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中国处于5G研发第一阵营 已开始着手研究6G发展

2019-06-24 11:12 来源: 中国新闻周刊  杜玮 
5G技术   6G   智慧生活  

  电影《头号玩家》中,男主角宅在家中,就能环游世界,戴着虚拟现实设备,就能和小伙伴一起联合作战,在游戏中获得身临其境的极致沉浸式体验……这样的场景发生在2045年,但现实中,这在2030年后就有可能实现,也就是在第六代移动通信(6G)时代。

  6月6日,工信部向中国移动等4家企业发放了5G商用牌照,标志着中国5G商用元年开启。商用移动通信网络每10年更新一代,5G的商用同时也意味着下一代技术研发的开始。

  2018年7月,国际电信联盟成立了2030网络技术的研究组。目前,美国、中国、日本、韩国、芬兰等国家,都已踏上6G研发赛道。今年2月,美国总统唐纳德·特朗普连发推特称:我想要5G,甚至6G尽快进入美国。此后不到1个月,美国开始部署6G的研究。

  对各国而言,移动通信技术早已不仅是便利人们沟通的桥梁,更是国家科技竞争力乃至国家实力的体现。6G是什么,离我们有多远?

  6G,“6”在哪儿?

  对普通用户来说,网速是衡量每一代网络性能的KPI。4G时代,每秒数据的传输量为几十兆比特,到了5G,数据传输速率将提高10倍以上,最高可达1Gbit/s(千兆比特每秒),而当6G开启,网速将迎来新的飞跃。电子科技大学教授、通信抗干扰国家级重点实验室主任李少谦在接受《中国新闻周刊》采访时称,从技术指标设定来说,每一代网络的速率都要比上一代提升一个数量级,“(如果)再高,就超越了技术,是达不到的”,因此,一般场景下,6G的网速大致会是5G网速的10倍。

  大带宽、高速率能做什么?除了满足超高清网络电视、虚拟现实游戏等常见需求,全息技术成为业界看好的方向。国际电信联盟也将其列入了《2030年及之后新型网络技术展望》的白皮书中。

  所谓全息技术,就是指不光能看到图像,听到声音,还能实现触觉、味觉等五官全方位感知的技术。举个例子,通过全息影像,足不出户,就可以置身千万里之外的热带雨林,不仅能看到瀑布,听到水流声,还能感受到当地的温度、湿度,闻到泥土的芬芳。再如,全息远程会议,可以触摸到对方,全息手术,远端医生如同在现场。

  这一技术对传感器数量、数据传输速率有着较高要求。国际电信联盟2030网络技术研究组主席、华为美国总部未来网络首席科学家Richard Li在一份报告中提到,如果要实现对一个人高清晰度全息投影,传输速率要达到4.62Tbit/s(太比特每秒),相当于5G网速的成百上千倍,这对6G网速也是个挑战。

  6G更大的神通还将在于建立物和物的联接。事实上,关于5G,业内就提出了高速率大带宽、超可靠低时延通信、海量机器联接三大应用场景。5G的理论延时要从4G的50毫秒降至1毫秒。海量机器联接则是指每平方公里接入的传感器数量达到100万个。

  北京邮电大学信息与通信工程学院教授、网络与交换技术国家重点实验室主任张平分析说,过去,从1G升级到4G,只强调高速率这一个维度,5G首次提出了三个目标,但就目前而言,只有第一类场景达成了国际统一的技术标准,5G商用满足的依然也只是这一场景。“超可靠低时延通信到现在为止国际上都没有标准化,要等到明年3月才定”,而实际部署后,运行效果如何也尚不得而知。海量机器联接标准化的优先级则更低。当下,国内采用的是依然4G时代速率较低的窄带物联网等作为技术实现手段。这意味着,6G在这三个维度上都有着进一步的改进空间。

  “‘4G改变生活,5G改变社会’这句话其实并不科学”,李少谦认为,5G也有些被神化。在他看来,5G时代只是开启了万物互联的大门,随着未来需求的增长和技术的迭代,要真正实现万物互联的路还有很长,这正是6G时代要做的事情。比如,要构建完整的车联网,首先要解决广覆盖的问题,“某个地方突然没信号了,车就会撞到一起”。

