5G网络演进与6G展望
2021-11-22崔春风
邓 伟 郝 悦 胡 南 董 静 崔春风
中国移动通信有限公司研究院 北京 100053
1 当前5G的发展现状
在Release 15版本制定初期,对于5G的新应用场景与技术需求,产学研界逐渐形成了较为统一的认识,最终3GPP组织定义了5G的三大典型应用场景,即eMBB、uRLLC和mMTC。为明确不断涌现的新业务的性能需求与能力指标,中国移动首次提出了“5G之花”,生动形象地诠释了5G的关键能力指标,通过性能指标和效率指标共同定义了5G的关键能力,犹如一株绽放的鲜花。红花绿叶,相辅相成,花瓣代表了5G的六大性能指标,体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力,其中花瓣顶点代表了相应指标的最大值;绿叶代表了三个效率指标,是实现5G可持续发展的基本保障。
图1 5G之花
当前,世界先进国家已初步完成第一波5G浪潮,全球5G发展正驶入快车道,截至2021年8月中旬,涵盖72个国家的176家运营商正式发布5G商用服务,461家运营商正在以测试验证和计划部署等形式投资5G网络。我国正在全面推进信息基础设施建设,已初步建成全球最大规模的5G独立组网网络,截至2021年6月底,累计建成5G基站96.1万个,占全球70%以上;推动5G终端规模快速发展,5G终端的连接数可达3.65亿,占全球80%以上。预计2020~2035年期间,全球5G产业链投资额将达到约3.5亿美元,其中我国约占全球30%;与此同时,由5G技术驱动的全球行业应用将创造超过12万亿元的销售额,惠及到制造业、信息通信、批发零售和公共服务等千行百业[1]。
随着网络快速发展和技术持续演进,5G已成为了改变社会、服务大众、支撑经济社会发展的利器之一,随着社会经济数字化转型的加快,对5G业务多样化和差异化发展、绿色智能化、高效组网和技术演进提出了更高的要求,5G网络演进的需求也愈发强烈,6G的发展愿景也愈发清晰。
基于上述技术背景,本文从5G商用现状出发,探讨了5G网络演进技术方向,并对6G进行了展望。首先,提出5G网络演进的两大主要驱动力,包含2C业务多样化和2B业务性能差异化发展、绿色低碳化和组网高效化发展;其次,基于驱动力给出了四大技术发展方向;最后,随后基于移动通信网络的发展规律,给出了6G总体愿景、应用场景和网络关键性能指标等展望。
2 5G网络演进
移动通信产业的技术演进,基本上十年一代,5G将是2030年前最主要的移动通信技术。每一代移动通信技术,在诞生后都要经历不断的演进和增强,实现技术和产业的可持续发展。在通往万物感知、万物互联和万物智能的智能社会背景中,5G演进显得愈加迫切和充满挑战。中国移动联合业界发布的白皮书《5G Wireless Evolution White Paper:Towards a Sustainable 5G》[2]从演进驱动力和关键技术方向两方面进行了网络演进分析。
2.1 5G演进的驱动力
2.1.1 业务驱动力:2C&2B业务多样化发展与性能差异化发展
2C新业务发展对5G无线网络演进催生更多流量的需求,伴随着超高清视频、新视频直播、沉浸类业务快速发展普及,其中超高清业务的像素分辨率过去10年提升10倍,体验速率要求大幅度提升;虽然个别区域的上行能力需求显著(中国移动某省现网数据就存在上行:下行=2.5:1的情形),但现网5G上行尚未形成跨代的明显优势;沉浸式体验从连接人走向与AR/VR的实时交互,超宽带高交互体验大幅度提升。这些因素都驱动无线网络持续演进和能力提升,包括上行增强、交互能力提升和时延持续降低等,预计2025年5G发展领先国家和地区的eMBB DOU流量可能达到50GB~100GB[3],2030年最高预测甚至有望达到250GB[4]。
