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6G世界的模样
5G之後
[作者 盧傑瑞]   2021年09月27日 星期一 浏览人次: [884]

行动通讯技术大约每10年就会进化出一个新的世代,而Beyond 5G(6G)是否如预期地在2030年到来,或是会提早实现?6G终将建立一个新形态的社会生活体系。


全球终於即将开始全面的5G服务,但下一代的通讯技术讨论也提前展开。全球先进国家政府也先後的规划关於次世代通讯技术的整体策略,例如日本在2020年6月即公布《超越5G推进战略6G之路》,分析2030年代社会所需的技术和政策方向。


到目前为止,行动通讯技术大约每10年就会进化出一个新的世代,那麽接下来的6G,是否如预期地在2030年到来,还是会提早实现,并且在那时的社会中扮演什麽角色?


COVID 19在全球引发前所未有的危机,也因为这样的冲击,对於人们的生活和工作的方式带来一波新的革新潮流。因此,在未来还是会出现许多不可预测的风险,包括新的传染病大流行、自然灾害等,这可能使得在传统方式下,如人员运输和面对面的拜访式业务推动都难以继续;因此无论喜欢与否,都会被迫改变为远端工作,或其他远端工作的新常态,而且这样的常态也变得越来越依赖数位技术。


在这种情况下,为了维持人们的生活和经济活动的顺利进行,创造一个彻底使用资讯通信技术(ICT)基础设施的环境。推广Beyond 5G(6G),不仅是建立一个新形态的社会生活体系,也是面对With Corona/Post Corona时代的因应策略。


未来无线通讯发展的指引

COVID 19的传播危机或许是一个推动通讯技术进步的助力,加快发展Beyond 5G准备就绪,并提供强大且安全的ICT基础设施。换个角度来看,Beyond 5G可以看作是一个指引,利用现有5G的同时,未来10年应该可以发展出更多的通讯服务(图1)。


在未来,融合物理空间和网络空间的CPS(Cyber Physical Systems)将取得巨大的进展,从大量数据中创造新价值,在人们需要的时候,以最合适的方式提供他们想要的服务。



图1 : 2030年6G的概想?6G将取得巨大的进展,可以最合适的方式提供人们想要的服务。(source:DIAMOND;智动化整理)
图1 : 2030年6G的概想?6G将取得巨大的进展,可以最合适的方式提供人们想要的服务。(source:DIAMOND;智动化整理)

目前的5G具备了「超高速度和容量」、「超低延迟」、「超多可同时连接」的特色功能,这些特色将彻底改变使用物联网和行动技术的工作方式。而6G将更进一步加强这些特点(图2),目标是将5G性能的复杂度提高10倍。例如最大传送速率为100Gbps,点对点的延迟小於1毫秒,每平方公里的设备数量,也将从5G的100万增加到1000万。并且还包括以下四个新特点,使通讯更加人性化和便利。


值得注意的是,6G不再被描绘成一种通信系统。5G的主题是推动「工业数位转型」,而6G则定位为构建新社会系统的基础设施。



图2 : 6G将更进一步加强5G的特点,包括研发可被运用的技术平台,先进关键技术的开发。(source:NEC;智动化整理)
图2 : 6G将更进一步加强5G的特点,包括研发可被运用的技术平台,先进关键技术的开发。(source:NEC;智动化整理)

6G在未来的四个新特点

首先是「自主性」。利用AI等技术,让所有设备在没有使用者的干预下,可以进行自主合作连线(零接触),创建一个立即满足使用者需求的最隹网路,而不考虑是有线还是无线的环境。


第二是「可扩充性」。 终端和基地台将可与不同的通信系统进行无缝连接,例如卫星和高空平台(high altitude platform stations;HAPS)。通过无处不在的基地台,将终端等各种物体作为基地台,各地的设备都能够协同工作与相互连接,使通讯能够在包括海洋、空中和太空等任何地方进行。


第三是「超安全性和可靠性」。即使在用户不知情的情况下,也始终确保安全和隐私,即使发生灾难或故障,服务也可以立即恢复而不会中断。


第四是「超低功耗」。如果依照目前的数位化速度继续下去,2030年IT相关产品的电力消耗,预计将是2016年的36倍。为了能够应对如此大的功耗增长,需要设法将6G的功耗降低到目前的1/100左右。


为了实现以上的新特点,需要大量的技术来支持,例如:


·THz(Tera Hz Frequency):支持超高速、大容量通讯


·时空同步(Space-Time Synchronization):支持超低延迟


·感测技术:支持大量同时连接


·全光纤网络:支持超高速、大容量通讯、超低功耗


·低功耗半导体:支持超低功耗的技术


·量子密码学:支持超高安全性和可靠性


·利用HAPS:支持可扩充性、超安全性和可靠性


·完全虚拟化:支持自主运作


·相容性介面:支持可扩充性


HAPS打造平流层基地台网络

HAPS是一个无人驾驶飞机和飞艇系统,在平流层与空间的交接处飞行,向地面提供通信服务。 平流层的高度为20公里,这个高度可以让讯号很容易到达地面。


HAPS需要使用能长时间停留在平流层的无人机,并在飞机上配置一些重要设备。例如在机翼上安装太阳能电池板提供动力,可以在自动控制下继续转动和飞行,以保持无人机持续进行圆周飞行,并具有在空中停留6个月的能力。此外,也包括连接HAPS和智慧手机等终端的天线设备、连接地面固定站的无线通讯设备以及用於控制的Wi-Fi天线。


