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从5G到6G:需求、挑战与技术趋势

2020-06-29   来源:北京邮电大学学报

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一、未来人类对6G技术将有哪些需求?


  依据马斯洛的人类需求层次理论,低级需求满足之后,高级需求自然产生。


通信需求模型、发展阶段及特征


  目前人类通信系统经历了从必要通信上升到感官外延的层次,也就是从人与人之间的必要沟通,到初级的人与物、物与物之间进行通信的阶段。从这个角度来看,未来6G面向的是更加广泛存在的感官外延和解放自我的需求,即从移动互联网和物联网向泛在智联网的演进需求,6G总体愿景可以概括为“信息永相随,智慧常相伴“或“万物智联”。


  具体而言,从业务、应用场景和网络运维3 个角度综合考虑,未来6G 需求表现为如下几个方面:


  (1)面向传统需求的进一步增强。6G将会在5G的基础上,对移动宽带和物联网场景的基础通信能力进行进一步提升。


  (2)面向混合场景的多目标优化。随着网络的泛在化以及终端形式的多样化,传统5G 三大应用场景之间的界限会被进一步打破,6G 时代将会出现更多的混合型场景,如针对高铁场景下的大连接(高用户激活率)和高速率场景、针对未来可以按需定制的多模态立体交通服务(即超能交通[12]场景下的高可靠低时延大连接场景)、智慧城市中的海量视频监控等。


  (3)面向新业务的新需求。网络的泛在化、终端形式的多样化,结合两者的智能化发展趋势,未来将会出现更加多样化的业务类型与场景。据预测,未来机器人的数量将超过人类的数量,达到100 亿。综合上述两方面因素,未来人与物、物与物之间的通信将升级为人与智能体、智能体与智能体之间通信的形式。


  (4)面向网络运营的需求。未来随着流量的持续暴涨和网络密度的逐步增大,这都对网络的智能化与服务的灵活个性化提出了更高的要求。随着网络的泛在化,未来网络设计之初就需要考虑更加安全的协议架构等。


  二、6G关键性能指标怎样确定?


  面对未来更加多样化的业务和场景,6G 场景包括目前5G 三大场景的进一步增强,即eMBB+,对应人与人通信场景;URLLC+,对应智能体与智能体通信场景;mMTC+,对应人与智能体通信场景。基于6G 需求和现有5G 标准性能满足度分析,综合未来网络业务需求和技术能力,6G 系统能力关键指标针对某一类应用场景的需求不仅体现在对现有5G 系统单一指标的性能提升上,而且还包括现有指标维度的扩展以及新指标的提出上。


  (1)6G 对频谱效率的要求更加苛刻,可能会新增单天线(port)系统平均谱效和边缘谱效,这样的目的是更加明确地推动技术进步,在香农容量公式的基础上通过更加先进的技术提升系统的谱效,而不是单纯依赖天线数的增加、带宽的增加、基站密度的增加等资源消耗类方案提升系统的容量。和5G 相比,初步设定6G 有50%的谱效提升。


  (2) 从能量效率的角度来看,高负载时能效和谱效是紧密绑定的,低负载时能效取决于基站和终端的睡眠时长和比例,因此仅依据睡眠时长和比例来判断系统能效并不准确。此外,高负载时系统谱效和能效也有很大区别。如果系统谱效提升的同时,所需功耗也同比例提升的话,系统能效是无法提升的。另外,不同厂家的设备功耗由于技术、工艺、成本的差异而不同,因此从标准化的角度,建议给出设备最低系统能效阈值要求,推动高能效空口技术的研究,以及谱效和能效的联合系统设计。比如,可以考虑把能量效率定义为空口传输速率与基站总发射功率的比值;或者定义能量效率为空口传输速率与基站总功耗的比值,其中基站总功耗包括基带和射频两部分。


    (3)未来的6G 系统有可能引入立体覆盖场景,如高楼、无人机、空天地一体化网络等,所以6G的小区会变得更加立体,5G 中的流量密度和连接数密度等指标在6G 中有望扩展为立体密度指标。


  (4)6G 除了需要对频谱效率、时延、连接数等单一性能指标提升外,还需要考虑未来混合场景下多项KPI 的联合制定问题。比如,对移动性、用户激活率、数据传输速率和覆盖都有极高要求的未来高铁场景中,系统频谱效率的提升将面临前所未有的挑战;此外,随着自动驾驶技术的成熟,未来车联网场景中的用户激活率、数据传输速率、可靠性等需求会很高,系统的峰值速率很可能远远超过一般的应用场景。因此,混合场景KPI 的制定需要综合考虑、区别对待。这也大大增加了6G 需求指标制定的复杂度。


  (5) 针对业务的跨层设计。6G 系统能力指标中可能会引入与业务相关联的指标,实现真正端到端的优化设计,如失真率[16]、定位/感知精度、安全性[12]等,关于这些指标的具体取值还需要进一步研究。


  (6)建议6G 网络设计时,充分考虑系统的可扩展性和灵活性,尽可能避免演进过程中由于需求改变而对系统设计进行大幅度修改,从而降低标准化开销。


三、6G技术趋势


  当前5G 与人工智能、物联网、云计算、大数据、移动边缘计算已经开始呈现融合趋势,未来这种趋势将进一步深化。为了满足未来6G 网络“万物智联”的愿景, 总结来看,6G 网络呈现出如下技术趋势。


  首先,更加泛在的网络。其泛在性不仅体现在场景上,而且还包括应用的拓展上。之前的网络主要用于数据传输,未来6G 会向更高频段进一步扩展,虽然其部署场景相对受限,但如果与某些技术结合使用,在拓展新应用方面也有一定优势,如利用高频段超大规模天线进行定位、探测与成像等。


  其次,更加高效与绿色的网络。未来6G 网络不仅需要在现有5G KPI 基础上进一步提升,而且也需要在单天线频谱效率、不同负载下的网络能效、上行用户面时延、立体覆盖等多个维度定义新的指标需求。对于中低频段,在无线通信基础理论进一步发展的基础上,通过新型编码调制、多址、波形和大规模天线等使能技术,实现6G 空口基础通信能力的进一步突破仍然存在可能。


  再次,更加柔性的网络。柔性网络的设计理念在5G 设计之初就已被提出[17],如No-more “Cell”、以用户为中心等。未来6G 网络将进一步深化柔性设计理念, 从“以小区为中心”的网络转向“以人和智能体为中心”的网络,从而按需灵活启动必要的接入点和网元功能配置,实现按需组网。然后,更加开放的网络。为了实现网络功能按需扩展、算法快速重构与性能迭代优化,更加开放的网络成为重要选项,其具体包括网络架构、网络能力、接口等方面。最后,更加智能的网络。目前信息通信数据技术已经呈现深度融合趋势[18]。场景的泛在化、通信和计算的融合、高质量的数据促使智能化向着更高层次发展。未来6G 网络还将在算法实现、空口协议与信令流程、网络架构、网络运维和管理等多个层面实现人工智能能力的全面渗透,驱动人类进入“泛在智能”的时代。通过人类与智能体之间的信息交互,以及模型驱动与数据驱动的结合,从而充分发挥人类智慧和人工智能各自的优势,实现两者的融通发展。


  (本文作者易芝玲,中国移动首席科学家)


来源:易芝玲,王森,韩双锋,崔春风,王亚峰.从5G 到6G 的思考:需求、挑战与技术趋势,北京邮电大学学报, https://doi.org/10.13190/j.jbupt.2020-024


  责任编辑:宫在芹

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