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6G 研發(fā)的最新進(jìn)展以及未來的發(fā)展趨勢(shì),具有更高的智能化水平

工程師鄧生 ? 來源:學(xué)術(shù)頭條 ? 作者:學(xué)術(shù)頭條 ? 2020-12-17 17:46 ? 次閱讀

近日,由東南大學(xué)尤肖虎教授領(lǐng)銜,王承祥教授組織起草,聯(lián)合國內(nèi)外 24 家科研院校及企業(yè)的 50 位業(yè)內(nèi)專家,針對(duì) 6G 最新進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì)撰寫了一篇長達(dá) 70 多頁的綜述 “Towards 6G wireless communication networks: vision, enabling technologies, and new paradigm shifts”,文章發(fā)表在 Science China Information Sciences 2021 年第 1 期。

文章從 6G 性能指標(biāo)、應(yīng)用場景、垂直行業(yè)應(yīng)用、使能技術(shù)、新的范式轉(zhuǎn)換等方面對(duì) 6G 研發(fā)的最新進(jìn)展以及未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了全面的綜述。

面對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)需求的不斷增強(qiáng),5G 網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸速率、接入密度等方面面臨新的技術(shù)瓶頸,而 6G 的發(fā)展或?qū)⑼黄七@些技術(shù)壁壘,提供更加快速更加深遠(yuǎn)的通信服務(wù),并最終消除現(xiàn)實(shí)世界和網(wǎng)絡(luò)世界的界限。

從 5G 到 6G

2019 年 11 月 1 日,隨著三大運(yùn)營商 5G 套餐的上線,標(biāo)志著國內(nèi)第五代(5G)無線通信網(wǎng)絡(luò)正式進(jìn)入商用。2020 年以來,5G 網(wǎng)絡(luò)開始在世界范圍內(nèi)部署,大規(guī)模連接、高可靠性、保證低延遲等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化,一個(gè)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互的新時(shí)代正在加速到來。 與第一代到第四代無線通信網(wǎng)絡(luò)相比,5G 網(wǎng)絡(luò)擁有傳輸速率快、低時(shí)延、高容量等優(yōu)勢(shì)。但隨著車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等新業(yè)務(wù)類型和需求的發(fā)展,5G 網(wǎng)絡(luò)顯然無法滿足 2030 年及未來的網(wǎng)絡(luò)需求,研究人員已經(jīng)現(xiàn)在開始關(guān)注第六代(6G)無線通信網(wǎng)絡(luò)。

多樣化的通信場景必將對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)程度提出更大需求,對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和容量方面提出更高需求,6G 網(wǎng)絡(luò)將借助人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)、體驗(yàn)質(zhì)量(QoE)、安全性和能源效率等性能上,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提升。 6G 無線通信網(wǎng)絡(luò)有望提供更高的頻譜、能量、成本效率、更高傳輸速率、更低傳輸時(shí)延、超大連接密度、更高的智能化水平、亞厘米級(jí)的地理定位精度、接近 100% 的覆蓋率和亞毫秒級(jí)的時(shí)間同步。 網(wǎng)絡(luò)通信正在經(jīng)歷著與 80 年代計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)相似的巨大變化,網(wǎng)絡(luò)軟件化逐步成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新趨勢(shì),以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件供應(yīng)鏈的多樣化,并推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)能夠支持新興物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)科學(xué)應(yīng)用的高能力平臺(tái)。而 6G 的發(fā)展,為推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)軟件化提供了一種新的計(jì)算范式,同時(shí)不增加能耗成本。

相較于 5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能 eMBB,mMTC 和 uRLLC 等指標(biāo),6G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了性能的進(jìn)一步增強(qiáng),并在應(yīng)用場景實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

2019 年 3 月,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室提出了一些 6G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。其中提到,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯殿A(yù)計(jì)將超過 100 Gbps,連接密度達(dá)到 107 個(gè)設(shè)備 /km2,時(shí)延應(yīng)小于 0.3 毫秒,能源效率將是 5G 的 10 倍,容量將達(dá)到 5G 系統(tǒng)的 10000 倍。

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圖 | 5G 和 6G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)和應(yīng)用場景的比較

通過應(yīng)用 AI 技術(shù),6G 網(wǎng)絡(luò)將可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)管理和自動(dòng)化水平,由于使用了極為異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)、多樣化的通信場景、大量的天線和較寬的帶寬,6G 網(wǎng)絡(luò)的連接密度將增加 10—100 倍。

圖 | 6G 通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景

為了滿足 6G 網(wǎng)絡(luò)即將出現(xiàn)的帶寬、時(shí)延、可靠性以及應(yīng)用程序所設(shè)置的彈性需求,下一階段網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模設(shè)計(jì)將是重點(diǎn)研究內(nèi)容。 2018 年 7 月 16 日,國際電信聯(lián)盟(ITU)成立 ITU-T 2030 網(wǎng)絡(luò)焦點(diǎn)組技術(shù)研究組(FG NET-2030),致力于研究 2030 年及以后的網(wǎng)絡(luò)能力,以支持未來如全息通信等新穎的前瞻性場景,滿足在緊急情況下可以快速地響應(yīng)新興市場和垂直領(lǐng)域的高精度通信需求。

