当前移动通信发展的趋势和挑战及6G网络的未来发

 

  又是一年世界电信日,时值全球5G移动通信业务即将全面展开之际,广东省新一代通信与网络创新研究院分析了当前移动通信发展的趋势和挑战,对6G的网络指标、能力场景、架构特征进行了展望和描绘,在全球率先提出6G的KPI指标初稿。本文将对这些KPI指标进行简单描述:

  作为6G候选技术的太赫兹通信具有带宽大、传输速率高等特点,将是未来解决6G大带宽场景的主要利器。在200-400GHz的频谱范围内,经过理论仿真测算,结合业界的一些试验数据,未来6G的单终端峰值速率指标预测可以达到100Gbps,单小区总的吞吐量,预测可以达到1Tbps。

  用户体验速率是指单位时间内用户获得MAC层用户面数据传送量。实际网络应用中,用户感知速率受到众多因素的影响,包括网络覆盖环境、网络负荷、用户规模和分布范围、用户位置、业务应用等因素,一般采用期望平均值和统计方法进行评估分析,或者进行网规分析。5G时代定义的用户体验速率是100Mbits/s。

  如果从eMBB的继续发展角度来看,6G时代对带宽需求最大的应该是VR业务。预计10年后,极致VR业务已经成熟,VR将成为典型的用户体验业务。根据预设的VR360中极致VR体验需求, 带宽需求=视频分辨率×色深×帧数/压缩率=(23040*11520)×12×120/350=1Gbps, 获得极致VR的典型带宽需求是1Gbps。所以,6G的用户体验速率建议为1Gbps。

  5G的峰值频谱效率(每赫兹频谱传输的比特)在64QAM、192天线流并考虑编码的增益的情况下,理论频谱效率极限值在100bps/Hz。而在6G时代,考虑1024QAM、1024天线,结合轨道角动量OAM的多流及beamforming技术,频谱效率推算可以到200bps/Hz。

  在5G uRLLC时代,主要考虑因素是由于人的介入,需要网络提供ms级的时延,比如车联网的1ms时延保证。在6G时代,低时延的通信预计将主要集中在机器与机器之间,用以替代传统的有线传输,比如工业互联网的场景等,此时的时延需求,应该是在亚ms级,6G时延指标可以预测为0.1ms。

  在5G时代,根据各种场景测算出的连接密度是一百万,意味着平均每平方米最多一个5G设备。但随着物联网、体域网和人工智能、低功耗技术的快速发展,对于快递物流、工厂制造、农业生产、智能穿戴和智能家居,都存在网络连接的需求。以智能穿戴为例,在6G时代,每人应该至少配有具备直接网络连接能力的1-2部手机、1部手表、若干个贴身的健康监测仪、两个置于鞋底的运动检测仪等,使得连接密度较5G上升了近10倍。因此,6G的每平方米连接密度应该为100个连接/平方米,或最大连接密度可达1亿个连接/平方公里。

  能源效率是指每消耗单位能量可以传送的数据量,在城市环境中,用每焦耳传递的信息比特来衡量:bit/J;但在农村场景下,用满足一定通信能力时,每单位面积覆盖所消耗的功率。根据研究,目前移动网络侧占整个能量消耗的15-20%,而基站又占据移动网络能源消耗的80%,移动网络的负荷一般小于20%。

  在6G时代,太赫兹频段承载的带宽大大优于毫米波和sub6G,然而能耗方面并没有倍数的增加,总体能量效率大大优于5G。此外,我们考虑到6G时代会引入了通信场景志愿者提供就近通信服务,这将进一步的降低系统能源开销。

  根据5G能源效率的100bits/J的指标和测算,6G的能源效率可预测为200bits/J。

  流量密度是单位面积内的总流量数,是衡量移动网络在一定区域范围内数据传输能力。相比5G时代,6G使用了太赫兹等频段,相比5G的Sub6G及毫米波频段覆盖范围进一步收缩,6G小区半径约为5G的一半,覆盖面积缩小为5G的1/4。同时,6G基站吞吐量1Tbps相比5G的20Gps高了约50倍。因此,6G的区域流量密度测算约为5G的200倍。

  移动性是移动通信系统最基本的性能指标。5G时代主要是要求能够支持速度高达500km/h的高铁乘客的接入。而在6G时代,我们考虑到马斯克所经营的公司所提出的线公里,美国目前已经成立了多家进行此项目的公司,并且目标在2030年就实现商用。同时,6G时代必须考虑民航飞机乘客的接入,民航飞机的飞行速度基本上都是800-1000km/h左右。因此,6G的移动性能接入建议以1200km/h速度移动的用户接入作为衡量指标。

  4G的常用载波带宽是20Mhz,多载波聚合时,最多可到100Mhz。5G的Sub6G频段常用载波带宽时100Mhz,多载波聚合时可到200Mhz;毫米波频段常用载波带宽是400Mhz,多载波聚合时可到800Mhz。对于6G可能用到的太赫兹技术,常用载波带宽可能会到20Ghz,多载波聚合时,有可能到100Ghz。

  5G引入了移动边缘(MEC)计算,把核心网部分功能下沉到基站侧,基站也同时开始参与网络内容的计算,比如VR的渲染等。在6G时代,MEC功能能进一步增强,甚至可能使基站与MEC合并成为胖基站;同时,人工智能(AI)将会被引入,并在基站侧导入基于AI的部分应用,使得基站的计算能力变得异常强大。我们根据一些资料的分析测算,5G基站的计算能力需求是100-200Tops(operation per second)。而在6G时代,基站的智能化计算能力,我们预测为为1,000Tops。



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