中国工程院院士邬贺铨:元宇宙不是6G刚需行业应用是研究重点

3月23日消息,在全球6G技术大会上,中国工程院院士、未来移动通信论坛理事长邬贺铨发布题为《对6G研究的10点思考》的演讲。

在邬贺铨看来,目前5G的高带宽没有显示出用武之处,以2030年光纤介入的速率为目标,6G的平均下载速率或许达到Gbps量级就够了。

他认为,元宇宙需要6G,现在5G支持不了用户需要的体验速率,但是元宇宙的商业模式,相对于社交媒体和AR/VR没有变化,而且是小众的市场,不是6G的刚需。

邬贺铨强调,ToB要作为6G研究的重点,更需要更重视低时延和确定性的要求,在架构和管理上提出创新的方案,并且还要为工业的应用划分专用的频率。

现在5G的平均下载速率已经达到100Mbps/s,峰值速率也突破Gbps,跟光纤结构的速率是相当的。

去年中国过往的宽带100MB的用户占比已经到93%,平均的宽带介入能力是100Mbps,而2020年宽带下载的速率大概是一半左右,53Mbps/s。预计到2030年,下载速率有可能上到一个G。

6G有必要要超过光纤的下载速度吗?目前5G的高带宽没有显示出用武之处,因为内容发展是滞后的,终端的计算能力和生成VR/AR节目的门槛,也制约了高带宽用户产生内容的出现,目前5G还难以复制4G时代短视频的场景。

从2G到5G,每一代移动通信都以带宽扩展为目标,而且追求十年一代,每一代峰值速率提高1000倍,那么6G是否有必要追求将5G速率扩展到1000倍?如果以2030年光纤介入的速率为目标,6G的平均下载速率或许达到Gbps量级就够了。

什么是元宇宙?将人类想象延伸出的虚拟空间加载到现实空间。狭义的元宇宙,是一种基为AR/VR/MR的技术升级,整合了用户化身、内容生产、社交互动、在线游戏、虚拟货币支付等的网络空间。

元宇宙需要6G,因为全息的显示,做实时交互峰值吞吐量可能达到150Gbps/s,就算100倍的压缩,平均吞吐量也要达到1.5Gbps/s,而且用户是在全方位、多角度的全息交互,这个时候同时承载可能上千个并发数据流,因此,用户总的吞吐量可能要达到Tbps/s,甚至交互需要的延时也要小于一毫秒,也就是说用户体验速率要大于10个G,那么现在5G支持不了,可能就需要6G。

但反过来6G需要元宇宙吗?目前元宇宙的商业模式,相对于社交媒体和AR/VR没有变化,而且是小众的市场,至少不是6G的刚需。

通信网络用户设备是碳排放的大头,根据预测,2030年全球信息技术碳排放中,数据中心之占28.8%,端用户识别占17.2%,网络识别占24%。

2020年,我国通信网络的碳排放占全社会3.5%,当时5G才刚起步。如果5G真正大规模商用,碳排放可能还会更大。5G的单基站比4G功耗多一倍,即使基站速度相当,5G无线G带宽更高,容量更大,可能也需要有明确的能效指标。重要的是要在超宽带和减碳之间找出平衡点。6G的频段更高,蜂窝更密,网络能耗比5G更大,对超宽带的追求应该让位于双碳的压力,从6G开始移动通信换代的主要驱动力要从过去追求信道带宽转到追求能效。

天地通信融合的目标,抬高了6G系统的复杂性,增加了6G减碳的难度,减碳需要从6G网络体系架构的创新入手。

ToB和ToC是不一样的。在架构上,5G ToB的架构强调扁平化,核心网下沉,甚至可能要支持DtoD,终端到终端的通信。在ToC的应用基站只处理物理层,而ToB的应用,基站可能需要集成部分核心网的功能,可能还需要实现介入回传一体化。

