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智联物理与数字世界 彻底改变世界

智联物理与数字世界将彻底改变世界

摘要:随着中国及全球5G规模商用展开,6G研究创新窗口悄然而至。6G时代将会诞生什么新的业务?这些新业务所要求的网络性能指标是什么?6G网络为此需引入哪些新的无线网络架构设计理念与使能技术?以支撑5G向6G的演进及6G本身的未来演进。本文初步探讨了6G网络业务需求与使能技术挑战问题,包括6G时代的潜在新服务及其性能指标、6G网络架构技术特点、6G网络使能技术分类,给出了中兴6G研究团队的6G网络技术创新实例,提出了6G网络技术可行性研究目标、路线与计划建议,以确保5G向6G的平滑演进,实现6G网络基础设施改变世界的美好蓝图。


2020年新冠疫情的发生,可能导致5G eMBB、URLLC与mMTC服务大规模商用时间的延后,却给我们更多的时间思考:2030年将要商用的6G网络,将支持哪些现有5G 商用网络无法满足的新服务需求,现有5G商用网络架构与使能技术将如何向6G演进,如何设计6G网络架构与使能技术才能更好地为人类福祉服务。

一.6G网络基础设施愿景

4G移动互联改变了人类的生活与工作方式,5G万物互联试图重构城市管理、物流运输、制造电力等行业基础设施,成为人类生活、经济运营的基础设施,而6G网络基础设施将构建智联的物理与数字世界,详见图1。

      为满足联合国2030年可持续发展的17个目标[1],6G时代可能诞生的全新服务,将包括感知互联网、人工智能(AI)服务互联网与行业互联网。6G网络基础设施将提供宏观、微观与行业三维连接,同时也将提供服务、连接与管理智能。因此,4G改变生活,5G将改变社会,6G将改变世界。



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图1. 中兴通讯6G网路愿景

二.6G时代新型服务用例考虑

6G时代的感知、AI服务与自动工业互联网,其典型用例详见表1。感知互联网,是指视觉、听觉、触觉、味觉、气味与情感等全新增强媒体互联网服务及其智慧共享;AI服务互联网,是指未来任何人、任何机器与任何组织都可以享受的人工智能互联网服务及其智慧共享;自动工业互联网,是指跨越任何领域、任何平台、任何水平自动化的互联网服务及其智慧共享。这三种互联网服务可能存在交集或跨域用例,只是感知互联网侧重于人网全息交互,AI服务互联网侧重于数据分析与算法自治运行,自动工业互联网侧重于自动感应与协调控制。


                                               表1. 6G时代感知、AI服务与工业互联网服务典型用例

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感知互联网

AI服务互联网

工业互联网

组成

视、听、触、味、嗅觉与情感

任何人、任何机器与任何组织

任何领域,任何平台,任何自动化

举例1

视/听/触/味/嗅觉/情感增强,如影随形

绿色消费、绿色基础设施

数字孪生工厂、城市、太空

举例2

地下、水下、星际旅行

细胞地图、疾病预测、基因治疗

机器人灵巧控制、机器人社区

举例3

联接感觉、大脑、思想

自动驾驶、车车通信

三维金属、组织、类器官打印

跨域

娱乐、教育、工作、生活、健康、城市、运输、环境、能源、制造、农业、航空等等 


其中,感知互联网中的“如影随形”用例是指在预定的持续时间内,经过许可与信任控制,一个人可以通过自己的眼睛与其他感觉[2]真实地体验另一个人的感觉甚至生活。例如,一位母亲通过“如影随形”能够体验其穿新鞋孩子的脚部的真实体验。AI服务互联网中的“绿色消费”用例,是指每个人的吃、穿、用、健身、交通、家居温度等消费行为,都是通过极小AI[3]精心测算后满足个体需求的最节省、对环境影响最小的推荐消费。工业互联网中的“机器人社区”用例,则是无人工厂或医院中的最佳管理者或护理者。

同时,不同领域也存在感知、AI服务与工业互联网的跨域服务用例,例如“健康”领域“疾病可防可控”用例,疾病控制中心可以最早时间获得新型病毒感染某区域或某人群预警信号,通过空中与固定感知监控器与家居AI设备实施全电子化智能物理隔离,感染病人则通过自动驾驶负压救护车抵达特定隔离区无人医院,同时上传所有病人初检身体状态信息,健康区内的传染病大夫通过视、听、触、味、嗅觉与情感增强现实可穿戴设备或医护机器人,给病人进行无物理接触的全面身体检查、诊断治疗,包括个性化治疗[4]、快速疫苗分发等,都是全球各地的抗病毒研究所通过病毒基因检测、AI共享疫苗/诊疗方案的联合行动。

