《前瞻 | 研究6G技术,创造更加可持续的未来》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2022-03-23
  • 虽然 5G 尚需时日才能成为主流,但针对 6G 的研究已经启动,预计在 2030 年实现商用化。这种新一代无线技术有望让我们以全新方式与周围环境互动,并在各行各业中创造新的应用模式。6G 的时延更低、带宽更大,将能够通过分散的智能网络传输海量数据。
    6G 的新愿景是实现近乎即时和无处不在的连通性,彻底改变人类与物理世界和数字世界交互的方式。这意味着 6G 将采取新的方式利用数据、计算和通信技术,让它们进一步融入社会。这项技术不仅能够支持全息通信、触觉互联网、智能网络运营、网络与计算融合,还能够创造更多激动人心的机会。6G 将在 5G 的基础上进一步扩展和强化功能,标志着关键行业将迈入无线新时代,加速实施数字化转型和业务创新。
    塑造更加可持续的未来
    除了促进经济繁荣之外,未来的技术还必须带来积极的环境影响和社会变革,而 6G 是实现这一愿景的基础。6G 旗舰组织(6G Flagship)发布了一份白皮书,探讨了这项技术在提高生产力以及帮助人类社会等方面可能发挥的积极作用。该组织是由学术界和行业领导者组成的一个联盟,目的是为 6G 研究提供专业化的指导。联合国可持续发展目标(SDG)列出了促进世界各地的社区繁荣进步、维持可持续发展的工作计划。6G 旗舰组织计划将依照联合国 SDG 引领 6G 发展,是德科技非常荣幸参与了该计划的创建。最近,以北美为中心的 6G 联盟 Next G Alliance(是德科技是创始成员之一)发布了一份白皮书,概要论述了他们实现 6G 可持续发展的愿景。
    6G 的环境可持续性使用场景
    气候变化导致气温升高和极端天气事件频发,每一位地球公民都需要紧急行动起来。美国宇航局(NASA)报告称,自 19 世纪后期以来,碳排放的增加使得地球表面平均温度升高了 2.12°F(1.18°C),过去七年是有记录以来最热的时期。
    全球 135 个国家/地区和数百家企业已做出了实现碳中和的庄严承诺。技术行业已经做好准备,努力开发实现环境可持续性的长期解决方案。特别值得一提的是,电子设计可以支持清洁能源系统的开发和用于环境应用的数据分析,还能推动减少碳排放的机器技术向前发展。
    我们将可持续性视作 6G 研究的关键驱动力,并将探讨在以下行业应对气候变化的新方法。
    交通运输业
    据美国环保局(EPA)称,美国交通运输行业是目前温室气体排放的最大源头(29%)。6G 将赋能智能交通和物流领域的创新,包括互联车辆和交通基础设施。无人驾驶电动汽车的增长不仅会促进清洁能源的推广,还将通过优化交通流量来减少排放。通过将无线连通性技术与传感器技术、分布式计算和人工智能相结合,可以实现这些目标。新技术的组合将支持车辆、交通摄像头和道路之间的实时通信和协调。
    全球移动通信系统协会(GSMA)发布的《2020 移动产业 SDG 影响力报告》称,通过远程信息处理来提高车辆监控、路线优化和燃油效率,在 2018 年避免了约 1.05 亿吨的温室气体排放,相当于路面上行驶的汽车减少了 2300 万辆。多伦多的智慧交通管理系统支持交通信号灯自我学习和辨别模式,从而缩短了 25% 的出行时间、减少了 13% 的排放量。
    制造业
    6G 将在 5G 的基础上对制造业进行更进一步的现代化改造,覆盖产品设计、工厂生产和仓储等所有阶段。互联机器和协作机器人将能够协调所有制造和供应链管理活动,自动执行过去需要手动完成的流程,从而实现更高效、更有弹性的供应链。
