6G频谱——2030年之后的未来移动生活

内容 4612151822作者 25参考文献 23进一步阅读 24引言3结论202030年及以后的预期生活方式6G应用案例及其频谱影响7-15 GHz厘米波段的的重要性互补的亚太赫兹频段（92-300 GHz）在特定场景中的作用通往6G频谱之路术语表 引言 5G 仍处于早期阶段，其发展速度甚至超过了之前的移动通信代际。尽管在世界的许多地区还有多波次的部署和升级尚未发生，但信息通信技术行业、学术界和标准化机构已经开始了对新技术的讨论和投资，以推动超越5G和5G-Advanced迈向6G的无限无线可能性的下一代。爱立信认为，未来的网络将是虚拟化人类、社会和工业各个领域的根本组成部分，满足人类以及智能机器的通信需求。为了实现由6G支持的未来网络愿景并发挥其全部潜力，需要确保及时频谱可用性。本白皮书重点关注频谱在释放6G全部潜力中的作用、现有频谱的重要性以及新增频谱的需求以及考虑适当的授权机制的需要。 2030年及以后的预期生活方式 到2030年，5G技术已经塑造了行业和社会10年时间。将出现新的应用和服务，并从5G部署中汲取经验教训。5G是一项革命性技术，它使得机器之间以及与人类之间能够相互通信，预计6G将继续带来一场革命，将数字世界和物理世界相结合。 爱立信已开始探索2030年及以后的生活将如何呈现，以及网络将如何实现这一愿景，并研究使其成为可能的技术组件。预计到2030年，首批6G网络将得到部署，一些预期的应用场景将变为现实。随着6G技术的演进，将会有更加复杂的用例出现。 如白皮书《6G —— 连接一个网络物理世界》中提到[1]，2030年的社会预计将围绕日益先进的技术实现转型，在这些技术中网络担当着通信和信息骨干的角色，使得通信可以在任何地点和任何时间进行。 未来6G网络将为沉浸式、普遍存在和感知式的数字体验开启新的技术可能性。当6G应用在规模上部署时，将彻底改变人们的生活方式。感官互联网具有极大潜力，可以极大地减少 工作、休闲、教育或医疗保健所需的旅行，因此极大地有助于减少温室气体排放，产生巨大的社会影响。 数字感官体验通过减少产品和服务的物质化，从而减少碳足迹。此外，先进的增强现实（XR）和全息通信将使医疗、教育、工业、娱乐等领域实现新的范式转变。为所有人提供全民健康电子（e-health for all）是6G的目标之一，旨在以经济实惠的方式远程为所有人提供视频/XR医生咨询，包括偏远农村地区的人。为所有人，无论身在何处，提供沉浸式和包容性的混合学习模式是另一个具有巨大社会影响力的应用案例。 到2030年，移动网络将支持新的智能实体类型，如相互交流的由人工智能驱动的智能机器。协作机器人或协作型机器人是一个关键用例。 互联互通的可持续世界 数字化且可编程的物理世界 在最大化当前和未来移动网络带来的积极影响的同时，最大限度地减少ICT行业的环境足迹至关重要。 6G的发展之路并非一帆风顺，它将通过多年的持续学习5G的演进过程以及探索突破性新技术，以应对具有前瞻性的用例来形成。为了应对未来的挑战，6G需要不断突破5G的技术限制，迈向沉浸式通信和无处不在的物联网（IoT）。此外，还应该探索全新的能力维度，整合计算服务，并超越通信功能，提供空间和时间数据等功能。6G的技术路径如图2所示。沉浸式 6G应用案例及其频谱影响 6G将服务于广泛的用例。显然，移动宽带将继续是一个重要的用例。2023年11月的爱立信移动性报告[2] 表明移动网络数据流量持续攀升。预计未来多年流量将呈指数级增长，因此，即使在考虑新的应用场景之前，高效支持这一流量增长对于6G网络也至关重要，这意味着需要额外的频谱。 当涉及到如全息通信等新的应用案例时，即使是看似 modest的要求也将显著推动对额外频谱的需求。大多数应用将需要室外和室内移动性，尽管 Wi-Fi 和其他室内解决方案预计将在部分缓解室内流量方面发挥重要作用，但移动网络仍然是实现广域移动性和确保在封闭环境中内外延迟低的关键。