     当然,上述“如影随形”、“绿色消费”、“机器人社区”与“疾病可防可控”用例,能否在6G网络基础设施中实现还有待中国与全球6G产学研生态体系的共同讨论与努力。


三.6G时代新型服务的性能指标要求

依据3GPP Rel-16与Rel-17视频、确定性通信、室内热点、工业物联网等服务需求的研究结果[5-12],结合高清、高自由度、人眼极限视频[13-14]带宽与可靠性需求,无人机或自动驾驶定位精度要求[15-16],非地面网络星上基站移动速度[17]要求,可以估计6G时代新型服务的性能指标需求,以及相对5G网络性能指标[5,18]的提升倍数,如图2所示。这些性能指标,同时也是5G向6G网络长期演进的目标要求。


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图2. 6G服务性能指标要求及其相对5G网络性能指标提升倍数

     当然以脑云接口[19]为典型代表的人脑科学的发展,也对后6G(B6G)时代的微观三维连接提出了更高要求,例如:数据率5.52 ´ 107 Gbps,体积业务容量4.6 ´ 1013 Mbps/m3,连接密度1.67´1017 个神经元传感器/m3,提示我们在6G网络架构与使能技术的设计上需考虑面向B6G微观三维连接的前向兼容性。


四.6G网络架构与使能技术挑战

AI与机器学习(ML)技术的广泛使用与快速发展,预示着无线网络架构将从软件化、虚拟化演进到服务化、智能化阶段。智能无线电、智能覆盖、智能演进,将是6G网络架构的基本技术特征。

所谓智能无线电是指软件定义的无线信道,无线链路与其传播特性分离,有线质量的无线连接。智能覆盖是指终端与小区分离,虚拟小区为终端服务,小区边缘不再存在。智能演进是指独立的无线网络功能演进,任何动态操作可支持AI处理,网络拓扑可依据服务需求灵活选择与改变。因此,6G智联网络架构将成为各项6G使能技术的耦合基础。

     6G网络基本使能技术,可以划分为三维连接、智能MIMO、按需拓扑、按需AI/ML与新视野通信这五个类别。图3给出了6G网络技术体系框架。



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图3. 6G网络技术体系框架

三维连接是指空、天、地、海一体化通信连接,通常由地面网络与非地面网络组成,其无线站点或天线可以显式或隐性部署于机房、建筑墙面或家居环境、地上或水下无人机、空中平台、不同轨道卫星等不同位置。三维连接主要技术挑战包括:连接策略、融合物理层、频谱管理、无线资源管理、干扰协调、高速移动与波束管理等。

智能MIMO是指依据连接需求可灵活使用低频段单用户或多用户MIMO,高频段超大规模天线阵智能波束管理,智能反射和或透射表面技术,以终端为中心的分布式MIMO技术,以达到宏观三维连接的空间效率与性能指标要求的最佳组合。智能MIMO主要技术挑战包括:空间效率、性能评估、面板设计、推理模型、部署策略等

按需拓扑是指依据服务和连接需求灵活选择或改变网络部署形态与密度,包括地面与非地面接入、传输及其集成模式,D2D、组播网与网状网,以及动态切片等部署形态,以实现成本、能耗与性能指标的按需优化。其主要技术挑战包括拓扑策略、虚拟小区、动态无线接入网、移动组网、动态切片、灵活回传与组播等。

按需AI/ML是指服务、频谱、结构、连接、天线、移动性、部署、维护等6G网络的基本组件,可灵活采用分布、集中、边缘或混合云,也可以采用神经网络、增强学习、迁移学习、联邦学习、群体学习、跨链区块链、神经生态计算等各种数据处理方式,以确保服务、资源、管理尤其是算力效率及其可信任性。

新视野通信,包括太赫兹通信、环境RF能量采集、光通信、分子通信、量子通信、脑云接口等各种潜在超硅连接技术。其中100GHz到10THz频率范围的太赫兹通信,可以提供超大带宽近距离通信连接以及与通信集成的传感或成像,且在无线通信波形、调制、信道编码、波束管理、信道建模与控制、部署、RF器件与高增益天线等方面都面临技术挑战。

     如何设计满足上述6G服务需求的6G网络结构与使能技术,并通过测试、试验验证其技术可行性,将是中国与全球6G产学研资源的共同使命与任务。中兴通讯6G研究团队,围绕上述6G使能技术开展了相应关键技术研究创新工作,表2给出了五项创新技术实例的基本技术特点与应用场景。这些创新技术实例不仅可以用于6G智联网络连接,同时也可以用于5G演进网络的功能扩展与性能提升。

                                                            表2. 中兴通讯6G创新技术实例特点与应用场景

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创新技术

技术特点

应用场景

1

增强多用户共享接入(eMUSA)

超高连接密度、高谱效、免授权

超级mMTC、URLLC、V2X

2

智能反射表面天线阵(IRS-MIMO)

能量有效的容量与覆盖提升

室外、室内、高频段

3

基于服务结构的无线接入网(SBA-RAN)

