日本NTT DOCOMO的5G演进和6G规划

日本NTT DOCOMO在2020年1月发布《5G Evolution and 6G White Paper》报告，内容包括 5G演进的思考、6G时代的世界观、6G需求和用例、6G技术研究领域 。 本文翻译相关部分内容，供国内同行参考。

文|吴冬升

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5G演进的思考

图1显示了5G当前面临的技术挑战。5G毫米波技术还有很大的提升空间，例如，改善非视距（NLOS）环境中的覆盖范围和上行链路性能。另外，5G技术需要进一步增强以灵活地满足工业用例中的广泛需求。

图1 5G现实问题的技术挑战

随着大数据和人工智能的普及，人们对信息物理世界融合的兴趣越来越高。如图2所示：①将人、事物和事件转化为信息（数量大/种类多/实时），②获取/积累数据（复制物理世界/数字孪生），③预测未来/发现知识（将数据转化为价值的数据分析），④驱动（对物质世界的价值反馈）。

人工智能在信息世界中再现现实世界，并超越现实世界的约束进行模拟，从而发现“预测未来”和“新知识”。

无线通信在这种信息物理世界融合中的作用，包括物理世界图像和传感信息的高容量和低延迟传输，以及通过高可靠性和低延迟控制信令向物理世界反馈。类比人类，信息物理世界融合中的无线通信对应于人的神经系统。神经系统在大脑（即AI）和每个器官（即设备，如眼睛和四肢）之间传输信息。因此，很容易想象进入大脑的信息量（对应上行链路）以压倒性的速度增加。

图2 网络物理融合与无线通信

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6G时代的世界观

图3 6G时代的世界观

（1）解决社会问题

预计20世纪20年代，高速低延迟通信网络将为地区创新、低出生率、老龄化和劳动力短缺等社会问题提供远程工作、远程控制、远程医疗、远程教育和包括汽车在内的各种设备自动化操作等各种解决方案。

在21世纪30年代，世界有望成为一个所有人、信息和商品都可以在超现实体验中随时随地访问的地方，工作地点和时间的限制将完全消除。这将极大地消除农村和城市地区之间的社会和文化差异，避免人口在城市集中，并促进地方发展。它还可以让人们的生活更轻松。

（2）人与物之间的通信

包括XR（VR、AR、MR）设备在内的可穿戴设备的高级功能、超过8K的高清图像和全息图，以及包括触觉在内的新型五感通信（传输视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉信息）将激增，人与人、人与物之间的通信将变得超真实和丰富。因此，将为游戏、观看体育赛事等提供创新的不受时间和地点限制的娱乐服务和企业服务。

通过物联网服务的快速普及和发展，物联网通信需求将变得非常大。因为大型数据处理（包括高清图像）和超低延迟设备的控制将是由机器来执行，通信将需要远远超过人类能力的高速和低延迟性能。

（3）通信环境的拓展

现在，通讯与我们周围的空气一样无处不在，与电和水一样重要。随着人与物活动范围的扩大，各地都需要一个通信环境。不仅地面，天空和太空都将是不可或缺的通信区域。对海上和海底通信区域的需求也在增加。

由于各种传感器网络、无人工厂和无人建筑工地的需要，还需要在无人环境中建设通信区域。因此，地面、天空和海洋上的每个地方都将成为通信区域。

（4）信息物理世界融合的复杂性

许多利用信息物理世界融合的服务将在20世纪20年代创建，并将在所有环境中实际使用，但在21世纪30年代将需要更先进的信息物理世界融合。通过毫无延迟地在网络空间和物理空间之间传输和处理大量信息，将实现两个空间之间更紧密的合作，最终实现空间之间没有间隙的融合。

对人类来说，通过安装在人体上的可穿戴设备和微型设备，信息空间将有可能实时支持人类的思想和行动。包括汽车、工程机械、机床、监控摄像头和各种传感器在内的各种运输设备将在信息空间中连接起来。

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6G需求和用例

图4 6G无线技术的要求

（1）超高速大容量通信

利用新频段峰值数据速率>100Gbps，未来十年的容量将超过100倍 。通过进一步提高通信速度，可以实现等于或超过实际感官质量的新感官服务。预计实现这种服务的用户界面将通过眼镜型终端的发展演变为可穿戴设备。这类新的体验服务将在多个用户之间实时共享，并有望在信息空间实现虚拟体验和虚拟协作等新的同步应用。此外，考虑到行业和信息物理世界融合等趋势，需要将各种类型的实时信息传输到云和人工智能，它们是“大脑”，因此改善上行链路性能变得更加重要。

