破技術(shù)難點(diǎn)?！毙辖ㄆ秸J(rèn)為，目前6G 尚處于前期探索和研發(fā)階段，但仍然應(yīng)該去前瞻思考和布局。

6G 通信網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)連接、強(qiáng)算力、強(qiáng)智能、強(qiáng)安全“四強(qiáng)”能力特征更加顯著。比如，6G 時代算力至少是5G 時代的100 倍，帶寬等技術(shù)指標(biāo)能夠達(dá)到10～100倍的提升。這些都對算力提出了更高的要求，因此，在算力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和高精芯片攻關(guān)上提前部署，是很有必要的。

此外，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究和探討也應(yīng)該先行部署，包括6G 通信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和可能衍生的主要應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，諸如車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、低空交通物流等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，都應(yīng)該提前部署，為6G 應(yīng)用的全面落地鋪好道路。

● 邢建平主持的項(xiàng)目榮獲2019 年度衛(wèi)星導(dǎo)航定位科技進(jìn)步獎一等獎

6G 時代，人機(jī)互聯(lián)、萬物智聯(lián)的深度和廣度將進(jìn)一步加深，必然涉及多行業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)資源流通與共享。就目前數(shù)據(jù)現(xiàn)狀來說，數(shù)據(jù)資源的流動和共享是一個“老大難”問題，也是制約數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要因素。如何在保證國家關(guān)鍵數(shù)據(jù)安全的前提下，做到多行業(yè)數(shù)據(jù)資源共建共享，讓數(shù)據(jù)資源像水資源一樣流動起來，激活市場應(yīng)用潛力，是值得當(dāng)下及未來深入思考和建設(shè)優(yōu)化的重要方面。

在通信技術(shù)方面，無線蜂窩大規(guī)模天線、太赫茲、動態(tài)頻譜共享、通信感知一體化等技術(shù)方向也都是6G 發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，也值得提前關(guān)注和部署。

“ 6G 的愿景很美好，但我們至少需要跨越十余年的光陰去追尋。目前，5G 技術(shù)及其融合應(yīng)用尚有許多空間有待挖掘和建設(shè)，遠(yuǎn)沒有達(dá)到完美的地步，還需要持續(xù)探索和演進(jìn)。我們對于6G 的需求暢想、技術(shù)探索，以及標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化研究將是一個漫長的過程，但作為科技工作者必須走上賽道，向前尋覓。”邢建平如是說。