  张平称,由于技术等限制,现在的5G技术只是相对独立地针对三大应用场景中的某一类,未来6G要同时覆盖两类甚至三类场景的需求。比如说,整个城市的智能交通系统,既要处理车与车、车与人、车与交通设施等实时的大量数据,需要大带宽,又要保证低延时,避免发生事故。

  在不少业内人士眼中,AI和6G在未来的发展中将相辅相成,融为一体。清华大学电子工程系教授牛志升称,“6G时代将充满AI”。他分析说,无论是帮助用户识别场景,还是优化网络资源配置,AI都将发挥重要的作用。OPPO研究院标准研究中心5G资深研究员沈嘉说,随着AI技术与应用场景的普及,以智能体交互为代表的新型业务场景将会在6G时代出现。比如说,一个围棋高手要将知识和技能传给徒弟,可能需要几十年,但依靠6G,机器人和机器人之间能够快速相互学习,几秒钟就能将智慧倾囊相授。

  李少谦说,实际上,到目前为止,关于6G,仍没有明确的定义,到2023年前,世界范围内都将处于提出愿景、分析需求、研究潜在可用技术的阶段,之后,学界、业界将进行讨论,达成共识,制定标准。

  6G,有多远?

  为达成6G的美好愿景,世界各国已竞相布局。

  从5G研发起,中国已处于世界移动通信行业的第一阵营,去年3月,工信部部长苗圩在接受媒体采访时称,中国已开始着手在研究6G的发展。去年4月,芬兰科学院将芬兰奥卢大学主导的“6G支持的无线智能社会和生态系统”列为国家研究资助计划的旗舰项目,该项目在未来8年将获得超过2.5亿欧元的资助。今年1月和6月,韩国两大电子巨头LG和三星分别被报道成立了6G研发中心。今年3月,据《日本经济新闻》称,早稻田大学、电子制造商NEC和德国斯图加特大学等将联手开发后5G时代移动通信技术。

  在去年9月举行的世界移动通信大会美洲展上,作为美国联邦通信委员会(FCC)首位谈及6G技术的专员,杰西卡·罗森沃瑟提到了太赫兹波、区块链等技术。今年3月,在特朗普连发推文后不久,FCC宣布开放频率范围为95GHz(千兆赫兹)至3THz(太赫兹)、以“太赫兹波”为主的实验频段,给研发者提供10年的使用期限。

  太赫兹波频率为100GHz到10THz,波长介于毫米波和红外线之间,属于高频率电磁波,被视为6G潜在可用的关键技术之一,用李少谦的话讲,这是一块在移动通信领域从未开垦过的新大陆。在1G到5G的发展征程中,有限的低频段资源被优先开发,移动通信的所用频段不断走高,而依据电磁波特性,频率越高,可用的带宽越大,这也正是太赫兹波被业界看好的原因。

  但如同硬币两面,太赫兹波也有着致命缺陷,电磁波频率越高,也意味着波长越短,这样一来,太赫兹波绕过障碍物的能力就很差。太赫兹波无法穿透水泥墙,而且容易被水分子吸收,雨雾天气,树叶、建筑物、行人等遮挡也对其有影响,这意味着太赫兹波信号衰减强度大,无法远距离传播,覆盖范围有限。

  事实上,类似问题在5G时代已有所体现。我国的5G网络中,现在采用的是6GHz以下的频段,未来还将使用毫米波段,频率都高于4G时代所用电磁波,而毫米波和太赫兹波有着类似的短板。这将造成因电磁波传播距离短,基站建设数量大且密集的境况。

  现有的一些实验研究中,太赫兹波的传播距离多为几十米至上百米。李少谦团队在2012年承担了国家科技部第一个太赫兹通信系统项目,最初他估计,太赫兹波的传播距离只有5米,但实验测得,在没有任何遮挡的情况下,其传输距离能达到1公里以上。奥卢大学无线通信中心博士后何继光称,如果太赫兹波无法穿墙,则要考虑从室外到室内的传输问题。