（2）极端覆盖范围扩展

无处不在的Gbps覆盖率，新的覆盖范围，例如天空（10000米）、海洋（200海里）、太空等 。未来，将致力于开发“极端覆盖扩展”，可以应用于当前移动通信系统无法覆盖的所有地方，包括天空、海洋和太空。通过这一点，人类和机器的活动环境将进一步扩大，并创造新的产业。这种扩展预计也将应用于未来的使用案例，如飞行汽车和太空旅行。

（3）极低的功耗和成本降低

价格合理的毫米波/太赫兹设备，无需电池充电的设备 。与5G一样，从业务和环境角度来看，网络和终端设备的低功耗和成本降低将是6G的重要要求。使用无线信号的电源技术也有望实现。

（4）极低延迟

E2E极低延迟<1ms，始终保持低延迟 。在信息物理世界融合中，连接人工智能和设备的无线通信类似于传输信息的人类神经系统。为了实时实现服务并实现高度交互，始终稳定的端到端（E2E）低延迟似乎是一个基本要求。具体来说，对于6G，大约1ms或更短的E2E延迟被视为目标值。例如，在机器人自动化的商店里，通过观察顾客的面部表情，可以实现类似于人类的专注响应交互式服务。

（5）极度可靠的通信

广泛使用情况下的QoS保证（高达99.99999%的可靠性），安全、私密、可靠、有弹性… 。6G预计将朝着不仅需要尽力而为的通信，而且需要质量保证的通信方向发展。无线传输高度可靠的控制信息是远程控制和工厂自动化等许多工业用例的重要要求。随着机器人和无人机的普及以及无线电覆盖范围向天空的扩展等，不仅在工厂等有限的区域，而且在更广阔的区域，可能需要高可靠性的通信。

（6）超大规模的连接和传感

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6G技术研究领域

图5 新网络拓扑的概念

在上一代，人们认为理想的做法是用六边形构建一个蜂窝网络，这样就不会相互干扰；然而，为了增加路径选择，将通过放弃如图5所示的小区概念来追求空间非正交分布网络的拓扑。这种分布式网络的拓扑结构可用于高频段、无线传感和无线电源。

另一方面，这种新的网络拓扑会发生小区间干扰，并且安装许多冗余天线。通过波束控制和路径选择可以在技术上避免干扰，但如何以低成本实现这一点仍然存在挑战。例如使用玻璃天线、反射器、传感器和通信天线的集成、终端之间的合作、类似终端的基站、一种新的光纤分布和光传输技术（该技术支持分布式网络拓扑，前程和回程技术的扩展，包括综合接入和回程（IAB）），以及仅上行链路接收节点。为了使新的网络拓扑更高效地发挥作用，使用人工智能等拓扑管理和控制技术将是一个重要因素。此外，考虑将这些网络拓扑与传统蜂窝组合似乎是必要的。

（2）覆盖范围扩展，包括非地面网络

图6 HAPS的好处和用例

为了为无人机、飞行器、舰船和空间站提供服务，需要覆盖扩展技术，因为它们的服务区域（如天空、海洋和太空）没有完全被传统蜂窝网络覆盖。

在超覆盖扩展中，通过考虑地球静止卫星（GEO）、低地球轨道卫星（LEO）和高空伪卫星（HAPS）的利用，可以覆盖山区和偏远地区、海洋和太空，并向新的地区提供通信服务。特别是，HAPS最近再次引起了人们的关注，因为它可以驻扎在海拔约20公里的固定位置上，并且可以在陆地上形成一个覆盖范围广、蜂窝半径大于50公里的区域。如图6所示，除了上面提到的广泛覆盖之外，HAPS还具有以下优点：以及时且简单的方式向便携式基站提供回程，并确保独立于陆地通信网络（公共网络）。HAPS不仅被认为是一种有效的灾难应对措施，而且对于5G evolution和6G中预期的许多行业用例也是有效的。

（3）频率扩展和频谱利用率提高

图7 扩展无线接入技术以开发新的频率和覆盖范围

在5G NR中，支持高达52.6GHz的频带，并扩展到约100GHz，以备将来发布。此外，美国联邦通信委员会建议6G应考虑使用高于5G的频率，如95GHz至3THz。在从毫米波段上部到“太赫兹”波段的这种高频波段中，即使与5G相比，也可以利用非常宽的频带，并且正在研究实现超过100Gbps的极高数据速率。然而，“太赫兹波”的问题在于，无线电波的直线特性高于毫米波，并且传播不远。射频（RF）设备技术的进步和利用是必要的。