关于终端,在ToB的应用,我们一般来讲是多频多模低功耗的终端。在ToB可能终端对芯片的这种功耗、体积、成本要求没有那么苛刻,但是ToB的终端不仅仅是一个终端,还是一个智能无线路由器、是个CPE、是个边缘计算,是个智能物联网,所以终端比ToC要复杂得多。

关于带宽,在ToC的应用,我们基本上是大下行,ToB的应用我们要大上行。在性能上,ToC的应用比较敏感带宽的利用率,而ToB的应用可能更敏感时延和确定性。 在管理上,ToC的应用,运营商都非常关心切换、漫游和计费的管理。在ToB的时候,企业应用对这些反而不关心,关心的是网络和生产安全。

在安全上,ToC的应用着重是认证的安全,而在ToB的应用,是非常关心用户企业的数据不外泄。在可靠性方面,ToC的应用依靠密集的基站,一个基站有问题了,其它基站还可以补充。但是在ToB应用中,可能车间里只有一个基站,需要通过永远在线、冗余并发来支持可靠性。

5G并没有针对ToB的应用做重点的研究,将5G ToC的系统架构和设备直接搬到5G ToB,这样既不科学也不合理。所以工业互联网应该成为6G的研究重点,更需要更重视低时延和确定性的要求,在架构和管理上提出创新的方案。

在6G时代,需要为工业的应用划分专用的频率,哪怕频率不是直接给企业,也应区别开哪些是做通讯、哪些是做工业应用的。

人工智能技术在6G的应用,应该聚焦在怎么利用人工智能分析信道特性,而不是信源特性。5G是在原有人工智能上外加的功能。未来的6G希望是原生的人工智能,那怎么做到原生?通过分析信道,实现干扰消除、优化能效和核心网对业务的智能化适应上面。

如果要将人工智能在信道信源编码应用的技术,捆绑6G的线G的网络技术关联。如果没有什么关联,那跟4G、5G有什么区别?

现在所谓的“6G全频段接入”是伪命题。如果要6G做到全频段,既不现实,也不合理。现在成本高就是因为频谱太多、太复杂。

Sub6G和以下的频段,或者毫米波的低频段,应该是6G的合适的选择,应该作为6G频率的主攻方向。

毫米波高频段传输距离短,可以用在室内。毕竟,哪有人走在路上“戴个”元宇宙这样玩呢?

支持AR/VR,6G需要调整现有频谱分配的格局,6G需要更宽的频谱。所以要改变频率一次分配定终身的格局,频谱的分类,过去基本只使用频分模式,占地为劳。现在需要考虑空分、时分、码分的模式。

6G需要考虑跟卫星通信的频谱兼容问题,而且工业是6G的重要应用方向,我们是时候要为6G工业应用分配专用频率。

现在移动通信发展很快,但地球表面移动通信的面积覆盖率也只有6%左右,所以有94%的面积还没有覆盖。这94%的面积只占6%的人口,用传统的移动通信技术去覆盖显然是不经济的。但是从国防、应急和发展海洋经济等方面考量,我们又需要移动通信的信号能遍及全球每一个角落。

将天基互联网融合到地面移动通信系统,是低成本广覆盖的解决方案。原来是卫星通信跟移动通信是没关联的,现在我们希望关联起来,这就意味着移动通信要从原来地面网络扩展到非地面网络(NTN)。

在4G和5G的时代,也可能发展NTN,但天基互联网自身的覆盖能力跟不上,而地面移动通信网也缺乏相应的增强,所以之前一直做不了。

NTN虽然很理想,但是也面临很多挑战。首先,上到天空,即便低轨卫星也要有离地面600—700公里,时延比原来大得多,这种大环回时延,以及向下行的大时延差,导致我们需要考虑重新设计物理层,MAC层和无线链路层。要解决基站与终端的交互过程,来适应新的这种大时延的挑战。