  在北京邮电大学教授牛凯看来,未来,太赫兹波更大的适用范围可能是室内的近距离、高速率传输,速率能达到每秒1太比特,而室外的远距离传输乃至广覆盖,仍需依靠低频段,“3G退网后,可以用这些频率,也可以在6GHz以下的频段中做一些规划”。同时,为了达到高速率,还可以仰仗MIMO技术(多输入多输出技术),“这实际上就相当于在空间维度上增加了信息传输通道”。他分析说,未来的网络覆盖一定是多频段组合。OPPO研究院标准研究中心总监、5G首席科学家唐海称,今后基站是否越建越密,主要还取决于能否有高质量的低频频段可以腾出使用。

  李少谦认为,太赫兹波通信未来可以用于体育赛事从摄像机到电视地面制作中心的超高清信号点对点传输,局域大容量传输,是6G可能应用的技术,而未来太赫兹波是否最终会用于6G,是否通过建基站的方式采用,仍需进一步的探讨。

  另一种可能性是,在6G时代,终端和终端之间的通信不再经过基站这个“中介”。沈嘉认为,尤其在短距离、高频段的通信中,这样的机制可能会成为现实。“当我们用高频段的点对点通信把很多通信流量从基站上移到我们的手机上,那么传统中低频段的资源也能得到更好使用,就相当于原来高速公路上都挤满了车,如果两个人是邻居,就没必要绕道上高速公路”。美国弗吉尼亚理工大学电子与计算机系教授瓦利德·萨阿德则在其论文中提到,未来的6G时代,无论是墙壁、路面,还是整个建筑,都可以采用一种智能材料,表面装配天线,充当基站,实现数据近距离的收发。

  基站密了,电磁波频率高了,辐射是否会增加?这是在5G到来前,就已在人们心中泛起的疑问。

  对此,李少谦解释说,是否频率越高,电磁波对人的辐射就越大,还缺乏足够的证据支撑,“但有一个是肯定的,功率大不行”,衡量电磁波对人体辐射的主要指标是功率。移动通信用的功率实际上并不大,此外,由于5G基站的覆盖范围更小,其发射功率也可以进一步降低。

  保证广覆盖的另一种方式是卫星通讯。5月23日,美国太空探索技术公司(SpaceX)就发射了其卫星互联网项目“星链”的首批60颗近地卫星。从2019年到2024年,SpaceX共将搭建由约1.2万颗卫星组成的“星链”网络,从太空向地面提供高速互联网接入服务,这也被不少自媒体解读为美国的6G战略。而亚马逊、软银注资的卫星初创公司OneWeb等也都有着构建太空互联网的宏图。

  李少谦分析说,全球范围内,移动通信目前覆盖的陆地范围只有30%,荒漠、戈壁、贫困地区、海洋等未来都要通过卫星来实现全域覆盖,但由于卫星的局限,通信速率会比较低,因此,只能和地面移动通信互为补充,起不到替代的作用。牛志升称,由于近地卫星与地球自传不同步,意味着完成一次通信过程,要有不同的卫星“接力”,而轨道受限的问题也需要考虑。

  李少谦说, 6G时代的移动通信将会是天地一体化融合的态势。同时,在几代移动通信技术迭代的过程中,功能重叠的技术会被取代掉,3G、4G提供的是都宽带服务,3G会消亡,“2G频率低,覆盖最好,提供了通信的最基础服务”,会保留,因此,会存在网络“多代同堂”的情况。而从目前看,5G时代还面临着基站建设成本高、运营功耗大的问题。有数据显示,5G基站的电费相当于4G基站的两到三倍,这也将是6G要面对的挑战。李少谦认为,可以通过简化结构、加大元器件集成度、将不必要设备去掉等方式,把功耗降下来,但“又想马儿跑又想马儿不吃草”,找这个平衡点很难。

  张平认为,目前最关键的,是花长一点时间,“想清楚6G到底是什么,能带给我们什么。”

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