6G技术趋势与应用研究

来源:电子技术应用ChinaAET发布时间:2022-03-141704浏览

5G → 6G

5G的主要目标是满足超高清、VR/AR、云桌面等业务在高移动、密集连接等情况下在消费场景以及工业、医疗、交通等垂直行业场景的需求，与物联网等技术融合，开启万物互联、数字孪生。但面向2030及更远的未来，5G技术上限等仍然无法满足网络覆盖与应用需求。

6G将带来全新的技术视角、颠覆性的技术创新、全域全时全景的技术应用、广泛深入的技术融合，本文基于6G在网络连接、网络性能、技术融合、数据价值转化、应用赋能的五大趋势，从演进节奏、体系架构、应用价值等方面，对超交通、沉浸式体验与交互(XR/全息技术)、孪生医疗、孪生工厂等方面的未来应用进行介绍，并提出了不同场景的6G性能需求，为产业界提供参考。

一、从通信技术发展史看6G技术演进趋势

如图1所示，移动通信系统的发展是一个从沟通泛在、信息泛在、感知泛在到智慧泛在的过程，也是一个网络连接更加广泛、技术融合更加显著、数据价值逐步凸显、赋能效应指数升级的过程。

(1) 网络连接愈加广泛

5G以基站为中心发散覆盖，通信对象集中在陆地地表10 km以内高度的有限空间范围，预计5G时代仍将有80%以上的陆地区域和95%以上的海洋区域无移动网络信号[1]，在基站所未覆盖的沙漠、无人区、海洋等区域内将形成通信盲区；而6G将充分利用低中高全频谱资源，实现空天地一体化的全球无缝覆盖[2]。

(2) 网络性能不断提升

更大的连接数密度、更大的传输带宽、更低的端到端时延、更高的可靠性和确定性以及更智能化的网络特性，是移动通信网络与垂直行业融合应用得以快速推广和长远发展的必然需要。尽管当前5G应用的效应尚未完全显现，但从5G标准的规范来看，仍然在信息传输、交互、覆盖等方面难以满足某些垂直行业的业务需求。5G与6G的网性能对比如表1所示[2-3]。

例如，对于工业精准控制场景、触感技术等，需要将时延缩减至亚秒(<1 ms)级甚至是微秒(μs)级[4]。全息通信中，极致的数据速率可带来沉浸式全息连接体验，这要求6G数据速率需达到太比特量级。在测量测绘、精准农业、车联网、形变监测等场景中，需要能够支撑1m以下甚至亚米级的超高精度定位的通信技术，往往需要通信技术具备超低延时、群智感知、超大规模天线阵列等技术特点以及与卫星通信等通信系统的良好融合[5-7]。超能交通场景下，飞机、磁悬浮列车等承载的终端的移动速度将超过1 000 km/h，这对超高速移动环境下通信技术支持实时通信业务和高精度定位业务都提出了挑战。

另外，随着传感器与智能终端类型的丰富、规模扩大，5G网络将无法承担未来智慧城市场景中更大连接设备的接入，必须依赖下一代6G网络超大连接数性能的支撑。

(3) 技术融合更加显著

5G与人工智能等技术的融合更多体现在共同应用在业务场景中。而高度自主智能化的超灵活网络是6G最为明显的特征之一。如图2、表2所示，6G智能化将贯彻于网络端到端每一个环节，人工智能、区块链、大数据等技术将融合在网络架构之中，实现网络的自主自治[8-10]。

(4) 数据价值逐步凸显

6G网络将推动数据来源更加多元化、数据连接规模大幅提升，推动产业、城市、社会向“数字孪生”演进，能够在更大规模、更优水平上挖掘数据价值；与此同时，由于AI、区块链等技术的引入，也改变了数据收集、优先级和共享方式，进一步优化了数据对于不同对象的价值体现；同时AI、区块链等技术等提供了智能化的隐私安全保障机制。因此，6G技术的实现与推广，将极大意义上促进数据价值的进一步凸显。

(5) 赋能效应指数升级

6G愿景是“海陆空天地”万物互联，推动现实世界向虚拟世界映射，加速社会智慧化升级，实现数字孪生和智慧泛在。以感知技术为例，从1G到5G，实现信息交互的主要载体从语音、文字、图片、视频到VR等传感设备，而6G的大吞吐量、超低延时等够支撑多维感官的协同传输，使人们获得“通感”体验，包括触感、听感、视感等，可应用到医疗健康、教育培训、文娱等多个领域。