2B行业场景丰富、业务性能要求差异巨大。对于生产辅助类业务,如数据采集、远程运维等,上行速率要求100~300Mb/s,时延50ms内,可靠性3个9;对于车间级生产线业务,如机器视觉、人员设备定位等,上行速率要求500M~1Gb/s,时延20ms内,可靠性要达到5个9,定位精度要求3~5米,安全性要求高,需要数据不出园区;对于现场级生产线业务,如机器视觉的远程控制,产线无线化等,上行速率要求1Gb/s以上,时延10ms内,可靠性要达到6个9,定位精度要求亚米级,安全性要求高,需要数据不出园区。为满足2B行业差异化需求,5G网络要从性能提升、网络架构和能力扩展三方面增强5G 2B能力。
2.1.2 技术驱动力:绿色低成本与组网高效化
从绿色低碳的角度分析,5G小区带宽是4G的5倍以上,为提高频谱效率,室外主要使用复杂度较高的64/32通道Massive MIMO设备,基站功耗大。虽然5G能效(比特/焦耳)远优于4G,但5G网络初期承载的业务少、负荷较低,5G能效优势暂未充分发挥。此外,5G终端具备两倍天线数、两倍最大发射功率等特性,这使5G终端功耗比同工艺4G终端更高,终端的功耗问题成为当前影响5G用户体验的重要因素,亟需终端节电方案为用户感知保驾护航。
从设备成本的角度分析,5G技术复杂度高,一是引入Massive MIMO、切片、边缘计算等复杂技术;二是场景丰富,既有2C又有2B;三是业务丰富,QoS要求高、端到端的QoE保障困难等。这些因素导致5G实现复杂度高、需要高性能的硬件,导致设备成本高,亟需引入AI等更高效率的技术来实现5G低成本化。
从频谱的角度分析,一方面,频率是战略稀缺资源,是移动通信网络的基石,高效利用好存量频谱资源是运营商一直追求的目标。但移动运营商普遍存在制式多、频段多、频谱碎片化、单个低频段承载多个制式等问题。要高效组网,就需持续推进网络制式简化以及多频段组网。
另一方面,虽然大部分运营商无线频谱总量足够,但普遍较分散(频段总量10余个)、且分布在覆盖能力和性能无法俱佳的高中低频段上,导致使用单一频谱无法应付多样化和差异化的海量业务要求;因此,亟需考虑从单一频谱使用方式转变为灵活频谱接入的弹性网络,提升频谱使用的灵活性。但是,随着更多频段加入使用,增加了频点选择、多载波管理、MCS选择、切换移动性等方面的复杂性,亟需结合多频段的效率提升方案共同探索达到最大化频谱效率的目的。
2.2 5G演进的技术方向
2.2.1 技术方向一:性能持续提升
随着超高清视频、新视频直播、沉浸类业务不断涌现,为持续提升5G无线网络性能,满足2C多样化业务要求,可从上行增强、多天线演进、移动性增强和覆盖增强等方面进行技术演进。
1)上行增强:完善帧头不对齐和频段间轮发相关载波聚合技术方案,增加上行可用时隙资源;采用1024QAM等更高阶调制方式,提升上行频谱效率;采用多终端聚合协作方式,提升上行发送天线数量和发射功率。
2)多天线演进:着力开展基站间协作传输增强、SRS增强,高阶正交多流、高精度预编码等技术方向研究,考虑推动M-TRP(Multi-Transmission and Receiving Point)场景PDCCH/PUCCH/PUSCH重复传输,SRS容量增强,DMRS端口数量增强,基于Sub-PRB或PRB粒度预编码方案,持续提升MIMO系统性能。
3)移动性增强:考虑引入条件切换C H O(Conditional Handover)、双协议栈切换DAPS HO(Dual Active Protocol Stacks Handover)方案,提升移动鲁棒性,实现切换零中断效果。考虑设备上车方案以增大站间距降低建网成本,提升高铁场景移动性能;引入公专网协同的部署方案,如高速专用网络(HSDN)功能,保证公网用户驻留在公网,专网用户驻留在专网,避免公网用户占用专网的资源。
4)覆盖增强:引入新的码本,使能终端支持满功率发送,提升上行覆盖;引入解调参考信号新初始化序列,解决现有PA限幅问题;引入物理层增强技术手段,提升PUSCH、PUCCH、Msg3覆盖能力,解决现网上行覆盖受限痛点问题。同时面向无处不在、永远在线的需求愿景,地面网络将深度融合卫星网络、高空平台基站、地对空基站等,实现空天通信一体技术。
