靳欣欣

(1.深圳賽西信息技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518057；2.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100176)

0 引言

5G 的主要目標(biāo)是滿足超高清、VR/AR、云桌面等業(yè)務(wù)在高移動(dòng)、密集連接等情況下在消費(fèi)場景以及工業(yè)、醫(yī)療、交通等垂直行業(yè)場景的需求，與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融合，開啟萬物互聯(lián)、數(shù)字孿生。但面向2030 及更遠(yuǎn)的未來，5G 技術(shù)上限等仍然無法滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋與應(yīng)用需求。

與5G 演進(jìn)趨勢較類似，早期的6G，也就是5G 發(fā)展的中后期，6G 預(yù)計(jì)將是5G 的進(jìn)一步拓展，在網(wǎng)絡(luò)性能、應(yīng)用場景等各方面進(jìn)一步優(yōu)化和深化。而在6G 中后期發(fā)展中，隨著AI、量子計(jì)算、集成天線等技術(shù)的發(fā)展，6G將產(chǎn)生新的突破，甚至構(gòu)建新世界。

1 從通信技術(shù)發(fā)展史看6G 技術(shù)演進(jìn)趨勢

如圖1 所示，移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展是一個(gè)從溝通泛在、信息泛在、感知泛在到智慧泛在的過程，也是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接更加廣泛、技術(shù)融合更加顯著、數(shù)據(jù)價(jià)值逐步凸顯、賦能效應(yīng)指數(shù)升級的過程。

圖1 移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展歷程

(1)網(wǎng)絡(luò)連接愈加廣泛

5G 以基站為中心發(fā)散覆蓋，通信對象集中在陸地地表10 km 以內(nèi)高度的有限空間范圍，預(yù)計(jì)5G 時(shí)代仍將有80%以上的陸地區(qū)域和95%以上的海洋區(qū)域無移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號[1]，在基站所未覆蓋的沙漠、無人區(qū)、海洋等區(qū)域內(nèi)將形成通信盲區(qū)；而6G 將充分利用低中高全頻譜資源，實(shí)現(xiàn)空天地一體化的全球無縫覆蓋[2]。

(2)網(wǎng)絡(luò)性能不斷提升

更大的連接數(shù)密度、更大的傳輸帶寬、更低的端到端時(shí)延、更高的可靠性和確定性以及更智能化的網(wǎng)絡(luò)特性，是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與垂直行業(yè)融合應(yīng)用得以快速推廣和長遠(yuǎn)發(fā)展的必然需要。盡管當(dāng)前5G 應(yīng)用的效應(yīng)尚未完全顯現(xiàn)，但從5G 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范來看，仍然在信息傳輸、交互、覆蓋等方面難以滿足某些垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)需求。5G 與6G 的網(wǎng)性能對比如表1所示[2-3]。

表1 5G 與6G 的網(wǎng)絡(luò)性能對比

例如，對于工業(yè)精準(zhǔn)控制場景、觸感技術(shù)等，需要將時(shí)延縮減至亞秒(＜1 ms)級甚至是微秒(μs)級[4]。全息通信中，極致的數(shù)據(jù)速率可帶來沉浸式全息連接體驗(yàn)，這要求6G 數(shù)據(jù)速率需達(dá)到太比特量級。在測量測繪、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、車聯(lián)網(wǎng)、形變監(jiān)測等場景中，需要能夠支撐1 m 以下甚至亞米級的超高精度定位的通信技術(shù)，往往需要通信技術(shù)具備超低延時(shí)、群智感知、超大規(guī)模天線陣列等技術(shù)特點(diǎn)以及與衛(wèi)星通信等通信系統(tǒng)的良好融合[5-7]。超能交通場景下，飛機(jī)、磁懸浮列車等承載的終端的移動(dòng)速度將超過1 000 km/h，這對超高速移動(dòng)環(huán)境下通信技術(shù)支持實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)和高精度定位業(yè)務(wù)都提出了挑戰(zhàn)。