二、应用典型业务场景

通过对6G技术趋势的分析可知，6G未来的场景应用价值主要体现在数据的广泛且规模化采集、交互的实时性、获得的便捷性等，从而获得更加精准的数字化模型、更加高价值的运算结果、跨地域跨时间的体验、更加智能化的反馈与服务，实现全社会的智慧内生。正如3G、4G等信息技术把人类推向“虚拟网络世界”，5G为人类开启“万物互联”，6G等未来信息技术将把全社会推向“数字孪生”，真正实现“万物智联”。

其实，不论是孪生工厂、孪生医疗、孪生城市，其本质都是在模拟仿真技术的基础上，综合应用AI等技术，实现物理系统向信息空间数字化模型映射、监测、分析、优化、管理[11]。因此，本文重点介绍沉浸式体验与交互、孪生医疗、孪生工厂、超能交通。

（1）沉浸式体验与交互场景

沉浸式体验与交互可利用VR/AR或者全息技术实现。对于VR在线业务，通过云将内容存储及图像渲染迁移至云端，VR头显设备只需具备解码、呈现及网络接入的能力。因此，云VR大大降低了对头显设备的性能要求，有效降低头显设备成本，也将促进头显设备向轻量化发展。但目前4K VR头显的清晰度对于沉浸式体验远远不够，甚至还会让用户产生疲劳感，而提高清晰度除了对于显示技术的要求提高以外，对于带宽要求也很高；对于VR强交互业务来说，运动到成像的时延20 ms仅是不让用户产生眩晕感的最低要求[12]，能够达到10 ms则更为理想，但是由于传输损耗、影像占据网络容量大等原因，在实际应用中对于5G来说存在难度。

根据投影物体和帧率的大小，全息通信需1 Gb/s~1 Tb/s的网络带宽。而5G eMBB(增强带宽)场景提供的用户体验速率为 0.1~1 Gb/s，峰值速率为数十Gb/s[3]，很难达到甚至达不到全息通信对于高清、超高清影像的需求。为了让用户获得身临其境的感觉，全息通信要求网络必须提供小于1 ms的端到端时延[4]。

全息通信示意如图3所示。全息技术未来发展的关键趋势是全息交互，通过AI识别、传感技术等采集用户的动作等，通过交互系统分析，从而做出反馈，这对网络通信和计算能力提出了更高的要求。

（2）孪生医疗

信息技术在医疗的应用演进如图4所示，医疗数字化、智慧化发展可以分为管理数字化、医疗数字化、虚拟医院、孪生医疗4个阶段，目前我国医疗处在医疗数字化和虚拟医院之间。疫情防控期间，我国5G在远程超声波会诊、远程急救等场景得到示范应用与推广[13]。

面向未来，材料、生物电子、传感等技术将得到极大发展，传感终端可以做到纳米级别[14-15]，利用6G超广连接、超大带宽形成“体域网”，通过大量的智能传感器(>100项传感器/cm3)，可准确地进行重要器官、神经系统、呼吸系统、泌尿系统、肌肉骨骼、情绪状态等的信息采集，对人体的健康情况进行数字化映射形，实现对人体个性化健康数据的实时监控，医疗健康从“治疗”转向“预防”。

孪生医疗的可应用场景很多，并且随着生物、医学、电子、信息技术的发展应用场景将会继续丰富，目前可以预想到的有纳米机器人、数字器官、病理研究、疾病预防等。

实现纳米机器人之间的协作、实时智能化模拟与定位等，需通信技术与生物学、材料等技术的融合应用。而纳米机器人的高密度接入、纳米机器人之间的通信速率、通信可靠性与网络统一控制等也是未来6G在纳米机器人应用需要解决的问题。

数字器官是在纳米机器人/传感器的基础上，实现对人体器官的精确模拟，在数字器官的基础上可以实现对于药物研发、器官手术、解剖教学等的模拟，从而降低医学研究成本、提升手术的成功率等。为了实现对器官的完全实时模拟，未来的体域网对部署的纳米机器人数量提出了超高要求。例如当前数字化器官模型对人体心脏进行重构时切片厚度仅为10 μm，那么需要7 000～8 000个切片才可以完成重构[15]。如果把一个切片记录的信息当成一个纳米机器人负责重构的信息，那么部署在人体心脏的纳米机器人数量将是数千级别。

（3）孪生工厂

数字孪生工厂示意图如图5所示，孪生工厂将设备、人员和厂区等的相关信息采集，通过仿真、建模映射到虚拟世界，综合利用AI、边缘计算等技术，实现对生产线、人员安全、设备状态等的实时监测与控制，服务于工厂运行、管理与决策。