另外因为大时延,传统的TCP/IP一旦丢包重传了,引入的时延就更大了,所以要减少丢包的可能发生概率。网络层需要有全新的木马纠错、FEC以及UDP等等的机制。

第二大挑战是小区覆盖的半径大。在地面的小区大约是几十公里的量级,而低轨卫星小区可能达百公里,小区中心跟小区边缘,终端到卫星的传输时延差别很大,这会对终端的随机介入过程以及物理随机介入信道的设计产生影响。

第三大挑战是多普勒频移很大,严重影响帧同步随机介入的流程。我们需要在NTN的应用上,需要考虑多普勒频偏的补偿。

第四个挑战是高运动速度,低轨卫星相对于地面,运动速度相当于每秒钟7.56公里,每颗星过顶服务的时间可能就分钟级,甚至如果纬度更低,过顶的时间更短。频繁的波速切换,需要有特殊的移动性管理方式,来简化切换流程,降低星链的开销,提高切换的可靠性。

我们现在在考虑6G的需求标准的时候,空天地海信通是一个跟5G不同的卖点,通过6G的研究,可以带热空天地海通信一体化的研究。

天基部分,仍然是空天地海通信的难点,地面网络改造也会增加挑战,但是天基部分,不仅要面对技术挑战,比如说高中低轨卫星的互联、点波速的调度、星间的激光通信、星上处理技术等等。

除了技术因素,还有轨道和频率资源的获得,发现与建网成本的控制。另外对中国来讲,我们缺少境外业务落地的星观站。

空天地海通信的一体化发展,没有迎来拐点。本来通过集成NTN,就可以实现星地融合通信,还可以推动统一的空中接口协议,和统一的地面核心网。

地面网现在行之有效的SRV6及IPV6的源地址选入即刻义从功能上应该可以用到天基网上。但传统的TCP/IP机制,不适合天基部分的高时延,TCP肯定要改的,所以要空天地海通信的完全一体化,不见得是最佳选择。

空天地海通信的一体化,很难成为运营商业务的热点,全球现在还没有面向地面移动网和非地面移动网融合的运营商。虽然边缘地区和海上通信,或者应急通信有需求,但受众少,6G的运营商无法指望靠这些应用来支撑收入。同时因为我们国家缺乏境外落地的信关站。我们国家的天基互联网也很难扩展到全球业务。

从1G到5G,移动通信系统的复杂性不断升级,抵消了技术进步带来的成本下降。

现在CAPEX与OPEX成本都居高不下。在5G时代,中国电信和中国联通只好走联合建网之路。

6G不仅业务类型多,而且管理更复杂。星地融合,涉及到异构网络,天基段可能多个供应商共享,因为卫星轨道频率资源是有限的。那么这就涉及到整个星地融合的移动通信网络,资源的调度可能需要跨运营商。

以架构简单、运维方便、云网协同、智能开放、安全可靠和低成本为目标的智简网络,是网络技术创新的方向。但网络体系的创新比空口技术还要难,因为要跟线网兼容是个很大的挑战。

5G将早年的理论借助集成电路的技术进步实现了工程化。以5G的一些关键技术为例,LDPC码,最早在1962年由麻省理工的Gallager的博士论文中提出。5G在数据控制信道的使用的Polar码,是2008年由土耳其的Arikan教授来发表的。

5G的这些基本技术,是十年前甚至更早的理论基础。现在6G需要从基础理论做起,目前感觉缺乏创新性的技术积累。

6G的研究需要有定力,我们国家移动通信的研究,是从跟随开始的,3G虽然有突破,4G虽然赶上,但前边还是有标杆的。5G取得了领跑地位,6G已经成为国家战略竞争的高地。

国家重视6G的研究理所当然。但是也要清醒认识到,不能因为竞争就不深入对6G的需求研究,不下决心做长期的颠覆性的原创技术研究,我们急于跟国外抢进度,脱离市场需要,这样反而战略上被动。我们需要有不受外界左右的定力,坚持开放合作。

要铸牢5G的基础,5G是6G的基础,推动我国5G网络以及应用成功是6G研究的动力,需要从5G的应用挖掘市场,一些的技术也可以提前用到5G来检验。

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