图7显示了无线接入技术的概念，该技术考虑了高频段的发展和前述覆盖范围的扩展，包括天空、海洋和太空。虽然这些是不同的发展方向，但在覆盖和功率效率变得比频谱效率更重要的意义上，存在一些共同的技术问题。至于无线电技术，与OFDM相比，单载波的信号波形变得占主导地位，并且随着无线电技术的应用领域在未来扩大，包括IAB，无线电技术的重要性例如在功率效率方面的单载波可能会增加。

此外，当将诸如毫米波和太赫兹波段之类的新频带添加到现有频带时，与过去相比，将使用非常宽的频带。因此，有许多相关的研究领域，例如根据应用优化多个频带的选择应用，重新检查小区之间的频率复用方法，升级上行链路和下行链路中的双工方法，以及重新检查低频段的利用方法。

（4）无线传输技术的进一步发展

图8 使用采样率快于频带宽度的非正交传输

在5G中，使用多个天线单元的大规模MIMO（mMIMO）技术是关键之一，尤其是作为一种有效利用毫米波的技术。在5G演进和6G中，预计会更进一步，例如mMIMO具有更多的天线单元、更多的空间复用层，以及结合新网络拓扑的分布式天线布置。

针对OFDM技术中几乎达到香农极限的无线接入技术，研究了超奈奎斯特速率（FTN）信令，该信令使用比时域中的频率带宽更快的采样率非正交地压缩和传输信号。在考虑给定带宽内的特定传播路径时，即使使用FTN，也很难超过香农极限，但在考虑其他因素时，如峰均功率比（PAPR），FTN可能会带来好处。

此外，如图8所示，虚拟大规模VM-MIMO技术已被提出作为一种技术，用于通过单个天线实现相当于mMIMO的空间复用增益。在VM-MIMO技术中，就像在FTN中一样，接收的采样率比带宽快。天线特性以非常高的速度和周期性地变化，以生成大量虚拟天线并增加空间复用的层数。由于它不受香农极限条件的约束，因此被认为在理论上有可能获得较大的增益，尽管诸如适用条件和在实际环境中的可行性等问题仍然存在。

（5）增强URLLC和工业物联网网络

图9 公共和工业网络的叠加

在许多工业应用中，保证所需的性能水平是必要的，例如在远程控制和工厂自动化中，与公共网络的尽力而为型服务不同，针对行业网络（个人网络）的高效实现方法最近成为了一个热门话题。除了在日本讨论的“本地5G”，许多公司还参与了5G-ACIA等全球研究项目。每个行业和应用的要求都有很大的差异，虽然有些情况并不总是需要低延迟，但在很多情况下，不仅平均延迟必须很低，而且还需要稳定的低延迟。

如图9所示，公共网络和工业网络之间的网络配置和移动性考虑了各种选项，并在5G-ACIA等中进行了讨论。

（6）扩展各种无线技术的集成

图10 扩展各种无线技术的集成

与5G一样，必须继续与无线局域网等未经许可的频段无线通信进行合作。此外，还考虑了与使用无线电波以外的无线通信（如水声通信）的合作。此外，也可以设想将使用不同规范和频率的无线技术，例如许可证辅助接入（LAA）和接入链路和回程链路的综合使用，即IAB，集成到移动通信系统中。这些将有助于建立一个能够支持更广泛用例的生态系统。

（7）移动网络中无处不在的多功能化和人工智能

在信息物理世界中，图像和各种传感信息通过物联网设备传输到网络。因此，一些技术领域被考虑用人工智能来分析这些信息，并将其应用于无线电通信控制的升级，如波束控制和传播路径估计。例如，使用人工智能提高非正交多址接入（NOMA）的延迟和可靠性，或者是为了预测不断变化的环境，并始终在最佳位置自主安排可移动基站。

将无线通信的无线电波用于信息传输以外的各种应用的发展也很有希望，并考虑了定位和目标检测等传感应用、和无线电源技术（例如，能量收集）。具体而言，诸如毫米波和太赫兹波段的高频带不仅适合于高速和大容量通信，而且还适合于实现高精度定位和感测。即使在5G演进中，定位的研究也处于领先地位，预计在某些环境中可以实现误差几厘米的超高精度定位。在这里，利用人工智能技术是关键。它可以用于无线电通信系统的所有领域，并且在未来可能用于无线电接口本身的设计。

关键词： 无线通信 人工智能