另外，隨著傳感器與智能終端類型的豐富、規(guī)模擴(kuò)大，5G 網(wǎng)絡(luò)將無法承擔(dān)未來智慧城市場景中更大連接設(shè)備的接入，必須依賴下一代6G 網(wǎng)絡(luò)超大連接數(shù)性能的支撐。

(3)技術(shù)融合更加顯著

5G 與人工智能等技術(shù)的融合更多體現(xiàn)在共同應(yīng)用在業(yè)務(wù)場景中。而高度自主智能化的超靈活網(wǎng)絡(luò)是6G最為明顯的特征之一。如圖2、表2 所示，6G 智能化將貫徹于網(wǎng)絡(luò)端到端每一個(gè)環(huán)節(jié)，人工智能、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等技術(shù)將融合在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自主自治[8-10]。

表2 6G 與其他技術(shù)融合的作用

圖2 6G 將與人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)深度融合

(4)數(shù)據(jù)價(jià)值逐步凸顯

6G 網(wǎng)絡(luò)將推動(dòng)數(shù)據(jù)來源更加多元化、數(shù)據(jù)連接規(guī)模大幅提升，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)、城市、社會向“數(shù)字孿生”演進(jìn)，能夠在更大規(guī)模、更優(yōu)水平上挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值；與此同時(shí)，由于AI、區(qū)塊鏈等技術(shù)的引入，也改變了數(shù)據(jù)收集、優(yōu)先級和共享方式，進(jìn)一步優(yōu)化了數(shù)據(jù)對于不同對象的價(jià)值體現(xiàn)；同時(shí)AI、區(qū)塊鏈等技術(shù)等提供了智能化的隱私安全保障機(jī)制。因此，6G 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與推廣，將極大意義上促進(jìn)數(shù)據(jù)價(jià)值的進(jìn)一步凸顯。

(5)賦能效應(yīng)指數(shù)升級

6G 愿景是“海陸空天地”萬物互聯(lián)，推動(dòng)現(xiàn)實(shí)世界向虛擬世界映射，加速社會智慧化升級，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生和智慧泛在。以感知技術(shù)為例，從1G 到5G，實(shí)現(xiàn)信息交互的主要載體從語音、文字、圖片、視頻到VR 等傳感設(shè)備，而6G 的大吞吐量、超低延時(shí)等夠支撐多維感官的協(xié)同傳輸，使人們獲得“通感”體驗(yàn)，包括觸感、聽感、視感等，可應(yīng)用到醫(yī)療健康、教育培訓(xùn)、文娛等多個(gè)領(lǐng)域。

2 6G 應(yīng)用典型業(yè)務(wù)場景

通過對6G 技術(shù)趨勢的分析可知，6G 未來的場景應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的廣泛且規(guī)?；杉?、交互的實(shí)時(shí)性、獲得的便捷性等，從而獲得更加精準(zhǔn)的數(shù)字化模型、更加高價(jià)值的運(yùn)算結(jié)果、跨地域跨時(shí)間的體驗(yàn)、更加智能化的反饋與服務(wù)，實(shí)現(xiàn)全社會的智慧內(nèi)生。正如3G、4G 等信息技術(shù)把人類推向“虛擬網(wǎng)絡(luò)世界”，5G為人類開啟“萬物互聯(lián)”，6G 等未來信息技術(shù)將把全社會推向“數(shù)字孿生”，真正實(shí)現(xiàn)“萬物智聯(lián)”。

其實(shí)，不論是孿生工廠、孿生醫(yī)療、孿生城市，其本質(zhì)都是在模擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用AI 等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化模型映射、監(jiān)測、分析、優(yōu)化、管理[11]。因此，本文重點(diǎn)介紹沉浸式體驗(yàn)與交互、孿生醫(yī)療、孿生工廠、超能交通。

