2024-2-20 16:53

期刊文章 | 梁宝俊:坚持5G-A/6G一体化推进的思考

 

 

摘 要 5G规模商用以来,其价值从网络能力、用户开发到应用创新不断实现飞跃,并在技术上向5G-A发展。与此同时,ITU-R在2023年发布了6G愿景,加速了全球6G研究。如何实现5G-A与6G的协调发展已成为运营商面临的重要课题。坚持5G-A/6G一体化推进,既有助于提高5G网络能力,又为6G未来部署积累创新和实践经验,建议从突出场景牵引、强化标准引领、加强技术攻关、推动先试先行、增强产业协同五个方面重点发力,全面助力我国持续扩大5G领先优势,推动实现我国6G发展全球领先。

关键词 5G-A;6G;新质生产力;未来产业

引言

新一轮科技革命和产业变革正在蓬勃兴起,以5G为引领的新一代信息技术加速千行百业数智化转型升级,为推进新型工业化、构建现代产业体系、加快形成新质生产力提供重要支撑。5G商用四年来,实现从网络能力、规模发展到应用创新的价值跃升,规模化价值日益彰显。截至2023年第三季度,全球共有102个国家/地区的277家网络运营商声称开始提供5G业务。中国作为全球最大的5G市场,5G网络建设持续加速,融合应用深度不断拓展,截至2023年10月末,5G基站总数达321.5万个,占移动基站总数的28.1%,5G行业应用已融入67个国民经济大类,应用案例数超9.4万个。

为增强5G引擎动力,推动5G网络供给能力和场景服务能力不断提升,3GPP于2021年4月正式将5G技术演进确定为5G-Advanced(以下简称5G-A)并决定其标准从R18开始定义。IMT-2020(5G)推进组于2022年底发布《5G Advanced场景需求与关键技术》白皮书,提出“万兆泛在体验,千亿智慧联接,超能绿色业态”三大愿景和六大业务场景。以中国为代表的全球运营商陆续开启5G-A商用验证。相较5G,5G-A网络能力得到进一步提升,支持更多新场景。在产业生态方面,将推动创新链与产业链融合,加速产业链上下游协同合作,从原有的5G“单向赋能”向5G与产业“双向奔赴”转变;在行业应用方面,逐步从生产外围辅助环节向生产控制核心环节突破,推动工具效率提升演进为决策效率提升;在技术攻关方面,将对部分6G关键技术进行提前验证,ITU-R于2023年6月制定的《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》提出六大典型场景,大部分与5G-A有相似之处,但在能力上有所提升。

移动通信产业发展进入5G-A/6G发展的交汇期,加速推进5G-A/6G协同发展,成为摆在运营商面前的重要课题。本文通过分析5G-A/6G技术特性,论证一体化发展的必要性和可行性,并提出5G-A/6G一体化推进思路建议,以期为运营商网络平滑演进、引领产业发展提供参考。

1 5G-A/6G概述

5G-A作为5G演进技术,深化增强5G已有能力和业务应用,持续升级新技术新能力,带来新场景新业务。面向沉浸实时、智能上行、工业互联、通感一体、千亿物联和天地一体六大主要应用场景,在网络、终端、云等方面升级演进关键能力。具体来看,5G-A进一步升级网络能力,支持下行10Gb/s、上行1Gb/s、宽带实时交互、毫秒级交互时延,将激活XR和裸眼3D产业,引领消费互联网业务大幅增长;5G-A支持最全面的物联能力,模组类型涵盖从工业级高速连接到RedCap、无源物联,满足可穿戴设备、工业传感器、视频监控、智能电网、资产盘点、物流跟踪等场景应用;5G-A进一步支持感知、高精定位等超越连接的能力,实现一网多用;5G-A支持空天一体化,通过卫星网络实现全球大规模组网,提供更大范围的广域覆盖,并通过和地面网络的融合极大地扩展移动通信的业务类型和覆盖形式。