无线接入网功能独立演进与灵活部署

超级eMBB, mMTC, URLLC

4

AI低密度奇偶校验码译码器(AI-LDPC)

干扰环境下的高译码性能、高可靠性

超级eMBB, NTN, URLLC

5

高频段向太赫兹扩展的信道模型

基于数字地图的混合信道模型,支持漫散射等

高频段通信


五.6G网络可行性研究目标、技术路线与工作计划

1)研究目标:研究后5G与6G时代业务发展趋势与需求,分析6G网络基础设施架构与使能技术挑战,识别、研究并掌握6G必选使能技术及其实现方案。

2)技术路线:从6G业务驱动到6G网络架构再到6G使能技术,可以采用对产学研生态系统完全开放的可行性研究技术路线,参见图4。



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图4. 6G可行性研究技术路线

3)工作计划:6G驱动与技术可行性研究及标准输出工作计划[21]预测,详见图5。中国IMT-2030推进组计划在2023年完成6G驱动与技术可行性研究,可见2020-2023年将是6G网络需求、架构与使能技术的研究窗口。



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图5. 6G网络技术可行性研究与标准工作计划

在2020-2023年6G研究窗口内,中兴通讯将立足3G、4G与5G 大规模商用网络的连接技术积累,与全球6G产学研创新生态系统互相合作,为5G向6G网络的长期演进贡献出更多更强的创新技术。


六.结束语

本文提出6G智联网络将彻底改变世界的美好愿景,预测了6G时代可能诞生的感知互联网、AI服务互联网与自动工业互联网等新型服务用例,总结了这些新服务用例所要求的6G网络性能指标,在此基础上初步建立了6G智联网络技术的系统框架,其中6G智联网络架构基本技术特点包括智能无线电、智能覆盖与智能演进,6G智联网络使能技术包括三维连接、智能MIMO、按需拓扑、按需AI/ML与新视野通信,并给出中兴通讯6G研究团队的五项创新技术实例及其应用场景,最后简要介绍了6G智联网络可行性研究目标、技术路线与工作计划,以确保5G向6G的平滑演进。

七.参考文献

[1] 联合国, 变革世界的17个目标, https://www.un.org/sustainabledevelopment/zh/, 2015年9月

[2] Frank Boehm etc, Quandary - Are Molecularly Manufactured Burgers Imbued with the Life Force, https://ieet.org/index.php/IEET2/more/boehm20160115, Jan 15, 2016

[3] MIT Technology Review, 10 Breakthrough Technologies 2020, https://www.technologyreview.com/lists/technologies/2020/, Feb 26, 2020

[4] MIT Technology Review, 10 Breakthrough Technologies 2019, https://www.technologyreview.com/lists/technologies/2019/, Feb 27, 2019

[5] 3GPP Rel-14 TR 38.913, Study on scenarios and requirements for next generation access technologies, Oct 2016

[6] 3GPP Rel-15/16/17 TS 22.261, Service requirements for the 5G system, March 2017

[7] 3GPP Rel-16 TS 22.104, Service requirements for cyber-physical control applications in vertical domains, Jan 2019

[8] 3GPP Rel-16 TR 22.804, Study on Communication for Automation in Vertical domains (CAV), July 2018

[9] 3GPP Rel-17 TR 22.826, Study on communication services for critical medical applications, Oct 2019

[10] 3GPP Rel-17 TR 22.827, Study on Audio-Visual Service Production, Oct 2019

[11] 3GPP Rel-17 TR 22.832, Study on enhancements for cyber-physical control applications in vertical domains, Oct 2019

[12] 3GPP Rel-17 TR 22.842, Study on Network Controlled Interactive Service (NCIS) in the 5G System (5GS), June 2019

[13] Qualcomm, https://www.qualcomm.com/media/documents/files/vr-and-ar-pushing-connectivity-limits.pdf, Oct 2018

[14] Ejder Bastug, etc, Toward Interconnected Virtual Reality: Opportunities, Challenges, and Enablers, IEEE Commun. Magazine, June 2017, pp.110-117

[15] 3GPP Rel-16 TR 38.855, Study on NR positioning support, Mar 2019

[16] Tyler G. R. Reid, etc, Localization Requirements for Autonomous Vehicles, https://arxiv.org/pdf/1906.01061.pdf, Jun 2019

[17] 3GPP Rel-16 TR 28.821, Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN), Jan 2020

[18] ITU-R Report M.2410-0, Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s), Nov 2017

[19] Nuno R. B. Martins etc, Human Brain/Cloud Interface, Frontiers in Neuroscience, Volume 13, Article 112, Mar 29 2019

[20] Fang Min, Service native Challenges and Innovations, Keynote in the 2nd 6G Wireless Summit, March 17-18, 2020

[21] ITU-R WP5D#34 Meeting Document 5D/TEMP/96, Workplan for a preliminary draft new Report ITU-R M.[IMT.FUTURE TECHNOLOGY TRENDS], Feb 25, 2020


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