例如，如果只有家庭环境才能启用，大规模的元宇宙和全息应用案例将带来什么价值？因此，必须提供适合广域覆盖的频谱。 为了评估全息通信所需的频谱量，必须考虑到所需的高数据传输率。数据传输需求是由将捕获到的从不同角度的多个高分辨率图像进行编码的需求所驱动的，这些图像需要以低延迟进行编码，以实现逼真的观看体验并减少运动病。低延迟的要求限制了视频编码的可能性，从而对所需的数据传输率提出了进一步的要求。一个常见的估计是，对于单个用户的上行链路和下行链路，分别需要支持100 Mbit/s和1 Gbit/s的数据传输率，以实现高分辨率的全息通信 [3]. 不仅从数据速率的角度来看，全息通信要求较高，而且在容量方面也更具挑战性。在用户密度为0.004用户/m²的广域城市环境中，这将在下行链路中将转化为1.6 Mbit/s/m²，假设有60%的流量被卸载到Wi-Fi。在一个相对密集的三个扇区网络中，站点间距离为200米，这将在每个站点转化为55 Gbit/s。假设每个扇区的下行链路频谱效率为7.8 bit/s/Hz（注意，尽管IMT-2030/6G在一般情况下预计将比IMT-2020/5G拥有更高的频谱效率，但全息通信的延迟要求是一个限制因素），这转化为大约2.4 GHz的频谱，适用于广域覆盖。随着时间的推移，逼真的全息通信将与多感官扩展相结合，如触觉、味觉和嗅觉，以超越视听，实现五官互联网的愿景。这将进一步推动需要处理的数据量。显然，这些数字取决于所做出的假设，但未来全息通信和五官互联网仍将需要大量适用于广域覆盖的频谱这一事实依然成立。 巨大的数字孪生是广域频谱的又一驱动因素。诸如智能城市等数字孪生应用将需要提供良好容量的广域频谱。例如，构建一个城市的高精度4D数字地图需要收集城市建筑、车辆、道路、交通状况、水资源管理、卫生、垃圾收集和电力服务等方面的数据和信息的收集，仅举几个例子而已。 尽管每个传感器在许多情况下的数据速率适中，但传感器数量的巨大使得聚合数据速率面临挑战。例如，假设每个传感器的数据速率为15 kbit/s，传感器密度为10个传感器/m²，则需要150 kbit/s/m²。在非常密集的城区部署中期望获得数字孪生的访问，但在预期光谱效率较低的郊区地区也是如此。鉴于与该用例连接的UL-heavy流量，站点间距离为500 m，上行链路光谱效率为11 bit/s/Hz（大约是5G的两倍），为通信目的需要约300 MHz的广域频谱。此外，在此情况下，具体数字取决于所做的假设——例如，上面的假设中没有视频或其他高数据速率传感器——但很明显，需要相当数量的广域频谱。 基于无线电的传感，即类似雷达的操作，除了上述讨论的传感器外，还可以为数字孪生提供输入。例如，位于街道交叉口的基础站可以用来估算车辆的方位或速度，以协助交通安全应用。如果需要0.5米的范围分辨率，至少需要300兆赫的带宽。 频谱需求对于大规模数字孪生和基于无线电的感知而言，除了由全息通信所激发的需求之外，它们还是由不同用户不协调使用的用例。这导致总共大约3 GHz的广域频谱。 此外，除了需要广域覆盖的使用案例外，还有一些使用案例对于局部区域覆盖是足够的。例如，工厂和医院中的专业高分辨率全息通信，数据中心中计算单元的无线连接，或者室内移动宽带。所需的数据速率因使用案例而异，但可能容易达到约100 Gbit/s，表明在这种局部场景中需要大约10-15 GHz的频谱，以补充广域频谱。 最后，值得注意的是，本节中讨论的使用案例并非详尽无遗，而是在现有服务（如传统移动宽带、固定无线接入和增强现实/虚拟现实（AR/VR）等）持续增长的基础上，增加了新的使用案例。 无可争议的额外频谱需求 5G技术近年来在当地监管机构中引起了广泛关注，这些机构已做出努力，在低频段、中频段和高频段范围内分配频谱。全球5G部署的程度有所不同，部分原因在于频谱分配的速度不一。预计到2030年，所有这些范围内的足够频谱将被释放，以充分发挥5G及其演进（5G-Advanced）的潜力。 