6G总体愿景与潜在关键技术白皮书.pdf
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1、2一、6G总体愿景二、6G发展的宏观驱动力三、6G潜在应用场景四、6G潜在关键技术五、对6G发展的几点思考缩略语简表参考资料主要贡献单位P1P3P6P14P24P26P28P29IMT-2030(6G)推进组于2019年6月由中国工业和信息化部推动成立,组织架构基于原IMT-2020(5G)推进组,成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第六代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。PB1随着5G大规模商用,全球业界已开启对下一代移动通信技术(6G)的研究探索。面向2030年及未来,人类社会将进入智能化时代,社会服务均衡化、高端化,社会治
2、理科学化、精准化,社会发展绿色化、节能化将成为未来社会的发展趋势。从移动互联,到万物互联,再到万物智联,6G将实现从服务于人、人与物,到支撑智能体高效联接的跃迁,通过人机物智能互联、协同共生,满足经济社会高质量发展需求,服务智慧化生产与生活,推动构建普惠智能的人类社会。在数学、物理、材料、生物等多类基础学科的创新驱动下,6G将与先进计算、大图1 6G总体愿景图数据、人工智能、区块链等信息技术交叉融合,实现通信与感知、计算、控制的深度耦合,成为服务生活、赋能生产、绿色发展的基本要素。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,随时随地满足安全可靠的“人机物”无限连接需求。6G
3、将提供完全沉浸式交互场景,支持精确的空间互动,满足人类在多重感官、甚至情感和意识层面的联通交互,通信感知和普惠智能不仅提升传统通信能力,也将助力实现真实环境中物理实体的数字化和智能化,极大提升信息通信服务质量。一6G总体愿景26G将构建人机物智慧互联、智能体高效互通的新型网络,在大幅提升网络能力的基础上,具备智慧内生、多维感知、数字孪生、安全内生等新功能。6G将实现物理世界人与人、人与物、物与物的高效智能互联,打造泛在精细、实时可信、有机整合的数字世界,实时精确地反映和预测物理世界的真实状态,助力人类走进人机物智慧互联、虚拟与现实深度融合的全新时代,最终实现“万物智联、数字孪生”的美好愿景。3
4、到2030年,社会服务均衡化、高端化,社会治理科学化、精细化等发展需求将驱动6G为人类社会提供全域覆盖、虚实共生的联接能力;技术产业的突破创新、生产方式的转型升级将驱动6G向跨界协同、细智高精的方向迈进,成为推动经济增长的新引擎;环境可持续发展以及应对重大突发性事件的需求将推动6G构筑起横跨天地的网络连接,实现从人口覆盖走向地理全覆盖。(一)社会结构变革驱动力收入结构失衡要求数字技术提升普惠包容。当今社会,世界贫富差距不断拉大,潜藏巨大经济社会风险。国际电信联盟提出,要利用信息通信技术促进实现联合国可持续发展目标。大数据、人工智能、全息感知等技术将有效助力在教育、医疗、金融等多方面普惠扶贫措施
5、的落地,是应对世界收入失衡挑战、助力各群体协同发展、全面提升人类福祉的强大工具。与此同时,全球中产阶级将从2009年近18亿增长到2030年50亿,中产阶级规模扩大推动高品质智慧服务加速普及。全息视频、3D视频、感官互联等应用使生活娱乐方式不再受时间和地点的限制,大大提升人们以自我需求为中心的智能生活以及深度沉浸的全息体验。新一代数字技术将极大地满足人们个性化、高端化的生活需求。人口结构失衡呼唤数字技术提升人力资本及配置效率。当前,全球面临日益严峻的人口年龄结构问题,发达国家正经历老龄化、少子化的严峻挑战,新兴经济体在享受人口红利后,也深陷人口数量放缓和经济稳定增长之间的矛盾。据联合国统计数据
