一切围绕网络

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6G – 未来无线通信愿景

技术故事2月 25, 2022

尽管 5G 网络预计将在未来数年进一步发展壮大,但技术战略家已经为超越 5G 的新技术描绘了宏伟的愿景。如果这些 6G 场景成为现实,我们可以期待在 21 世纪 30 年代迎来奇妙梦幻的通信世界。自迈进数字无线通信时代以来,罗德与施瓦茨一直是领先的测试与测量设备供应商。作为一家技术公司,罗德与施瓦茨现已成为无线通信行业的密切合作伙伴,支持并助力实现第六代无线通信的奇妙愿景。

仅限提高速度吗?

自推出以来,LTE 标准便可满足大多数移动用户的需求。根据这项标准,设备每秒的下载速度可达数百兆比特,能够传输高分辨率视频内容或只需数秒即可下载大文件。5G 已在许多国家/地区可用,并将可用速度提升数倍,除此之外几乎无法为用户提供其他实际助益。有关下一阶段演进发展的想法已经出现了一段时间。采用先进技术的 5G 系统需要不断进行开发和扩展,但是这些系统是否尚未满足某些要求,从而可能推动技术的进一步演进?

两位研究人员在 2018 年 9 月提出了这个问题*)。自此,这个话题获得了广泛的关注。最初,6G 只是专家中的讨论话题,之后在技术和产业方面获得关注。全球开展的研发项目总额高达数十亿,丰富了这一话题并推动了相关发展。审查当前技术的潜力、开发中的新兴技术或即将出现的未来技术,相关愿景已经明朗化,颠覆迄今为止可能实现的想象。

*) Klaus David,Hendrik Berndt:“6G 愿景和要求:5G 之后是否还有其他需求?”(6G vision and requirements: Is there any need for beyond 5G?),《IEEE 车辆技术杂志》,第 13 卷,第 3 期,2018 年 9 月

6G

6G:科幻照进现实。迈向未来的无线通信。

以人为本

一切始于三十多年前,充满传统色彩。20 世纪 50 年代诞生了第一代模拟通信技术 (1G),随后第一代数字无线通信在 90 年代早期出现。欧洲全球移动通信系统 (GSM) 2G 标准衍生出许多产品,例如罗德与施瓦茨开发的 GSM 系统模拟器。目前,该系统仍被视为无线通信领域的先驱产品。

第一代数字无线通信单纯设计用于语音电话系统。即使是发短信这样的简单数据服务也必须进行后续修补。互联网不断发展,人们随之希望通过移动设备访问互联网。因此,对于 2001 年发布的第三代通信技术 3G,数据应用成为技术规范中的一个重要需求。然而,3G 系统很快显露出不足之处,缺乏必需容量来支持快速增长的数据流量。下一代标准 (4G) 又称长期演进 (LTE),这清楚表明设计人员不愿重蹈覆辙。第四代技术旨在通过持续更新以在较长时间内满足未来需求。首个基于此标准的网络于 2010 年投入使用,至今仍是无线通信系统的主干网络。

到 4G 为止的所有标准都专为以人为中心的通信而设计。这些标准侧重于快速获取信息(下行链路),高清视频流更是被视为能够吸引大量关注的杀手级应用。在这种情况下,使用 4G 技术足矣。在其他方面寻求进步,推动了技术的进一步发展。

机器对话

与此同时,各个行业已经开始创建需要使用高性能无线通信基础设施的场景,这些基础设施还具备 LTE 不支持的功能。例如,工业 4.0 以极其可靠的无线电链路为基石,端到端信号传输时间仅为数毫秒。对于可全速同步执行常见任务的机器,数据基础设施需要与机器的操作速度相匹配。虽然这个问题与常规电缆连接无关,但在使用无线电时却是一个难题。但是,必须利用无线电以确保工业 4.0 特有的灵活性。

对于互联工厂 4.0,数据基础设施需要与机器的操作速度相匹配。罗德与施瓦茨在自己的生产工厂中建立了 5G 公司园区网。如此一来,技术领导者能够在各种实际的工业 4.0 场景中为客户优化实现方式。

交通和运输是新兴的无线通信应用领域。车辆与无数道路使用者共享街道、交通信号灯和其他基础设施。许多情形与安全密切相关,因此需要确保快速可靠的信号传输。罗德与施瓦茨的测试与测量解决方案可高效地保障联网汽车安全上路。