未來的 6G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展,將支持更加廣泛的應(yīng)用場景,實(shí)現(xiàn)安全可靠的穿戴設(shè)備、集成耳機(jī)、可植入傳感器等以人為本的服務(wù),支持更遠(yuǎn)距離的高速移動(dòng)、極低功耗的通信,為 VR、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)自動(dòng)化、C-V2X、數(shù)字雙體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、節(jié)能無線網(wǎng)絡(luò)控制和聯(lián)合學(xué)習(xí)系統(tǒng)等方面的發(fā)展,提供更加可靠的網(wǎng)絡(luò)支撐。

圖 | 協(xié)助管理疫情的數(shù)字孿生局域網(wǎng)示意圖

數(shù)字孿生局域網(wǎng)利用 6G 和 ICT 技術(shù),可以模擬虛擬人體,實(shí)施全天候跟蹤人體體征,提前預(yù)測疾病,還可以模擬虛擬人體的手術(shù)和用藥,利用虛擬人體預(yù)測效果,加速藥物研發(fā),降低成本,從而提高人類的生活質(zhì)量。

覆蓋全球:“ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 一體化網(wǎng)絡(luò)

為了實(shí)現(xiàn) 6G 網(wǎng)絡(luò)更優(yōu)的性能指標(biāo),擴(kuò)展更加廣泛的應(yīng)用場景,6G 網(wǎng)絡(luò)將在當(dāng)前 5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)上,發(fā)生四個(gè)新的模式轉(zhuǎn)變:

(1)覆蓋全球(global coverage),利用衛(wèi)星通信、無人機(jī)通信、地面通信和海上通信,實(shí)現(xiàn) “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 一體化網(wǎng)絡(luò)。

(2)全頻譜(all spectra),所有頻譜將得到充分探索,包括 6 GHz 以下、毫米波、太赫茲和光學(xué)頻帶。

(3)完整應(yīng)用程序(full applications),將與通信、計(jì)算、控制 / 緩存和 AI 技術(shù)相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)更高的智能性。

(4)內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)安全性(endogenous network security),開發(fā)物理層和網(wǎng)絡(luò)層的 6G 網(wǎng)絡(luò)時(shí),還將考慮內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)安全性。

當(dāng)前,一些研究已經(jīng)初步嘗試對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)的集成,但尚未充分研究用于全球覆蓋的 “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 綜合集成方法。

人們普遍認(rèn)識(shí)到,由于 5G 地面通信網(wǎng)絡(luò)受無線電頻譜、服務(wù)地理區(qū)域覆蓋范圍和運(yùn)營成本的限制,無法覆蓋在所有地方不分時(shí)段地提供高質(zhì)量和高可靠性的服務(wù),尤其是對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)即將到來的萬億級(jí)連接。 為了在全球范圍內(nèi)提供真正無所不在的無線通信服務(wù),必須開發(fā)一種 “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 一體化網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)全球連通性,并允許各種應(yīng)用程序訪問,尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)。

圖 | “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)

為了有效地將具有不同規(guī)模的各種網(wǎng)段和多樣化的無線電接入技術(shù)有效地整合到 “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 網(wǎng)絡(luò),6G 仍存在著許多挑戰(zhàn)和機(jī)遇,需要進(jìn)一步研究。

全面應(yīng)用:具有更高的智能化水平

隨著人工智能和 ML 技術(shù)的快速發(fā)展,6G 網(wǎng)絡(luò)有望具有更高的智能化水平。人工智能和 ML 方法可以從海量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)特征,而不是從預(yù)先建立的固定規(guī)則中學(xué)習(xí)特征,從而極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的效率和延遲。 下一代無線網(wǎng)絡(luò)必將向復(fù)雜系統(tǒng)方向發(fā)展,面對(duì)不同的應(yīng)用場景,對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求也會(huì)不同,因此,也就對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的自適應(yīng)性和智能化水平提出了更高的要求。 人工智能可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)流量、資源利用、用戶需求和潛在威脅的變化等功能,并提供智能協(xié)調(diào),而機(jī)器學(xué)習(xí)方法也可用于優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)的物理層,可以用來重新設(shè)計(jì)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 目前,以深度學(xué)習(xí)和知識(shí)圖譜為代表的人工智能技術(shù)正在迅速發(fā)展,通過將人工智能技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò),將對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)用戶、服務(wù)和環(huán)境的多維主客觀要素進(jìn)行表征、構(gòu)建、學(xué)習(xí)、應(yīng)用、更新和反饋。在獲取知識(shí)的基礎(chǔ)上,還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的立體感知、決策推理和動(dòng)態(tài)調(diào)整。

圖 | 智能 - 內(nèi)生性網(wǎng)絡(luò)的自演化閉環(huán)結(jié)構(gòu)

因此,網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)我們想要的任何服務(wù)需求自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整,研究人員將這樣的網(wǎng)絡(luò)稱為 IEN,即自進(jìn)化的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

概括而言,這篇綜述文章指出了當(dāng)前 5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)的局限性,并提出了 6G 無線通信網(wǎng)絡(luò)的愿景、使能技術(shù)、四個(gè)新的范式轉(zhuǎn)換以及未來的研究方向。同時(shí),引入了 6G 的新性能指標(biāo)和應(yīng)用場景,給出 6G 無線通信網(wǎng)絡(luò)在垂直行業(yè)的應(yīng)用場景,面對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,為實(shí)現(xiàn)完全集成的 6G 網(wǎng)絡(luò)提出建議。

責(zé)任編輯:PSY

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