    启用了 6G 的制造工厂还将增强我们的能力,使我们能够监控和管理能源和水资源使用、减少碳排放以及利用可再生能源为运营提供动力。举个例子,爱立信的 5G 智慧工厂减少了 5% 的废弃物,降低了 5% 的能源成本,并将整体能源效率提高了 24%。
    农业
    5G 以及 6G 的主要优势之一是将无线接入扩展到农村地区。农村地区使用的化肥、杀虫剂和动物粪便会将有害温室气体排放到大气中,6G 为农业领域开辟了新的可持续发展契机。
    智慧农业开创了优化作物生产、保护资源、改善土壤健康和监测牲畜的新方法,这些措施都有助于农民减少碳排放。这份 GSMA 报告还指出,在农业占总用水量 80% 的加利福尼亚州,太阳能传感器和 LTE 网络减少了 6% 的用水量和 5% 的排放量。高通公司最近的一项调查发现,通过使用支持物联网的无人机和传感器收集实时数据,农民能够提高农药喷洒的效率和准确性,从而将农药使用总量减少了 50%。
    能源
    在全球人口持续增长的同时,管理和减少化石燃料消耗的需求也在增加。6G 将助力全社会过渡到使用可再生能源,并进一步推动智能电网的发展。
    智能电网使社区能够更好地监控日益增长的能源需求,优化电力分配,并采用自动化方式来管理巨大的负载变化。高通报告还指出,连通了 5G 的智能电网将减少 12% 的天然气和电力消耗,而 6G 将实现更大幅度的节省。
    ICT(信息和通信技术)
    我们应当认识到,通信和信息技术行业对整体经济有着巨大的影响,同时对能源消耗也影响巨大。据 AT&T 估计,在 2018 年间,借助该公司技术实现的温室气体(GHG)减排量是 AT&T 自身整个温室气体排放量的两倍。该公司还设定了到 2025 年减排量增长 10 倍的目标。
    ICT 行业的碳足迹已然很大(约占全球耗电量的 1/10),并且还将保持快速增长。作为 ICT 的一个重要部分,无线通信行业制定的 6G 主要目标之一就是减少能源使用并将可持续性纳入运营流程和生命周期管理。
    目前,无线接入网(RAN)消耗了无线网络基础设施中的大部分(>50%)能量。随着云化转型的进行,数据中心的消耗量逐步增加,而我们在数据中心看到了巨大的“环保”需求。智能无线空闲和资源共享等技术已经纳入 5G,6G 则在考虑采用更先进的方法。
    是德科技致力于通过 6G 技术加速可持续发展
    在支持全球环境和社会繁荣发展方面,企业发挥了举足轻重的作用。是德科技非常重视这一作用。作为 6G 旗舰组织中唯一的测试与测量企业,是德科技在帮助组织应对 6G 挑战方面肩负独特责任。我们还与国际电联通信标准化部门、FCC 技术咨询委员会以及美国、日本、韩国、中国和欧洲等地的行业组织开展了合作。
    我们旨在利用自己的研发能力以及我们为设计、仿真和验证应用精心打造的软件和硬件解决方案,推动 6G 旗舰组织在无线连通性、分布式智能无线计算、终端设备和电路设计技术以及垂直行业应用和服务这四个战略领域的研究。我们将为合作伙伴带来优秀的解决方案,为他们提供涵盖所有频段的网络安全、设备表征、网络测试、数据分析、人工智能等技术,以及测量和降低功耗的方法。最后,是德科技面向广泛行业的专业技术将帮助这些团队在汽车电子、物联网、高速数字和新能源等关键领域取得成果。
    与 5G 一样,新一代连通性带来了巨大的商机,有可能影响技术、商业领域以及整个社会。我们期待与 6G 旗舰组织合作伙伴和全球其他技术合作伙伴并肩协作,共同制定标准并搭建技术构建模块,建设以人为本、以可持续发展为中心的 6G 网络,从而改变我们的生活,保障社会安全,让全球各地的所有人都紧密联系在一起。