以制造和运维优化环节为例，数字孪生工厂将会实现真正的无人化、智能化。在研发设计端形成的虚拟产品模型，进入制造环节，生产设备自主开始运行，并基于精准识别、高精度定位等技术实现高精度加工与精准装配，尤其适用于飞机、汽车、高端装备等离散型制造业。生产加工工程中的工艺仿真在超低延时网络的驱动下，实时评估预测加工后的产品形态与质量，提前给出修改或预防建议。“数字孪生体”和真实的设备、人随时随地动态交互，共享数据，在模型驱动下自我优化，不断进化。

6G支撑工业大规模数据连接、数据实时采集、信息实时交互。相较于5G，由于引入了人工智能、区块链等技术，6G网络可以实现自主自治的智能化运维与资源分配，因此，工厂内任何需要联网的设备或手持终端都可以进行灵活组网，从而支持生产线的灵活调整与部署，主动适应制造业个性化、定制化C2B的大趋势。

（4）超能交通

交通将是未来6G应用与规模推广的关键领域，未来出行将会有无人车、个人飞行器、智慧平衡器等多种交通方式，实现“上天入地，多模态自由出行”。超能交通，即是融合物联网、6G、互联网等，应用未来通信技术实现多模态、大规模交通工具的近乎全量连接，通过“云+AI”智慧大脑进行数据的存储、分析、融合、应用，综合虚拟现实、全息通信等技术，同时提供开放式的接入与应用能力，为城市交通及刑侦、社会运行等创造价值。

超能交通架构示意图如图6所示，超能交通将贯穿“空－海(含海底)－路”，形成泛在的网络连接与感知体系，通过对大量数据的融汇、分析、决策，不仅可实现路况的智能巡查、自主自优化，服务人们的出行与娱乐，还可以更大规模、更深层次地服务于应急抢险、警情调度、刑侦工作等。

三、6G应用性能需求及展望

6G所面向的场景相较于5G复杂化、多样化程度大幅提升，对于6G的带宽、延时、连接密度以及灵活性等都提出了更高的要求，总结不同场景下对于6G网络的性能需求如表3所示。

通过对6G技术趋势研判和典型应用场景的分析，可知未来6G将带来全新的技术视角、颠覆性的技术创新、全域全时全景的技术应用、广泛深入的技术融合。

(1) 全新的技术视角

相较于5G，6G技术不仅仅是网络性能上的大幅提升，还有由于与区块链、人工智能等技术融合而带来的网络治理模式、网络架构、应用接入模式等方面的颠覆，以及跨越空间的万物互联。例如，5G对于网络资源的目标是“按需分配”，而6G则是“自主自治”。这些改变将为技术界、业务界带来全新的视角，在此基础上技术融合、应用创新演变进化，挖掘新的需求，从而颠覆原先的认知。

(2) 颠覆性的技术创新

6G技术不仅需要在5G基础上创新，而且需要对全新的智能网络等方面进行新的研究，其中轨道角动量等技术研究尚在起步阶段。另外，虽然无线空口技术也在5G相关技术中进行研发，但并未取得突破性的成果，而若要真正实现6G愿景，则需要进行突破性创新。6G关键技术如图7所示[2]。

(3) 全域全时全景的技术应用

6G网络目标是“空－天－地－海”的全域覆盖，提供实时传输与反馈，同时拥有高密度的设备连接能力，能够实现针对全域、某个区域、某个个体的“全景”画像，基于“全域全时全景”的网络覆盖、数据采集、数据分析，实现更多维度、更高水平的技术应用，推动实现人类社会迈入数字孪生、智慧内生、泛在自由的时代。

(4) 广泛深入的技术融合

网络覆盖上，未来空-天-地-海一体化覆盖网络将由具备不同功能、位于不同高度的卫星、高空平台、近地通信平台以及陆地和海洋等多种网络节点实现互联互通，相互取长补短、优势互补，形成一个以地面蜂窝网络为基础，多种非地面通信为重要补充的立体广域覆盖通信网络，实现同一终端在地面、空中、海面各个区域的无缝漫游，为各类用户提供多样化的应用和服务。技术架构上，6G引入了区块链、AI等技术，直接融合到网络架构本身，形成分布式的、智能内生的网络架构。应用上，全息技术、XR、AI、云、仿真等多种技术在多行业多场景融合创新，将形成新业态、新模式。

参考文献（滑动阅览）

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