2.1 沉浸式體驗(yàn)與交互場景

沉浸式體驗(yàn)與交互可利用VR/AR 或者全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)。對于VR 在線業(yè)務(wù)，通過云將內(nèi)容存儲及圖像渲染遷移至云端，VR 頭顯設(shè)備只需具備解碼、呈現(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)接入的能力。因此，云VR 大大降低了對頭顯設(shè)備的性能要求，有效降低頭顯設(shè)備成本，也將促進(jìn)頭顯設(shè)備向輕量化發(fā)展。但目前4K VR 頭顯的清晰度對于沉浸式體驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，甚至還會讓用戶產(chǎn)生疲勞感，而提高清晰度除了對于顯示技術(shù)的要求提高以外，對于帶寬要求也很高；對于VR 強(qiáng)交互業(yè)務(wù)來說，運(yùn)動(dòng)到成像的時(shí)延20 ms僅是不讓用戶產(chǎn)生眩暈感的最低要求[12]，能夠達(dá)到10 ms則更為理想，但是由于傳輸損耗、影像占據(jù)網(wǎng)絡(luò)容量大等原因，在實(shí)際應(yīng)用中對于5G 來說存在難度。

根據(jù)投影物體和幀率的大小，全息通信需1 Gb/s～1 Tb/s 的網(wǎng)絡(luò)帶寬。而5G eMBB(增強(qiáng)帶寬)場景提供的用戶體驗(yàn)速率為0.1～1 Gb/s，峰值速率為數(shù)十Gb/s[3]，很難達(dá)到甚至達(dá)不到全息通信對于高清、超高清影像的需求。為了讓用戶獲得身臨其境的感覺，全息通信要求網(wǎng)絡(luò)必須提供小于1 ms 的端到端時(shí)延[4]。

全息通信示意如圖3 所示。全息技術(shù)未來發(fā)展的關(guān)鍵趨勢是全息交互，通過AI 識別、傳感技術(shù)等采集用戶的動(dòng)作等，通過交互系統(tǒng)分析，從而做出反饋，這對網(wǎng)絡(luò)通信和計(jì)算能力提出了更高的要求。

圖3 全息通信示意圖

2.2 孿生醫(yī)療

信息技術(shù)在醫(yī)療的應(yīng)用演進(jìn)如圖4 所示，醫(yī)療數(shù)字化、智慧化發(fā)展可以分為管理數(shù)字化、醫(yī)療數(shù)字化、虛擬醫(yī)院、孿生醫(yī)療4 個(gè)階段，目前我國醫(yī)療處在醫(yī)療數(shù)字化和虛擬醫(yī)院之間。疫情防控期間，我國5G 在遠(yuǎn)程超聲波會診、遠(yuǎn)程急救等場景得到示范應(yīng)用與推廣[13]。

圖4 信息技術(shù)在醫(yī)療的應(yīng)用階段演進(jìn)

面向未來，材料、生物電子、傳感等技術(shù)將得到極大發(fā)展，傳感終端可以做到納米級別[14-15]，利用6G 超廣連接、超大帶寬形成“體域網(wǎng)”，通過大量的智能傳感器(＞100 項(xiàng)傳感器/cm3)，可準(zhǔn)確地進(jìn)行重要器官、神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、肌肉骨骼、情緒狀態(tài)等的信息采集，對人體的健康情況進(jìn)行數(shù)字化映射形，實(shí)現(xiàn)對人體個(gè)性化健康數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，醫(yī)療健康從“治療”轉(zhuǎn)向“預(yù)防”。

孿生醫(yī)療的可應(yīng)用場景很多，并且隨著生物、醫(yī)學(xué)、電子、信息技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用場景將會繼續(xù)豐富，目前可以預(yù)想到的有納米機(jī)器人、數(shù)字器官、病理研究、疾病預(yù)防等。

實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器人之間的協(xié)作、實(shí)時(shí)智能化模擬與定位等，需通信技術(shù)與生物學(xué)、材料等技術(shù)的融合應(yīng)用。而納米機(jī)器人的高密度接入、納米機(jī)器人之間的通信速率、通信可靠性與網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制等也是未來6G 在納米機(jī)器人應(yīng)用需要解決的問題。