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    • “我还没有用上5G,你们又开始谈论6G?”在以6G为主题的内容下面,这样的网友回复并不少见。一方面,从2020年5G在中国开始大规模建设开始,到现在5G签约用户超过7亿,但如果让消费者说5G和4G的业务体验有什么大的不同,大部分消费者的感受除了网速快一些,其他差别甚微;另一方面,作为5G应用的突破重点,垂直行业的5G应用在一些领域中初见成效,有了些规模,但远没有到爆发阶段。 现在谈论6G,无论是需求还是技术方向都有些像雾里看花。但6G的研究热情一直高涨,不仅在中国,全球亦如此,对6G的技术研究项目繁多,期望值甚高。因此,到底6G要实现什么功能,应用于什么场景,采用什么技术,结合5G的进展,6G技术目前既是创新源头也是争议焦点。 进击的全球6G 从2020年开始,针对6G的研究就已经启动。因为从2G、3G、4G到5G,大约每十年移动通信技术更新一代。业界许多人相信这是一个规律,按此规律,到2030年6G将登台商用。业内专家认为移动通信的发展规律也可以用“商用一代、研究一代、储备一代”来概括。因此,当2020年5G在全球开始商用,6G研发就提上了议事日程,而一些6G技术应该早于此,在数年前就开始有所储备。 世界主要国家和地区均已启动6G研究。欧盟提出相对清晰的规划路线图,在2020年第三季度完成了6G产学研框架项目;芬兰发布了6G白皮书《面向6G泛在无线智能的驱动与主要研究挑战》,对于6G愿景和技术应用进行了系统性展望;韩国政府提出“引领6G商业化”目标,计划2028年第一个实现全球6G商用;日本发布B5G推进战略目标,预计2025年完成6G基础技术研究,2030年商用;美国也从2018年开始6G研究,前期研究包括对6G芯片的研究,并在空天海地一体化通信特别是卫星互联网通信领域开展研究实践。 中国在“十四五”规划纲要中明确提出,要前瞻布局6G网络技术储备,先后成立国家6G技术研发推进工作组和总体专家组、IMT-2030(6G)推进组,推进6G各项工作。 6G研究首先要确定的是需求和应用场景,这同时要参考现有技术是否能够实现需求。如3G在研究之初确定的应用场景是在传语音的基础上能够传输图片和视频,传输速率要在1Mbps~10Mbps。4G的应用场景要实现对高清视频的传输,传输速率要在10Mbps~100Mbps。5G的应用场景则分为三种,一种是实现对VR/AR类视频的传输,传输速率在100Mbps~1Gbps;一种是实现工业场景的应用,网络要有确定的低时延和高可靠保障;还有一种是万物互联的应用,可以支持每平方公里接入百万级物联网终端。 IMT-2030(6G)推进组在2021年发布的《6G总体愿景与潜在关键技术白皮书》中对6G愿景做了这样的描述:6G将在5G基础上从服务于人、人与物,进一步拓展到支撑智能体的高效互联,实现由万物互联到万物智联的跃迁,最终助力人类社会实现“万物智联、数字孪生”美好愿景。 该《白皮书》进一步描述,未来6G业务将呈现沉浸化、智慧化、全域化等发展趋势,形成沉浸式云XR、全息通信、感官互联、智慧交互、通信感知、普惠智能、数字孪生、全域覆盖等八大业务应用。通信感知、普惠智能、数字孪生等智慧化业务应用借助感知、智能等全新能力,在进一步提升6G通信系统性能的同时,还将助力完成物理世界的数字化,推动人类进入虚拟化的数字孪生世界。 6G愿景下的新技术 前几代移动通信发展事实已经证明,预测十年后的应用,是一件吃力不讨好的事情。“我们提的愿景,有些是能实现的,更多的是需要我们“够一够”才能实现的,还有一些是6G实现不了、以后可能会实现的。”中国工程院院士张平在谈6G愿景与关键技术时,为愿景的“不保真”做了伏笔。 在这样的愿景设计下,哪些技术会成为关键? 