我们努力实现智慧城市愿景,而使用无线通信的智能家居应用也涌现出不同要求。联网仪表和日常物品的电池寿命、操作特性和性能非常重要。因此,相应技术需要仅间或进行通信,并且可以利用极少量的数据管理这些家居设施。罗德与施瓦茨 IoT 测试解决方案有助于确保家居和建筑物的无线连接更加安全和可靠。

交通行业诞生了全新的无线通信应用领域。即使是尚遥不可及的 5 级自主驾驶,也将无法恰如其名而完全实现自主性。最终,车辆必须与无数其他道路使用者共享道路、交通信号灯和其他基础设施,从而产生需要高度协调的交互行为。这意味着车辆必须与其他车辆、道路两侧部署的设备和交通控制中心互联。由于紧急制动等多种情形均与安全密切相关,因此确保快速可靠的信号传输是重中之重。

智慧城市和智能家居无线应用的相关要求则与此大为不同。例如,公用事业仪表和垃圾箱等设备配备了可以远程查询或激活的传感器和控制元件。这样是为了不必手动访问设备,并且可以根据获取的数据触发操作。这只需偶尔的无线电通信和极小的数据量。典型场景可能涉及数千个采用电池供电的相似用户设备。对于这种低性能应用,诸如 LTE 等多种专为高性能应用而设计的无线电系统显然尺寸过大。此外,降低电流消耗等一些特殊要求也未得到满足。

正是这类应用影响了 5G 设计。新技术的侧重点已从以人为本转为关注设备和机器,即物联网 (IoT)。

5G 技术的侧重点已从以人为本转为关注设备和机器连接。三大应用涵盖了广泛的用例。增强型移动宽带 (eMBB) 支持传统的无线应用,但性能远优于 LTE。大规模物联网 (mMTC) 支持传感器网络等节能型低性能应用。超可靠低延迟通信 (URLLC) 主要针对需要保障可用性和信号传输时间的实时应用,例如自主驾驶和机器对机器通信。

是否有所忽略?

5G 技术的发展在许多国家/地区已趋于成熟。但是,即使是 3GPP 负责开展的标准化工作,最初也是将重点放在了增强型移动宽带 (eMBB) 应用。工厂、交通和 IoT 连接方面尚未出现预期的繁荣发展。不过,新应用已经出现。即使持续利用 5G 的所有技术优势,也不足以满足这些应用的要求。5G 也规划了不同的发展阶段。从第 18 版标准规范开始(最终版预计将于 2024 年发布),将使用 5G-Advanced 一词。尽管并未确立任何正式协议,但业界基本上已经赋予新一代网络 (6G) 一些性能特征,并依循惯例制定了在 2030 年推出 6G 的目标。

自 2G 技术诞生以来,新技术以 10 年为周期更新换代,业界理所应当继续遵循这一规律。之前的技术各有不同的技术特征,例如采用不同的通道接入方法,因此使用无线电通道的方式各不相同。通道接入方法、数据编码类型和可用传输带宽会显著影响系统性能。作为测试与测量设备供应商,罗德与施瓦茨从一开始便支持并推动这项技术的发展。

自 5G 技术出现以来,各行各业设想各种美好愿景,推动了技术进步。这些未来场景源自不同领域并彼此交融,构成一整幅令人神往的画卷。要实现这些未来场景,将需要借助目前基本仍不可用的新技术,但从中期来看,这些技术将逐一诞生。所有这些技术之间的交互行为将被称为“第六代无线技术”。但是,这一简单词语远不能描述所有愿景目标。

全息甲板中的数字孪生

去年秋天,Facebook 创始人 Marc Zuckerberg 展示了自己设想的未来企业愿景。他的总体规划需要将目前的社交媒体平台转为“元宇宙”,而这是一个长期过程。从虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR) 到扩展现实 (XR):现实和虚拟世界相融相交,创造出一个人工世界。用户在扩展现实场所通过全息投影幻化出数字个体或化身,并将能够无缝穿梭聊天室、游戏世界和商场等不同场景,无需离开合成的人工环境。虽然相关运行方式的所有详细信息尚未阐明,但 VR 眼镜显然将发挥重要作用。