一个HAPS基地台可以覆盖直径达200公里的区域,而传统的地面基站仅能覆盖直径1公里的范围(图3)。即使在用户很少的山区和海上,HAPS也能有效率地提供通讯服务。HAPS在海拔20公里的平流层飞行,这是人类以前从未使用过的空域。由於这是一个难以使用现有设备操作的天气环境,因此有必须要有特殊的设计来克服。


在较低的平流层,温度大约是摄氏零下70度,虽然高度愈低,大气压力越低,温度就会相对提高,但是却不利於通讯。为了解决高度与低温环境矛盾的问题,HAPS需要配备抗寒防护罩和小型加热器,针对有必要的设备进行加热。



图3 : 图为HAPS所使用的2个频率,而一个HAPS基地台可以覆盖200公里。(source:DIAMOND;智动化整理)
图3 : 图为HAPS所使用的2个频率,而一个HAPS基地台可以覆盖200公里。(source:DIAMOND;智动化整理)

异质网路技术之必要

在连接方面,非手机通信系统的融合和整合将加速。这是一个异质网路(Heterogeneous network),利用各种固定和无线达到系统间无缝连线。就5G而言,目前正在发展将光纤和Wi-Fi等固网接入整合到5G核心网路中,但仅靠5G/6G是不可能覆盖整个社会的。


在6G的规划中,能够根据各种应用的要求,自动改变资源和性能的灵活性,以及处理大量数据的可扩充性非常重要。从这个角度来看,可以想像成,与其把所有东西都放在行动网路上,不如透过在其他网路、边缘计算基础设施,甚至在云端的应用等多元路径来进行数据传输。


这在灾难发生时的恢复方面具有相当大的助益,如果各种网路之间能相互补强,形成一个CPS神经网路,那将是最理想的状态。例如,在NTT的IOWN计画中,正在研究开发出Cradio技术,使用户能够在无感的情况下使用适当的无线通讯环境,这项技术也将是6G的一个重要元素。


5G只是实体空间和网络空间的连接器,而6G将基於再迈出一大步。随时随地可以连接两个的相异通信网路,而AI和应用的控制将被高度的整合,将通讯功能与计算处理紧密结合,为CPS中使用的各种应用创造一个「推进器」。实现跨越两个空间的应用的推进器功能是6G的关键要素,但迄今6G的出现还只是一个概念。


6G制定进度预估与即将实现的示例

2030年代6G究竟会为社会带来什麽?根据NTT DoCoMo於2020年7月发布的<5G Advancement and 6G>中提出一些应用方向。


首先,超过100Gbps的超高速和大容量无线技术,将使新的体验服务等同於或超过真实体验的品质。这种新的体验服务可在多个使用者之间即时共享,并发展出新的同步应用,如网路空间的虚拟共同体验,或虚拟协同工作等。此外,在目前通讯服务未覆盖的天空、海洋和太空等地方,可透过「超覆盖扩充」,进一步扩展人和物的活动环境,并因此创造新的产业。


在网路-实体整合方面,6G的目标是实现小於1ms或更短的超低延迟。这将大幅度推动即时、互动的人工智慧服务技术。例如可以在无人商店提供远程机器人客户服务,在看到顾客脸上的表情後,以类似人类的方式做出反应。6G不仅会将大量的IoT设备连接到网路上,无线通讯网路可利用本身无线电波来感知现实世界,并实现小於几厘米误差的超精确定位。


预计ITU将在2022年左右最终确定6G的定义,而需求的审查和标准化很可能在2023年至2024年左右开始。目标是2030年,但考虑到2019年5G商用,预计6G服务最早会在2028-2029年开始。



图4 : ITU预计将在2022年左右最终确定6G的定义(source:Ericsson;智动化整理)
图4 : ITU预计将在2022年左右最终确定6G的定义(source:Ericsson;智动化整理)

虽然6G或许需要到2030年代才会到达实际使用的阶段,不过还有近10年的时间,或许技术的演进可能会比预期的更快。另一方面,目前的商业环境正处於前所未有的不确定性环境,面临新的冠状病毒感染大流行,中美贸易摩擦导致地缘政治风险增加,不可预测的天气和自然灾害等情况。


在这种情况下,面对全球需求下降、供应链分散、社会行为变化,和新竞争环境的出现,需要强化可因应的能力,就像是透过使用5G来克服「2025年的悬崖」,同时推动数位转型作为解决这些问题的基础,为即将到来的6G时代作准备。


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