6G是对5G-A的技术增强和突破,对5G-A的应用场景进一步扩展和升级,重点解决沉浸式通信、极高可靠低时延、超大规模连接、泛在连接、人工智能与通信的融合、感知与通信的融合六大场景问题[1]。其中,沉浸式通信是对5G-A沉浸实时和智能上行的扩展,进一步支持远程多感官呈现和全息通信;极高可靠和低时延通信是对5G-A工业互联的扩展,进一步支持工业环境中用于全面自动化、控制和操作的通信;超大规模连接是对5G-A千亿物联的扩展,并涉及连接大量的设备或传感器,进一步支持智能城市、交通、物流、健康、能源、环境监测、农业和许多其他领域的扩展和新的应用;泛在连接是对5G-A空天一体化的扩展,不限于物联网和移动宽带通信,重点解决目前没有覆盖或几乎没有覆盖的地区,特别是农村、偏远和人口稀少的地区;人工智能和通信的融合是6G的重要突破,支持辅助自动驾驶、医疗辅助应用的设备之间的自主协作、跨设备和网络的重型计算操作的卸载、数字孪生的创建和预测,以及辅助机器人等;感知与通信的融合是对5G-A通感一体的扩展,提供广域多维传感和未连接物体的空间信息,以及连接设备及其运动和周围环境[2]。

以下将分别介绍5G-A和6G的关键技术、产业进展和技术应用情况,为探讨实现5G-A/6G发展“制式跨代、技术不断代”提供理论基础,为推进布局建议提供重要支撑。

1.1 5G-A关键技术与进展

5G系统从R15开始已完成R15、R16、R17三个版本的制定,5G-A开启5G发展的新篇章,是5G发展向6G不可逾越的重要阶段,将从当前正在制定的R18版本开始,预计进一步演进到R19、R20等多个版本,不断丰富5G-A的内涵和价值。5G-A提出六大主要应用场景包括沉浸实时、智能上行、工业互联、通感一体、千亿物联、天地一体等,对应的5G-A关键网络能力如表1所示。

表1 5G-A关键网络能力

为了实现这些网络能力,需要系列关键技术支撑,包括毫米波技术、超大规模天线、高可靠低时延技术、物联网技术、网络AI、智能超表面、通信感知一体等,比较典型的5G-A关键技术有以下几点。

1)大下行/大上行技术

5G-A实现下行万兆上行千兆的速率,需要对下行和上行能力不断增强,通过大下行/大上行技术来实现。在大下行方面,通常采用的技术包括更多频谱(如毫米波的引入能使带宽达800M)、分布式Massive MIMO[3]以及在中频段通过灵活时隙、载波聚合等多技术组合实现。中国联通面向大上行业务需求提出了“智享大上行”技术方案,在单用户峰值速率方面,在3.5G频段进行上行200MHz大上行帧结构载波聚合技术验证,实现上行单用户1.5Gb/s峰值速率;在单小区上行容量方面,实现在3.5GHz 300MHz网络下,达到上行5Gb/s的能力,使5G上行容量从测试初期的380Mb/s提升了13倍。智享大上行技术方案在山西霍煤集团庞庞塔煤矿率先实现商用化部署,覆盖井下800米深100公里巷道以及48个子场景,满足大量高清摄像头安全生产监控等业务需求。目前智享大上行技术已经在多个行业得到广泛的应用,未来随着毫米波频段的引入,5G网络速率会进一步增强到万兆能力,将为移动XR、裸眼3D的应用提供能力保障。