当然,这并不是什么新鲜事。多年以来,VR 眼镜已在商业领域得到广泛应用,并开始用在其他方面(主要是用于工业应用)。例如,专家使用眼镜将待安装部件的 3D 模型投影到真实图像中,同时结合部件的处理方式信息。佩戴眼镜后,人们甚至可以和全息投影进行交互,投影犹如真人一样。这涉及到触摸和操纵投影。确保推出数百万个此类系统,保证价格可接受,是 6G 的指导方案之一。

目前,人们已经使用增强现实眼镜来融合现实和虚拟世界。在 6G 场景中,真假难辨的扩展现实世界融入用户的所有感官感受,让用户的体验逐渐增强直至完全沉浸其中。

扩展现实融合了现实和虚拟世界,包含许多其他的真实愿景。扩展现实的长期目标是让用户完全沉浸在可创造出真实体验的新世界中。这涉及到多种技术要素,例如能够充分刺激人们视力的三维光学分辨率、适宜的声音环境、所有合成物品的瞬时响应(触觉互联网),以及以令人信服的方式呈现所有事物。

但是,重点在于虚拟世界和现实中的一些事物彼此对应。实际上,这种“数字孪生”是以交互性方式将现实中的事物和机器在元宇宙中创造出可操纵的虚拟对象。无论人们身处何处,都可以操作机器,这将对工作方式产生深远影响。如果城市中心地区的需求减少,潜在的社交连锁效应可能扩大到乡村地区并引发新一轮的需求热潮。

6G 为远程医疗带来了新的可能性。远程医疗系统具有实时功能和高数据率,能够通过全息方式(数字孪生)对需要治疗的器官进行精确的远程干预处理。

这一切和 6G 有何关联?为每个用户打造沉浸式人工世界,需要进行大量计算,远超出目前 VR 眼镜的功能,更何况这些特殊眼镜需要像寻常的普通眼镜一样好看。这将需要借助外部计算能力,例如用户口袋里的智能手机。如果计算能力不足,可以将计算任务委派给身旁的计算机,或随时转移到云服务器以利用边缘计算、雾计算和云计算。

这时,6G 便可发挥作用。以不低于 8K 的立体声视频分辨率将海量数据传输到眼镜,每秒的传输能力需要达到数百千兆比特,信号传输时间需低至十分之一毫秒,以实现自然的实时反应。5G 并不设计用于这样的高性能应用。网络将担此重任,利用人工智能以智能方式为各种 6G 服务提供计算能力。事实上,人工智能将遍布 6G 网络的每个角落。

6G 的技术性关键性能指标

由于 6G 将用于各种高难度应用,因此必须同步提高所有重要的无线电网络性能参数。以下 6G 关键性能指标 (KPI) 正处于讨论中,并提供对应的 5G 数据以供比较:

KPI 5G 6G
峰值数据率 20 Gbit/s 1 TBit/s
平均可用数据率 100 Mbit/s 1 Gbit/s
信号延迟 1 ms 0.1 ms
最大通道带宽 100 MHz 1 GHz
可靠性(无错数据块) 99.999% 99.99999%
最大用户密度 10^6/km^2 10^7/km^2
最大用户速度 500 km/h 1000 km/h
定位精度 2D 场景中为 20 厘米至数米不等 3D 场景中为 1 厘米

开拓垂直市场

无线通信始终需要覆盖广阔的范围。但是,6G 技术将全面覆盖地图上的所有地方。支持沉浸式体验的高性能无线通信延伸到三维空间,将覆盖地球上的所有角落,包括乡村和住宅区以外的地方。这一愿景中甚至融入了水下世界。只要是人类和机器出现的地方,都可以实现快速无线通信。这不仅需要在可吸收无线电波的水下环境中进行光信号传输和其他新技术,还需要大量部署陆上基础设施。例如,这可能包括大批卫星以及飞艇和无人机等飞行平台。

6G 还将连通水下世界和全球通信网络。由于无线电波会被水吸收,因此 6G 将利用水下可见光通信 (UVLC) 技术。

真正的物联网

物联网的概念已经提出了很长一段时间。现在,这一概念也在现实世界中逐渐成型。5G 技术更是加快了工业和交通领域的物联网发展。智能家居和智慧城市应用也将为此发挥重要作用。但是,要实现包涵万物的连接景象仍为时过早。万物互联是 6G 愿景的一部分。6G 具备强大的技术配置和能力,能够在每个可以想象到的领域集成任意数量的设备。我们希望与之接触或在生活中有用的一切私人、商业和公共事物,都有可能彼此互联。例如,桥梁和高速公路的现状如何?何时需要修理?在哪里修理?嵌入式无线电传感器可以为这些问题提供相关信息。零售和物流业中常用的射频识别标签只支持近距离读取。但是,一旦配备特殊传感器并支持更大的连接范围,这些标签便可用于监测食品质量并发送相关报告。