數(shù)字器官是在納米機(jī)器人/傳感器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對人體器官的精確模擬，在數(shù)字器官的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)對于藥物研發(fā)、器官手術(shù)、解剖教學(xué)等的模擬，從而降低醫(yī)學(xué)研究成本、提升手術(shù)的成功率等。為了實(shí)現(xiàn)對器官的完全實(shí)時(shí)模擬，未來的體域網(wǎng)對部署的納米機(jī)器人數(shù)量提出了超高要求。例如當(dāng)前數(shù)字化器官模型對人體心臟進(jìn)行重構(gòu)時(shí)切片厚度僅為10 μm，那么需要7 000～8 000 個(gè)切片才可以完成重構(gòu)[15]。如果把一個(gè)切片記錄的信息當(dāng)成一個(gè)納米機(jī)器人負(fù)責(zé)重構(gòu)的信息，那么部署在人體心臟的納米機(jī)器人數(shù)量將是數(shù)千級別。

2.3 孿生工廠

數(shù)字孿生工廠示意圖如圖5 所示，孿生工廠將設(shè)備、人員和廠區(qū)等的相關(guān)信息采集，通過仿真、建模映射到虛擬世界，綜合利用AI、邊緣計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線、人員安全、設(shè)備狀態(tài)等的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，服務(wù)于工廠運(yùn)行、管理與決策。

圖5 數(shù)字孿生工廠架構(gòu)示意圖

以制造和運(yùn)維優(yōu)化環(huán)節(jié)為例，數(shù)字孿生工廠將會實(shí)現(xiàn)真正的無人化、智能化。在研發(fā)設(shè)計(jì)端形成的虛擬產(chǎn)品模型，進(jìn)入制造環(huán)節(jié)，生產(chǎn)設(shè)備自主開始運(yùn)行，并基于精準(zhǔn)識別、高精度定位等技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度加工與精準(zhǔn)裝配，尤其適用于飛機(jī)、汽車、高端裝備等離散型制造業(yè)。生產(chǎn)加工工程中的工藝仿真在超低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)時(shí)評估預(yù)測加工后的產(chǎn)品形態(tài)與質(zhì)量，提前給出修改或預(yù)防建議?！皵?shù)字孿生體”和真實(shí)的設(shè)備、人隨時(shí)隨地動(dòng)態(tài)交互，共享數(shù)據(jù)，在模型驅(qū)動(dòng)下自我優(yōu)化，不斷進(jìn)化。

6G 支撐工業(yè)大規(guī)模數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、信息實(shí)時(shí)交互。相較于5G，由于引入了人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)，6G 網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)自主自治的智能化運(yùn)維與資源分配，因此，工廠內(nèi)任何需要聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備或手持終端都可以進(jìn)行靈活組網(wǎng)，從而支持生產(chǎn)線的靈活調(diào)整與部署，主動(dòng)適應(yīng)制造業(yè)個(gè)性化、定制化C2B 的大趨勢。

2.4 超能交通

交通將是未來6G 應(yīng)用與規(guī)模推廣的關(guān)鍵領(lǐng)域，未來出行將會有無人車、個(gè)人飛行器、智慧平衡器等多種交通方式，實(shí)現(xiàn)“上天入地，多模態(tài)自由出行”。超能交通，即是融合物聯(lián)網(wǎng)、6G、互聯(lián)網(wǎng)等，應(yīng)用未來通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)多模態(tài)、大規(guī)模交通工具的近乎全量連接，通過“云+AI”智慧大腦進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、分析、融合、應(yīng)用，綜合虛擬現(xiàn)實(shí)、全息通信等技術(shù)，同時(shí)提供開放式的接入與應(yīng)用能力，為城市交通及刑偵、社會運(yùn)行等創(chuàng)造價(jià)值。

超能交通架構(gòu)示意圖如圖6 所示，超能交通將貫穿“空－海(含海底)－路”，形成泛在的網(wǎng)絡(luò)連接與感知體系，通過對大量數(shù)據(jù)的融匯、分析、決策，不僅可實(shí)現(xiàn)路況的智能巡查、自主自優(yōu)化，服務(wù)人們的出行與娛樂，還可以更大規(guī)模、更深層次地服務(wù)于應(yīng)急搶險(xiǎn)、警情調(diào)度、刑偵工作等。