2)高可靠低时延技术

随着工业互联网领域IT与OT融合,形成多种业务流共存的混合复用网络,对业务在网络中传输的时延和可靠性提出了更高要求,亟需进行低时延高可靠等确定性能力增强来满足工业现场级和车间级的通信要求。R15版本的URLLC只定义了空口时延和高可靠性的基本功能,R16/R17版本中引入了对时延和可靠性的进一步增强以支持基本的工业互联网需求,R18将着眼于工业互联网的更严格业务特性及实际需求,在URLLC大联接能力上持续演进[4]。目前超低时延方案有FDD和互补TDD两种方案,如表2所示。中国联通在长城精工完成业界首个基于5G-A URLLC技术方案验证与应用示范,构建了首条面向汽车制造PLC南向C2IO的柔性产线,实现了端到端4ms@99.999%低时延高可靠能力。该方案通过互补TDD+跨载波HARQ技术方案,实现当前业界领先4ms时延能力;通过URLLC容量增强,实现10倍容量提升,达到1 000个/5 000m2;通过模组创新,加载工业协议功能对齐传统有线模组;通过URLLC+工业协议跨层适配实现性能最优。

表2 低时延方案对比

3)泛在物联技术

5G-A泛在物联技术主要包括轻量化5G(Reduced Capability,RedCap)和无源物联(Passive IoT),实现对物联网技术应用场景的补全和覆盖,各种物联技术的应用场景如图1所示。轻量化5G在标准层面主要面向物联网终端,通过减少终端带宽及收发天线数量、降低调制阶数等方式降低终端成本和功耗,主要应用于工业传感器、可穿戴设备、监控摄像头等。RedCap带宽为20MHz,天线形态为1T2R/1T1R,上行速率7.5~25Mbps,时延<100ms,可靠性达99.99%。RedCap主要应用场景包括视频监控、工业互联、可穿戴、车联网四大场景。中国联通在济南莱芜首次完成了基于省域5G电力专网的RedCap商用部署,重点场景主要包含III/IV区业务,如融合终端、能源控制器、变电站的巡检等,少量I/II区的业务,如配电自动化、分布式光伏,上线电力终端超3 000+个,端到端硬切片、无线RB预留、承载FlexE隔离和核心网下沉等技术得到充分验证。在佛山,完成2 000+站点建立,围绕MES联机—MES生产看板、SCADA联机—PLC设备联机等场景进行了充分应用和验证。

图1 各种物联技术的应用场景

无源物联利用环境能力采集技术,将周围可利用的信号与能力转化为可驱动自身电路的电能,同时利用以反向散射为核心的通信模式,实现目标节点传递信息的技术,可应用于资产管理、物流仓储等。无源物联标签定义有三类,适配不同局域/广域场景散射通信。A类无独立储能,无独立信号生成能力,类似于RFID;B类散射通信,有储能能力、信号放大能力,无独立信号生成能力;C类有储能能力、信号放大能力、独立信号生成能力,复杂度相比NB IoT有数量级的降低。无源物联尚未完成标准化,正开展原型试验,相对于RFID在覆盖距离和自动盘存方面有较大能力提升,后续需要推进标准化,积极探索应用。中国联通在宝武欧冶仓库开展了联合试点验证,探索未来千亿级无源物联应用。

4)通信感知一体技术

通信与感知一直呈现并行发展模式,随着5G毫米波和高频段的使用,使通信和感知的频率性能、关键技术和网络架构已具备一体化的可能性。两者正向着相辅相成的方向融合与发展,实现一网两用,超越联接[5]。中国联通已经基于5G-A通感一体技术开展雾天和夜晚行车、高铁周界入侵告警、无人机入侵告警等试点验证与应用示范。在浙江国网完成5G-A通感一体无人机试点,实现单站感知范围>1 000米,速率精度达0.5米/秒,距离精度达分米级;在上海开展了通感一体车路协同创新试点,在探测距离、分辨率方面相比业界雷达提升3~5倍;在矿山领域,开展国产化通感一体基站研发,针对边坡监测、车辆识别定位、工业采集控制等场景需求展开研究,目前已在鄂尔多斯腾远煤矿完成国内首个露天矿毫米级边坡形变感知监测技术验证。