最后一则示例同时涉及当前研究的多个领域。如果监控小型活动物体以便在必要时可使其停止移动,则必须知道它的确切位置。由于 6G 服务通常为本地服务,因此许多其他应用也需要获取通信合作者的位置信息。考虑到技术原因,6G 将使用高度集中的定向无线电波束,以便将无线电能量对准特定的远程站。因此,6G 网络将包括无线电网络和传感器网络,能够在 3D 空间中以厘米级精度确定无线电用户的位置。相关技术仍在研究之中,但利用接入点的雷达技术是一种可能方案。

大规模部署无线电传感器还涉及到另一个问题,即如何为这些传感器提供能量。这些设备数量众多且体型小巧,无法逐个更换电池。但是,由于部分环境中的诸多应用旨在部署后可长期使用,因此传感器的能量必须自给自足。零能耗设备和能量收集是常见的实现方式。现代射频识别传感器旨在以这种方式运作,但会由附近的读取器设备直接提供电磁能。6G 传感器将必须用于缺乏这种便利设施的环境中,并从合适的本地资源(如热能、光能或动能)中获取能量。和其他的许多 6G 主题一样,这个领域的研究仍处于早期阶段。尽管如此,罗德与施瓦茨的测试与测量设备已协助我们了解设备的能耗模式,使低功耗设计成为可能。

网络设备供应商爱立信的这项设计研究表明,零能耗设备也可为自然界带来助益。例如,6G IoT 无线电传感器可以测量生态系统数据并将其传输到处理中心。

6G 将不仅持续为物联网提供技术支持,也是一种新型互联网。我们喜欢将传统的互联网称为(计算机)网际网络,同样可以将 6G 视作由无线电网络组成的网络。不断变化的异构网络格局(“有机网络”)将取代当今无线网络的单一结构。各种规模的商业、私有和公共子网都将以这种方式互联,这包括目前覆盖范围达平方公里的宏小区,以及可覆盖单个房间或汽车的“atto 小区”和“zepto 小区”。

为了保证网络和整体结构的对接流程自动化,需要尽量实现多种网络功能的虚拟化。这需要利用 5G 技术首次尝试的完全抽象化方式描述功能。网络的功能块必须为这种抽象语言提供多供应商支持,并按照标准予以解译。罗德与施瓦茨是 O-RAN 联盟成员,和联盟携手促进此领域的标准化和互操作性工作。和之前的技术一样,6G 技术的全球标准化同样非常重要。

如要满足自主驾驶的所有要求,需要利用 6G 的高数据率和低延迟。在 6G 时代,汽车将是一个和整个网络对接的小型无线电网络,并管理车辆和乘客的无线服务。

一切超绝非凡

技术远见者发散无限的想象力,勾勒出心中的 6G 场景。一切皆有可能。5G 仅涉及三大应用(eMBB、mMTC 和 URLLC),但 6G 愿景的应用更广,应用场景甚至彼此交融。一个简单的命名规则,就是为所有性能特性赋予“超绝非凡”的特征。各种术语不断丰富,标准化工作也将在未来保持良好发展,这类名称可见于许多技术文章,例如进一步增强型超移动宽带 (feUMBB)、超高敏感度低延迟通信 (uHSLLC)、超高密度数据服务 (uHDD)、超高能源效率 (uHEE)、超高可靠性和敏感度 (uHRS)、超高可靠性和用户体验 (uHRUx)、超低延迟可靠性和安全性 (uLLRS) 等。

一个显而易见的问题是,我们描绘的科幻世界是否真的像构想这个世界的专家设想的那样即将实现。这在很大程度上取决于研究人员能否在规定时间实现目标,从而制造出一系列支持产品。考虑到未来数十年全球将持续关注这项关键技术并将投入大量资金,而且市场规模庞大并涉及到相关政治因素,人们将继续热衷于研究 6G 并践行各种承诺。

