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带你读《6G需求与愿景》第三章6G 设计思路与愿景3.1 6G 总体设计思路(一)

简介: 《6G需求与愿景》第三章6G 设计思路与愿景3.1 6G 总体设计思路

不同于之前1G到 5G 的线性发展思路,我们认为 6G将采用一种立体的发展思路,是从线”面”再到体”的一个拓展。与5G相比,6G

不仅仅是某个维度或某个平面能力的提升,而将是从信息速度、信息广度和信息深度上的综合提升,其中最核心的内容是用户智能需求将被进一步挖掘和实现。因此,在人—机—物通信之外,我们引入了信息通信的第四维元素——“灵

(Genie)”。本章给出了6G的总体设计思路,阐述了“灵”的概念以及“灵”给信息通信带来的挑战,并通过对 6G 业务愿景、网络愿景、能力愿景以及演进特性的展望,希望为读者描绘一个全景式的 6G愿景。

3.1.1  概述

 

受信息社会通信需求快速增长、技术高速进步、产业规模增加的推动,移动通信系统从20世纪80年代后期至今,经历了大致每 10年更新一代的快速发展。回顾从第一代(1G)移动通信系统到如今的第五代(5G)移动通信系统的发展,对应着业务形式、服务对象、网络架构和承载资源等方面的能力扩展和技术变革,如图3-1所示[1]。

具体来说主要分为以下几个方面。

(1)业务形式

以模拟通信为基础的 1G系统仅承载语音业务。2G到 4G引入数字化,开启业务宽带化和媒体多样化趋势,5G系统具有 100Gbit/s的峰值速率,传输时延达到毫秒级,连接数密度达到 106个/km2[1],支持虚拟现实/增强现实(VirtualReality/AugmentedReality,VR/AR)、无人驾驶、智慧城市等新型业务,移动通信业务从“只闻其声不见其人”扩展为“绘声绘影身临其境”。

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图 3-1移动通信的五代跃变

 

(2)服务对象

人是移动通信系统最初的服务对象;机器作为服务对象出现在 2G时代;到4G/5G后,多种家电、智能机器人、传感器及控制器等物连接入网,服务对象从人的通信拓展至人—机—物之间的通信。从数量上看,截至 2019年第三季度,智能手

机签约用户数已达到 62亿,而物联网的连接规模已达到 107亿。显然,随着服务对象数量的激增和由人到人—机—物互联的质变,移动通信服务对象也从“人人互联”转变为“万物互联”。

(3)网络架构

网络架构从传统分层结构走向了扁平化;控制方式从集中控制演进到分布式控制;数据传输从承载和控制一体化转变为转发与控制分离;接入方式从大区制走向蜂窝、小区扇区化、分布式动态群小区,并持续演进到异构超密集和无定型组网;数据驱动的边缘去中心化网络架构趋势也已在 5G时代凸显优势。计算和存储等资源下沉至接入网节点,实现了分布式与集中式协作的边云融合网络。网络能力持续走向开放、虚拟化及软件定义,移动通信的网络架构从“一成不变”转变为“灵活适变”。

(4)承载资源

在香农(ShannonC.E.)理论指导下,承载移动通信的基本物理资源已扩展至频率、时间、码字、空间 4个维度,以追求系统容量的不断提升。5G资源的扩展包括天线数目从 4G的 8根提高到 5G 的64 根以上,利用垂直维度的空域自由度,形成水平—垂直的三维 MIMO;系统工作频率扩展到频谱资源丰富的毫米波段,带宽扩大至 1GHz;调度的最小时间粒度提升至符号级(0.1ms级)。移动通信的承载资源从“二维平面”走向“多维空间”。

总体来说,移动通信的每一代虽然在业务形式、服务对象、网络架构和承载资源上都在发生着深刻的变化,但从1G到 4G的发展基本上是围绕提高速率和带宽来演进的,是一条线性的演进路线;而到了 5G时代,除了继续对速率和带宽有非常大的提升外,还从不同的业务场景出发进行了拓展,包括海量机器类通信和高可靠低时延通信等,可以看到这是一种“面”的发展思路。那么到第六代(6G)移动通信将如何发展呢?我们认为 6G将是一个立体的发展思路,是从“线”到“面”再到“体”的一个拓展,而不仅仅是某个维度或某个平面的提升,将是在信息速度、信息广度和信息深度上的综合提升。

从通信速度上来说,将从吉比特每秒提高到太比特每秒;从信息广度来说,将从陆地移动通信扩展到陆海空天全方位通信;从信息深度来说,将完善通信智慧,实现从人—机—物再到人—机—物—灵的融合,即智能将成为网络的一部分,人—机—物以及人工智能已经融合为一个统一的智慧体。在 6G这样一个立体的发展方向上,最核心的内容是用户智能需求将被进一步挖掘和实现。

到目前为止,从 1G到 5G的设计都遵循着网络侧和用户侧的松耦合准则。通过技术驱动,用户和网络的基本需求(如用户数据速率、时延、网络频谱效率、能效等)得到了一定的满足。但是受制于技术驱动能力,1G到 5G的设计并未涉及更深层次的智能需求。在未来 6G系统中,网络与用户将被看作一个统一的整体。用户的智能需求将被进一步挖掘和实现,并以此为基准进行技术规划与演进布局。

5G目标是满足大连接、高带宽和低时延场景下的通信需求。在 5G演进后期

(B5G),陆地、海洋和天空中将存在巨大数量的互联自动化设备,数以亿计的传感器将遍布自然环境和生物体内,基于人工智能(ArtificialIntelligence,AI)的各类系统部署于云平台、雾平台中,并将创造数量庞大的新应用。到了 6G阶段,我们认为,6G早期阶段将是对 5G的扩展和深入,以 AI、边缘计算和物联网为基础,实现智能应用与网络的深度融合,实现虚拟现实、全息应用、智能网络等功能。进一步地,在人工智能理论、新兴材料和集成天线等相关技术的驱动下,6G的长期演进将产生新突破,甚至构建新的虚拟世界[2]

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