1.2 6G关键技术与进展

6G是面向2030年的新一代移动通信系统的简称。2022年10月ITU正式命名下一代移动通信为“IMT2030”,基本确定IMT2030研究和标准化工作计划将于2024年开始制定技术性能要求、评估准则和方法,2027年开始征集候选方案、开展评估和标准认定。2023年6月,ITU-R WP5D工作组如期完成《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》。该建议书描绘了IMT-2030七大目标与九大趋势,提出了IMT-2030的六大典型场景、四大设计原则及15个能力指标体系。七大目标包含泛在连接、可持续性、创新性、安全性、隐私性和弹性、标准化和互操作、互通性等。九大趋势包含泛在智能、泛在计算、沉浸式多媒体和多感官通信、数字孪生和虚拟世界、智能工业应用、数字健康与福祉、泛在连接、传感和通信融合、可持续性。六大典型场景在IMT-2020三大场景基础上进行了增强和扩展,包含沉浸式通信、超大规模连接、极高可靠低时延、人工智能与通信的融合、感知与通信的融合、泛在连接。四大设计原则包括但不限于可持续性、安全性/隐私性/弹性、连接未连接的用户、泛在智能。15个能力指标体系包含峰值速率、用户体验速率、频谱效率、区域流量容量、连接数密度、移动性、时延、可靠性、覆盖能力、定位精度、感知相关能力、AI相关能力、安全隐私弹性性能、可持续性、互操作性[1]。

6G指标体系尚未完全定义,如图2所示,6G初步指标体系只是对部分指标给出了建议的范围或用例,具体指标的制定将在2024年至2026年的《技术性能要求(Technical Performance Requirement)》报告期间完成。

图2 6G初步指标体系

为了实现这些网络能力,需要系列关键技术支撑,包括毫米波太赫兹高频通信技术、超大规模天线、轨道角动量、新型调制编码、全双工、高可靠低时延技术、物联网技术、网络AI、智能超表面、通信感知一体等。具体来看,6G时延指标达0.1~1ms、可靠性指标达99.999%~99.99999%,需要继续完善发展5G-A高可靠低时延技术;6G连接指标达1 000 000-100 000 000连接/km2,需要继续完善发展5G-A大连接技术。除此以外,为了实现更大带宽、内生智能及增强的通信感知能力[3],还需要的典型支撑技术有以下几类。

1)高频通信技术

高频演进是无线新型技术发展的方向,毫米波太赫兹具有大带宽、高速率特点,更能满足热点高容量需求,低时延、精细感知可进一步提升行业数字化能力。

2)增强的通信感知一体技术

通信与感知技术起源于5G-A时代,伴随着无线通信频谱向高频段发展而发展。5G-A时代感知精度为广域亚米级,6G将进一步提高精度到厘米级甚至更低。随着5G-A的实践探索,通信感知一体技术在应用场景方面也将更加丰富,为通信行业新蓝海创造条件。

3)增强的网络AI技术

6G网络将实现全域融合和极致连接,通感智算一体化架构成为实现6G网络能力的基础[5]。人工智能为5G和6G无线网络的运行提供了许多潜在的功能增强,是无线网络发展的加速器。随着无线网络的演进,要求移动通信网络不仅是传输管道,更要将智能服务所需的多维资源与网络功能、协议和流程进行深度融合设计。6G网络将向智能内生方向演进,在网络架构内部提供数据采集、数据预处理、模型训练、模型推理等AI工作流全生命周期的运行和管理,将AI服务所需的算力、数据、算法、连接与网络功能、协议和流程进行深度融合设计,支持AI能力按需编排,为高水平网络自治和多样化业务需求提供智能化所需的基础能力[6]。