6G 研究领域
频率

5G 首次将 20 GHz 以上的毫米波频率用于个人通信。6G 将进一步延伸到开发程度相对较低的太赫兹范围(300 GHz 至 3 THz)。6G 还将根据需要结合可见光和红外线以进行通信。

这些高频范围是实现极高传输速率目标的唯一方法。自 2019 年以来,罗德与施瓦茨携手 Fraunhofer HHI 和 IAF 研究所,合作研究 100 GHz 至 320 GHz 的亚太赫兹频率范围。

天线

在和短波长相对应的高频范围中,天线的尺寸仅为数毫米。基站将把 60,000 个此类天线组成阵列,以便通过单独的定向波束同时覆盖数百个移动台。为精确定位特定用户,还考虑利用智能反射面技术。例如,天线可以部署在建筑物的墙壁上,以在拐角处传输无线电信号。

针对专用于 110 GHz 至 170 GHz 频率范围的收发信机模块,罗德与施瓦茨联合莱布尼茨高性能微电子研究所,在业内率先对模块中的天线全面测量了 2D 和 3D 指向特性。

人工智能

人工智能将成为 6G 的关键要素。业内人士认为,如果缺少人工智能的支持,6G 网络将无法确保价格合理,甚至从一开始就将无法运行。对于传统的设计和管理方法而言,6G 网络过于复杂。

人工智能将用于技术组件以及网络规划和监控。最终目标是创造可自我优化成本、能源、频谱和运营效率的零接触网络。

虚拟化

所有主要的网络组件都应该通过标准化的抽象功能进行定义和寻址。这确保不同制造商的产品可以结合使用,同时允许特定的技术配置。

开放式无线接入网 (O-RAN) 概念是实现网络虚拟化的一个重要因素,可为以前的 RAN 专用组件提供额外的开放接口。罗德与施瓦茨已经加入了 O-RAN 联盟。

无电池传感器

物联网中数量最多的设备将是微型传感器。这些传感器将需要长时间免维护运行,同时通过能量收集获得能量。

集成式无线电、传感器和计算机网络

6G 将不仅是打造无线电网络。集成式定位功能支持以厘米级精度定位任何无线电用户。网络还将具有巨大的分布式计算能力并可供周围的无线电用户或远程数据中心使用,以便提供 6G 服务(边缘计算、雾计算、云计算)。

数据完整性

6G 网络将超越 5G,成为商业和工业领域的主干网络。大量的业务流程和服务将以此网络为基础。因此,数据安全至关重要。网络将必须绝对可靠地正确验证用户身份。

所有连接都需要加密。为了确保数据完整性,区块链技术被视为一种有效方法以避免对中心实例产生依赖性。

能源效率

数据通信呈爆炸性增长,能源消耗也随之增加。为解决这个问题,需要减少每个传输位的能源消耗,进而提高网络的能源效率。

竞赛已拉开帷幕

自从数年前开始讨论 6G 技术以来,各行各业,研究机构和政界已经开始聚焦这一主题。全球确立了多个研究计划,各种资助资金相继发放,联盟也逐一成立。政治家清楚明白,国家/地区的竞争能力可能取决于是否能平等参与 6G 系统的研发工作,更何况这还将促进整个国家/地区的经济繁荣。因此,避免依赖他人是一个重要因素。例如,日本和美国高层领导同意共同投资 45 亿美元以用于 6G 研究。

欧洲已经启动了 6G 旗舰项目 Hexa-X。这个项目汇聚了九个不同国家/地区的机构。另外,德国联邦教育与研究部将在 2025 年之前共拨出 7 亿欧元资金,其中 2.5 亿欧元将立即用于资助四个早已提交项目资助申请的国家研究中心。罗德与施瓦茨也参与了这些项目。韩国正在推行一项宏伟计划,准备在 2026 年进行初步现场试验。韩国计划为此投资约 1.95 亿美元。中国有何举措呢?即使新一代技术已经到来,中国也不打算放弃在 5G 领域的强势地位。中国科学技术部正与其他部门和政府机构合作,协调全国资源以尽快准备好部署 6G。

自迈进数字无线通信时代以来,罗德与施瓦茨一直是通信行业的密切合作伙伴,并发展成为领先的测试与测量设备供应商。如今,罗德与施瓦茨的产品和专业知识在各种 6G 研究项目中大放异彩。罗德与施瓦茨正在逐步提供必要的 6G 测量设备。