2.2.2 技术方向二:打造智简行业网
面向2B行业差异化的需求,可从持续提升网络性能,探索网络架构优化和网络能力服务化/产品化等方面进行技术演进。
1)无线性能提升:一方面聚焦“三超”,实现超级上行(超过1Gb/s)、超低时延(小于5ms)、超高可靠(6个9),通过引入上行SUL、mini-slot、低码率MCS等技术,打造高性能网络;另一方面,聚焦“两确定”,通过采用GBR、RB资源预留、多SPS配置、TSN等技术,保障最低速率、降低时延抖动打造具有“确定性速率”和“确定性时延”的确定性网络,满足行业核心生产流程业务需求。
2)网络架构优化:面向垂直行业客户性能要求高差异大、自控自优化需求迫切、工业等场景对网络成本敏感等特点,探索灵活智简5G网络架构。希望通过基站/UPF多种分流架构、性能分级分档、本地精准SLA和网云一体等方案为定制一张部署敏捷、灵活定制、性能可保障的5G网。
3)网络能力服务化/产品化:区别于2C客户对网络仅有数据传输需求,2B客户还有定位、计算、感知以及差异化服务等需求。在增强网络定位、计算、感知、差异化等能力的同时,还需研究网络能力与用户需求/业务的结合方案,打造客户可感知的服务、或可售卖的能力产品,以提升网络价值。
2.2.3 技术方向三:绿色智能发展
要克服5G高能耗、高成本的问题,一方面,倡导绿色5G技术降低功耗;另一方面AI与通信结合,提升网络效率,降低成本。
1)绿色5G技术:基于“场景差异化、网络协同化、能效优先化、环境低碳化”的理念进行技术演进。①场景差异化:基于绿色目标,识别场景特点进行差异化绿色设计;例如,微站场景无需使用耗能高的天线阵,局域网场景可简化协议和技术来降低能耗。②网络协同化:将多制式、多频段网络作为一个整体系统,进行能耗最优求解;建立网络间的协同机制,通过信令协同、业务协同等降低整体能耗网络。③能效优先化:此前性能、成本一直是设备和技术设计的最优先考虑因素;今后设计时需考虑性能、成本、能效三者的平衡,甚至能效优先。④环境低碳化:机房、空调、电源等动力环境的能耗也不可忽视,借助能源行业的技术创新来实现低碳。另一方面,也需持续推进5G终端低功耗技术演进,包含:UE辅助信息上报、寻呼优化、TRS测量优化、PDCCH动态检测等新技术等。
2)网络智能技术: 网络智能化主要从三个方面进行技术演进。①提供更多支撑AI算法的空口及网络数据,建立网络数据库。3GPP R17项目“Enhancement of Data Collection”已启动,后续还需继续完善。②设计AI在无线通信领域的应用场景,并构建相应的应用方案,包含:算法所需的数据库、算法的输入和输出模型以及典型的AI算法等。③探索AI与5G在空口、网络、应用方面的深入融合,以使5G网络更智能,从而降低网络成本、提升用户体验。
2.2.4 技术方向四:高频谱效率组网方案
面向业务发展需求、频率演进情况和网络建设节奏的变化,建议电信运营商考虑基于5G无线网络技术演进的三个变化来应对。
1)从单频段建设转变为高中低频协作的全频段高效网络:千方百计提升5G驻留比和分流能力,逐步构建分级/分类/分场景的立体覆盖网络;尝试推动闲置频谱演进方案,探索专有频谱重耕以增强上行能力和4G/5G双连接以提升4G资产使用效率;提前规划毫米波等新频谱资源,满足未来业务发展诉求,支撑实现全频段协作的高效组网方式。
2)从单一频谱使用方式转变为灵活频谱接入的弹性网络:延伸SUL机制至更多载波数目和类型,通过极简的控制信道设计来节省开销,通过合理的载波选择和高效的负载均衡来提升性能,通过快速激活和测量优化来降低时延;采用更灵活的全频段极聚频率方案,重构传统的TDD/FDD/SDL/SUL/CA使用方式,使多个非连续载波性能逼近单个大载波性能,支持弹性网络的定义;使能更灵活的多载波使用方式,基于多频一致性和AI多频管理机制,通过类BWP架构频谱池化和统一调度,提升频谱使用效率。