2 5G-A/6G一体化推进必要性与可行性分析

5G-A和6G在技术标准层面分属于5G下半场和6G上半场,5G-A/6G一体化推进在应用创新、技术演进、产业生态等方面具有重要意义。

在应用方面,5G-A/6G一体化推进有助于典型业务场景的需求连续性验证和应用高效协同创新。5G-A作为5G的增强版本,能够提供更高速率(峰值速率达到10Gb/s)、更低延迟(4ms)、更高连接密度(连接密度提高10倍)等增强性能,可满足工业互联网、自动驾驶等典型场景的高速率、低延迟需求,6G则在速率、定位、智能化等技术性能上进一步升级,可持续丰富和增强应用场景的深度和广度。一体化推进5G-A和6G演进,一方面能充分利用5G市场和生态,为6G初期部署提供基础,降低创新成本。另一方面通过制定一体化的路线图和标准框架,可以确保不同版本下网络、业务的无缝协同,保障用户应用体验。

在技术方面,5G-A与6G的技术特性包含交叉与连续演进关系,决定5G-A/6G必须一体化推进才能实现演进方向一脉相承,5G-A/6G技术包含关系如图3所示。5G-A是6G的前置探索,包含了6G部分愿景和关键技术;6G是5G-A的进一步完善和发展,拓展通信行业的覆盖边界和应用边界。5G-A中既包含成熟稳定的技术如大下行大上行技术、中低速物联网技术等,也包括需要持续完善的技术如高可靠低时延技术、无线AI技术等,还包括开创移动通信新发展空间的技术如通信感知一体等,据初步估计,6G技术中有70%左右是5G-A/6G通用技术。因此,坚持5G-A/6G一体化推进,既可以提高5G网络能力,使得成熟稳定技术可以得到应用;也可以不断完善高可靠低时延技术、无线AI技术、通信感知一体等创新技术,这其中具备商用的部署应用,不具备商用的为未来6G部署积累经验。

图3 5G-A/6G技术包含关系

在产业生态方面,5G-A/6G一体化推进有助于产业链复用,构建可持续发展的产业生态。当前5G产业链已经比较成熟,5G-A也逐步走向商用,形成了较强的端到端产业生态。产业链各环节积累了设计、制造、验证、运营维护等方面的丰富经验。这为6G产业的培育和成长提供了非常良好的土壤。如果从零开始构建全新的6G产业链,成本投入极其巨大且风险很大,而5G-A和6G一体化发展可以实现平稳演进过渡,充分利用5G产业基础,也利于形成连续创新和可持续发展的生态。

3 5G-A/6G一体化推进的思路建议

坚持5G-A/6G一体化推进,既有助于提高5G网络能力,又为6G未来部署积累创新和实践经验。在具体推进时,建议从突出场景牵引、强化标准引领、加强技术攻关、推动先试先行、增强产业协同五个方面重点发力。

1)突出场景牵引

场景化特征明显是5G-A和6G技术的显著特征之一,更加强调需求牵引和场景研究,应以业务需求为出发点,开展技术攻关和试验示范。要发挥运营商需求牵引的作用,持续开展5G-A网络与行业结合的细分场景研究,紧抓战略性新兴产业发展契机,以重大示范工程为载体,开展场景和技术验证,同时要探索发现5G-A技术能力的不足与短板,将相关场景需求输入到6G系统能力指标体系,为网络架构升级和关键技术选择奠定基础。

2)强化标准引领

移动通信行业是一个高度全球统一标准的行业,通过标准的广泛推广,实现5G-A/6G技术全球通用,产业链各个环节相互融通、相互协作,可以显著降低产业成本,加速产业成熟及高效集约发展,最终惠及广大用户。在5G-A/6G技术演进中,应持续加强国际合作,制定全球统一标准,推进5G-A实践探索向R18、R19演进。此外,要加强行业融合应用标准研制及行业间标准互通互认,加快推进面向行业应用场景的国际标准制定,抢占国际制高点,扩大5G领先优势。