圖6 超能交通架構(gòu)示意圖

3 6G 應(yīng)用性能需求及展望

3.1 不同場景對于6G 的性能需求

6G 所面向的場景相較于5G 復(fù)雜化、多樣化程度大幅提升，對于6G 的帶寬、延時(shí)、連接密度以及靈活性等都提出了更高的要求，總結(jié)不同場景下對于6G 網(wǎng)絡(luò)的性能需求如表3 所示。

表3 6G 面向不同場景的需求

3.2 6G 技術(shù)與應(yīng)用展望

通過對6G 技術(shù)趨勢研判和典型應(yīng)用場景的分析，可知未來6G 將帶來全新的技術(shù)視角、顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新、全域全時(shí)全景的技術(shù)應(yīng)用、廣泛深入的技術(shù)融合。

(1)全新的技術(shù)視角

相較于5G，6G 技術(shù)不僅僅是網(wǎng)絡(luò)性能上的大幅提升，還有由于與區(qū)塊鏈、人工智能等技術(shù)融合而帶來的網(wǎng)絡(luò)治理模式、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、應(yīng)用接入模式等方面的顛覆，以及跨越空間的萬物互聯(lián)。例如，5G 對于網(wǎng)絡(luò)資源的目標(biāo)是“按需分配”，而6G 則是“自主自治”。這些改變將為技術(shù)界、業(yè)務(wù)界帶來全新的視角，在此基礎(chǔ)上技術(shù)融合、應(yīng)用創(chuàng)新演變進(jìn)化，挖掘新的需求，從而顛覆原先的認(rèn)知。

(2)顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新

6G 技術(shù)不僅需要在5G 基礎(chǔ)上創(chuàng)新，而且需要對全新的智能網(wǎng)絡(luò)等方面進(jìn)行新的研究，其中軌道角動(dòng)量等技術(shù)研究尚在起步階段。另外，雖然無線空口技術(shù)也在5G 相關(guān)技術(shù)中進(jìn)行研發(fā)，但并未取得突破性的成果，而若要真正實(shí)現(xiàn)6G 愿景，則需要進(jìn)行突破性創(chuàng)新。6G 關(guān)鍵技術(shù)如圖7 所示[2]。

圖7 6G 關(guān)鍵技術(shù)

(3)全域全時(shí)全景的技術(shù)應(yīng)用

6G 網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)是“空-天-地-?！钡娜蚋采w，提供實(shí)時(shí)傳輸與反饋，同時(shí)擁有高密度的設(shè)備連接能力，能夠?qū)崿F(xiàn)針對全域、某個(gè)區(qū)域、某個(gè)個(gè)體的“全景”畫像，基于“全域全時(shí)全景”的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)更多維度、更高水平的技術(shù)應(yīng)用，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)人類社會邁入數(shù)字孿生、智慧內(nèi)生、泛在自由的時(shí)代。

(4)廣泛深入的技術(shù)融合

網(wǎng)絡(luò)覆蓋上，未來空-天-地-海一體化覆蓋網(wǎng)絡(luò)將由具備不同功能、位于不同高度的衛(wèi)星、高空平臺、近地通信平臺以及陸地和海洋等多種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，相互取長補(bǔ)短、優(yōu)勢互補(bǔ)，形成一個(gè)以地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，多種非地面通信為重要補(bǔ)充的立體廣域覆蓋通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)同一終端在地面、空中、海面各個(gè)區(qū)域的無縫漫游，為各類用戶提供多樣化的應(yīng)用和服務(wù)。技術(shù)架構(gòu)上，6G 引入了區(qū)塊鏈、AI 等技術(shù)，直接融合到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本身，形成分布式的、智能內(nèi)生的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。應(yīng)用上，全息技術(shù)、XR、AI、云、仿真等多種技術(shù)在多行業(yè)多場景融合創(chuàng)新，將形成新業(yè)態(tài)、新模式。