低频段频谱或低于1 GHz的频谱，特别是600 MHz和700 MHz范围内的频谱，为移动网络提供基本覆盖层。这是唯一能够覆盖偏远和深山农村地区的频谱，有助于弥合数字鸿沟，并将平等机会带给社会的各个部分。通过智能农业实现农村地区数字化以实现净零排放目标也需使用低于1 GHz的频谱。此外，在移动中的任何地方（例如，乡村道路）实现连接（例如，乡村道路）只能通过足够该频段的频谱才能实现。低于1 GHz的频谱不仅对农村地区至关重要，对于密集区域（例如，地下室）的深室内覆盖也同样重要。由于该频段具有大传播特性，全国性的移动许可证代表最合适的授权制度。 在毫米波频段或高波段范围内，例如26/28 GHz或40 GHz，另一方面，使得在局部密集环境中实现高容量，同时满足企业所需的极低延迟和高可靠性。全球范围内，这一频段的分配从全国范围到局部区域连接（不同大小区域）均有不同。值得注意的是，尽管部署并不严格要求全国性许可，但此类授权制度确实带来好处，例如在投资和灵活性方面，能够在国内根据需要部署。 中频段频谱介于这些范围之间，在容量和覆盖之间提供了平衡，因此对于经济高效的广域网络至关重要。它包括现有的3.3-4.2 GHz和4.4-5 GHz频段，未来还将包括6.425-7.125 GHz频段。事实上，这一频段已经成为全球范围内5G分配最多的频段，这可以从支持它的设备数量中看出。在这个频段内拥有足够的频谱对于实现移动宽带的数据持续增长和在包括5G时代的室内外城市区域引入XR技术至关重要。设备可用性已经蓬勃发展，以下是一些例子：Apple Vision Pro、Meta的Quest 3、Meta的雷朋眼镜、Varjo XR4等。值得注意的是，设备尺寸的减小将使用户能够在广阔的区域佩戴它们。到2030年，爱立信预计用户将能够全天体验XR，届时XR设备将作为我们所有通信的主要设备，类似于今天的智能手机。这一频段对于解决主要道路上的容量需求以及将固定连接带给无法通过光纤到达的小镇和村庄，提高社会包容性也至关重要。这一频段内的授权制度必须允许广域部署（例如，通过全国范围内的许可）。此外，这一频谱还有助于满足企业需求，例如，通过移动网络运营商（MNOs）。 到2030年部署的网络预计将受益于更高效频谱的技术，因此将根据市场需求逐步迁移到6G。这是当今的常见做法，预计这种情况将持续发生。作为第二步，通信服务提供商可以将密集化与获取额外的频谱相结合，以扩大其部署范围，包括宏细胞和小细胞，具体取决于每个场景的需求。不同频谱的适当数量的可用性 在恰当的时间进行范围扩展对于一个国家在连接性方面取得成功至关重要，因此国家监管机构发挥着至关重要的作用。 即使到2030年，低、中、高频段可用的频谱按照市场需求被5G和6G技术使用，鉴于频谱法规是技术中立的，这仍不足以实现5G（5G-Advanced）的增强以及6G的愿景。图5展示了从现在到2030年的频谱时间线。 根据上述计算，仅一套6G用例就需要大约3 GHz的广域频谱。即使在最佳情况下，这也远远低于2030年将可提供的广域频谱总量。在每个国家中可用的频谱数量及其确切范围，允许在覆盖范围和容量之间实现最佳平衡（即，成本效益最高的广域部署），在世界各地差异很大，但即使考虑将所有可能的可用的中频段至移动网络运营商/服务提供商的频谱全部用于交付这些6G用例，也发现频谱短缺。 图6显示了先前计算出的频谱需求，今天中频段范围内的可用频谱，以及到2030年该范围内可能的最大可用频谱，针对多个国家。假设一个简化计算，其中所有这些频谱都将用于解决这6个应用场景，所有市场都将出现短缺。今天中频谱的可用性介于700 MHz至1 GHz之间，而到2030年该范围内可能的最大可用频谱在包括在图中的市场中介于800 MHz至1.5 GHz之间。这转化为在最乐观的频谱可用性假设下，考虑到2030年的情况下，所考虑的6G应用场景频谱短