3)加强技术攻关

5G-A/6G的创新是创新流程和设计的融合,强调多元主体协同创新。一方面要加强产学研用紧密协同,在统一网络架构、突破性理论体系、共性技术方面开展协同创新,既解决理论基础问题,也解决产业生态问题,同时要积极探索多频段技术在5G-A场景的使用;另一方面更要加强与头部企业、工业集成商、设备供应商的联合创新、集成创新,创新技术攻关机制,联合行业同题共答,建议以行业为载体,以企业为主体,针对重大核心问题,形成重大工程、大型场景示范,打造一批核心技术攻关成果,实现全面深入行业的多元主体协同创新与行业大攻关。

4)推动先行先试

考虑到5G-A/6G场景化特征,在推进过程中要坚持先行先试的原则,对于比较成熟的6G技术,可以在5G-A网络先行先试,分阶段开启预商用测试。瞄准移动通信领域重大科技需求,面向产学研用,建设开放、共享的6G合作研发开放实验平台,建立联合研发实验室、外场技术试验基地、技术创新示范区等科研环境基础设施,带动产业协同创新。

5)增强产业协同

加强5G-A/6G一体化推进过程中的产业协同深度,复用当前相对成熟的5G端网边业全产业链,为构建强大的6G产业生态系统奠定基础。一方面要最大化充分利用5G产业生态成果,在终端芯片/设备、基站、核心网网元、测试仪器等产业链关键环节,扩大共建共享的广度和深度,降低6G商用和大规模应用的成本;另一方面,要加强终端、模组、芯片以及网络的协同发展,制定一体化演进路线图,在5G-A/6G一体推进中逐步实现自主可控,探索持续稳定的投资与回报,推动产业整体快速演进。

产业链各方要深入推进产品及解决方案供给的5G-A/6G能力内生,加速5G-A/6G原生匹配行业融合应用场景需求的产业化进程。在端侧,推动工业OT设备的5G化由“叠加外挂”向“内生融合”转变,实现工业设备内嵌式安装5G模组,工业协议传输用无线承载方式替换有线[4]。在网络侧,推动5G-A/6G替代工业外网的辅助生产向工业内网的融入生产逐步延伸,全面提升5G-A/6G替代工业内网的内生确定性能力,实现确定性覆盖、确定性通信到确定性保障的能级跃升。

4 结语

5G已经成为赋能千行百业的关键技术引擎,对经济和社会发展的放大、叠加、倍增效应显著。相较于3G向4G演进、4G向5G演进,在5G向6G的演进过程中,5G-A的技术特征更加明显。5G-A是6G的前置探索,6G是5G-A的进一步完善和发展。坚持场景牵引、标准引领、技术攻关、先试先行、产业协同五个方面的一体化推进,实现5G-A/6G发展“制式跨代、技术不断代”,形成技术协同、产业协同、应用协同、标准协同、示范协同的6G产业生态,将全面助力我国持续扩大5G领先优势,抢占6G发展先机,推动我国移动通信发展保持全球领先地位。

参考文献

[1] ITU-R. Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2030 and beyond[R]. 2023

[2] 中国联通.中国联通6G业务白皮书[R]. 2023

[3] 尤肖虎,王东明,王江舟.分布式MIMO与无蜂窝移动通信[M].北京: 科学出版社, 2019

[4] 中国联通.中国联通5G+汽车智造技术白皮书[R].2023

[5] 中国联通.中国联通6G通感智算一体化无线网络白皮书[R].2023

[6] IMT-2030(6G)推进组.无线AI技术研究报告(第二版)[R].2022

温馨提示

如您需要引用本文,参考文献写法为:梁宝俊. 坚持5G-A/6G一体化推进的思考[J]. 信息通信技术, 2023, 17(06):4-10

作者:梁宝俊   来源:信息通信技术

相关

5G网络ITU6G运营商
本评论 更新于:2024-4-15 4:21:02
在C114 APP中与业内人士畅聊通信行业热点话题!