3)从提升2C网络覆盖和下行体验转变为兼顾大上行等多样化业务要求:研究蜂窝系统TDD频段异帧结构使用和灵活双工组网方式,逐步完善干扰识别专有序列定义、基于时域/频域/空域的调度优化、双BWP全双工以及基于精细化信道估计的PDCCH/PDSCH干扰消除方案,使能上下行千兆用户体验。
随着5G网络已经开始全面商用部署,并广泛应用在千行百业,产生了多样化与差异化的新业务新应用,对于5G网络也有着更高的性能需求,5G网络也逐渐向着性能卓越化、绿色智能化和组网高效化等方向演进,与此同时,产学研界也已经探索性地研究6G,开展了一系列的讨论。
3 6G展望
按照移动通信产业“使用一代、建设一代、研发一代”的发展节奏,业界预期2030年左右商用6G。目前全球各国家和地区正在开展6G愿景需求制定、关键技术研究及概念验证工作,以下给出6G的总体愿景、应用场景和网络关键性能要求。
3.1 总体愿景及应用场景
未来,随着5G应用的快速渗透、科学技术的创新突破、新技术与通信技术的深度融合,必将衍生出更高层次的新需求。如果说5G时代可以实现信息的泛在可取,6G应在5G基础上全面支持整个世界的数字化,并结合人工智能等技术的发展,实现智慧的泛在可取、全面赋能万事万物。6G将推动社会走向虚拟与现实结合的“数字孪生”世界,实现“数字孪生,智慧泛在”的美好愿景[6]。
展望2030年及以后,业务和应用将朝着如下方向发展:一是业务需求的多样化,业务速率和时延等指标的动态范围更大;二是覆盖的立体化,包含空天地等一体化;三是交互形式与内容的多样化,包括数据、媒体、生物和智能等;四是业务开放化和定制化,用户可以按需定制网络能力;五是通信、计算、人工智能(Artificial Intelligence,AI)和安全融合化,提供可信、安全的服务[7]。
6G网络将在智享生活、智赋生产、智焕社会三个方面催生全新的应用场景,如图2所示[8]。
图2 6G典型场景
1)智享生活:移动通信系统中,全息交互、通感互联、数字孪生人、智能交互等将充分利用脑机交互、AI、分子通信等新兴技术,塑造高效学习、便捷购物、协同办公、健康生命等生活新形态。
2)智赋生产:通过应用新兴信息技术为现有农业生产、工业生产深度赋能,可为生产的健康发展增添强劲动力,进而促进数字经济的迅猛发展。
3)智焕社会:移动通信网络构建智慧社会,融合陆基、空基、天基和海基实现“泛在覆盖”,极大延展公共服务覆盖面、缩小不同地区的数字鸿沟,切实提升社会治理精细化水平,从而为构建智慧泛在的美好社会打下坚实基础。
3.2 网络关键性能指标
为了满足以上新场景的更高要求,6G空口技术和架构需要相应的变革,潜在使能技术的研究迫在眉睫,如全频段接入、新型编码调制技术、超大规模天线、太赫兹和可见光通信、电磁波新维度以及空天地一体化网络等。
依赖于上述及其他潜在使能技术,未来的网络能力将得到极大提升,从而可以为用户提供更加丰富的业务和应用。不同应用场景下对应的网络性能指标需求和潜在使能技术如图3所示。
图3 2030+网络性能指标需求及潜在技术
文献[9]给出了针对新业务的网络关键性能指标测算方法建议。例如,针对uRLLC场景下需要满足的性能指标,应从传输时延、可靠性、传输速率等方面进行综合考虑。文献[10]提出了一种覆盖范围、传输速率、时延、可靠性等四个性能指标的综合量化评估方法,可用于在未来的6G场景下,针对支持新业务的性能指标进行综合评估。
4 总结
5 G 技术基本完成第一波商用,在消费者市场已实现全面发展,各行各业也已认同5G的使能价值、正逐步实现融合发展之际,本文重点探索了5G网络演进的驱动力及关键技术方向,意图进一步增强5G性能、匹配客户需求、扩展5G应用。在5G方兴未艾、6G已成为研究热点的背景下,为此,本文给出了6G总体愿景和应用场景,探讨了网络关键性能指标的测算方法,以期为业界提供有益的参考。