张平认为,6G可以达到“灵”的境界,可以提供虚拟的物理空间、行为空间和精神空间。与5G时的通信、计算、控制相比,6G增加了第四个维度——意识。意识会贯穿6G,表现在认知能力、内省能力和决策能力都更智能。提升意识需要算力的支持,6G的算力将比现在有百倍的提升。 与5G相同的是,6G技术目前主要涉及6G空口、6G网络架构两大方面。 张平说,从6G空口技术看,目前技术方向既有对传统技术的增强,也有创新技术。创新技术有基于AI的通信、新的通信感知功能、语义通信技术等,传统技术增强会体现在频谱、天线、多址、调制和编码等多个方面。太赫兹无线通信、可见光通信技术、动态频谱共享技术、全自由度双工、超大规模天线技术、智能超表面技术、无蜂窝大规模MIMO、NOMA技术(非正交)、新一代波形技术(对高速移动场景和高吞吐量场景采用不同的新波形)、新一代信道编码技术都在研究视野中。这些技术面临的挑战也不小,需要“够一够”才能实现。例如太赫兹通信,频谱越来越宽导致对器件的要求越来越高,太赫兹超大规模的MIMO和超小的等离子体天线单元都是支持太赫兹技术的器件。如果6G采用太赫兹,这两个将成为关键器件。 在6G网络架构上,中国工程院院士刘韵洁认为需要重点考虑6G网络的需求和目标,未来的新业务需要网络提供海量连接、高性能端到端传输时延、网内计算缓存及灵活接入处理能力,需要网络架构做出变革。全息通信、AR/VR、元宇宙等业务的发展,对网络提出了一系列新的要求与挑战,面向6G的未来网络将有巨大前景。确定性、可编程、云化、一体化安全也将成为未来网络的重要发展趋势,未来将从承载、管控、业务等方面,全方位提升网络能力。 在6G空口与网络架构之外,6G时期的天地空一体化网络也是备受关注的应用热点和技术热点。 6G愿景与实用性在“撕扯” 在研究这些新兴的通信技术的同时,对技术的可用性、实用性的质疑,也不绝于耳。中国电信研究院专家委副主任杨峰义的质疑和建议代表了运营商的角度。杨峰义说:“搞6G不可能脱离5G的现实,在网络系统中技术严重过剩。标准写了很多,但从结果看,一些是没有用的,有些标准虽然有用,但使用价值很低,而这会导致我们的设备成本增加。” “我们太容易把10年、20年、30年后的事情放到今天来看,我们认为万物互联已经到时候了,但实际情况并没有那么理想,过早的把未来的愿景搬到今天来实现,导致研究与现实脱节。”杨峰义说,“通信系统会越来越沉重,最后结果就是一层一层建下去,导致新业务做不好、业务重叠,客户体验差。” “我们对行业应用的认识太浅了,在5G时我们说垂直行业应用是蓝海,但现在看很多行业5G是匹配不上的,希望我们在做6G时要做一些变革。所谓的技术驱动最后可能导致网络越来越重,而在大特性上又对运营商没有吸引力,这样就有问题了。”杨峰义说,“我们希望网络不要简单地做加法。” 定义6G时,移动性是基本保证。杨峰义表示,在挖掘高频毫米波、太赫兹的同时,也注重真正发挥频段的优势,要提供服务、提供价值,这才是我们要关注的,中国基础电信运营商的频段是低、中、高频都有,希望6G把三个频段做整体考虑;网络要轻量化,在特殊场景下轻量化网络实现即插即用;网络要可编程和定制化,其中可编程比智能化更有意义。 中国工程院院士邬贺铨则从更深层的需求角度提出一系列观点,如6G不需要把在5G已经接近光速的基础上再提高10到100倍当成主要目标,大热的元宇宙不是6G应用的刚需,6G需要研究如何为工业应用划分专用的频率,低频段的挖潜应该是6G研究的着力点,而6G研究的痛点则是如何实现低成本的智简网络。 “我们国家重视6G的研究理所当然,但也要清醒认识到,不能因为竞争就不深入对6G的需求做研究,不下决心做长期的颠覆性原创技术研究,急于跟国外抢进度,脱离市场需要,反而容易被动。”邬贺铨说。