6、,过去七十年间全世界65岁及以上老年人口的比例从5.1%增长到 9.1%,世界总和生育率(TFR)从5.05降至2.45。到2030年,全球人口数量将达到85亿,其中65岁以上的老年人将达到10亿2,届时人类社会将进入老龄化时代,直接导致劳动力供给下降。在新一代产业革命与科技变革的驱动下,经济发展将更多依靠人力资本要素而非劳动力绝对数量。一方面,通过智能化技术与工具的创新运用,将实现对劳动力的智能替代和生产效率的有效提升,全面发展的智能劳动力将会弥补人力不足,无人生产线、无人工厂等一批无人化应用将获得推广普及。另一方面,6G技术通过服务不同群体差异化的需求,将激发在教育、医疗、文娱等领域的革命
7、性创新,促进全球人力资本的提升。社会治理结构变化倒逼社会治理能力现代化。未来社会治理主体将进一步多元化,随着社会治理创新能量的逐步释放,企业、个体等社会力量将通过开放数据资源和生态被激活,政府逐渐不再是社会治理的唯一主导和执二6G发展的宏观驱动力4行者,社会治理容量将大大提升。同时治理架构和治理过程将更加扁平化,社会治理体制机制与信息技术手段相互融合、适配,社会管理服务体系呈现全要素网格化发展态势,原有信息传递规则被打破,信息和数据由单中心传播向多中心传播转变,社会治理场景的动态性、复杂性和不可预知性极大增加。在未来更加多元化、扁平化的社会治理结构下实现治理的科学化和精准化,需要通过数字孪生赋
8、能社会治理,打破不同领域壁垒、打通不同层级的信息边界,通过虚拟镜像还原物理空间,利用人工智能等技术实时模拟复杂社会事件和动态变化,对科学精准的决策制定和动态实时的事件响应提供有效支撑。(二)经济高质量发展驱动力经济可持续发展需要新技术注入新动能。2008年全球金融危机后,主要经济体全要素生产增长率多年下降,全球经济增长持续放缓,亟需新的技术产业注入新动能,点燃经济持续发展的新引擎。突破传统经济增长范式,推动生产方式向更高质量、更加智能方向转变,是世界经济实现高质量发展的必由之路。到2030年,劳动力主要参与者将不再局限于人与机器,人、机、物都将成为生产者,共同主导跨界协同生产,高精度、高可靠、
9、准实时的信息传输在各类软硬件设备上无缝互通,机、物将具备对人类情感、思想、心理状态等的智能交互感知能力并能开展跨空间的劳动协作。无人生产或人-机-物协同生产,以及与大数据、云计算、数字孪生等技术的集成运用,将推动产业全智能化转型,进一步提高生产创新力。服务的全球化趋势要求进一步降低全方位信息沟通成本。全球化是经济发展的助推器,通过全球性的分工协作带来更低的成本和更高的效率。工业革命以来,生产制造和运输物流效率大幅提升,国际分工从最终产品生产转向产品生产中间环节,中间品贸易和大型跨国公司兴起。近年来,新一代信息技术快速发展,使得信息和知识传播的成本持续下降,数据流成为物资流、技术流、资金流和人才
10、流的重要牵引,平台成为集聚资源、推动协同、提升效率、构筑生态的重要组织形式,国际分工从物理世界延伸至数字世界。未来数字孪生、全息感知、沉浸式交互等新一代数字技术快速发展将进一步降低人与人、人与机、人与物之间的沟通成本,国际贸易将从货物转向服务、从现实转向虚拟发展,助力国际分工更加协调、产业分布更加合理、生产效率进一步提高。(三)环境可持续发展驱动力降低碳排放、推动“碳中和”要求提升能效、实现绿色发展。一是对6G绿色节能提出新的发展要求。2020年9月,中国宣布力争二氧化碳排放于2030年前达到峰值,2060年努力实现碳中和。截至目前,全球已有120多个国家和地区提出碳中和目标,对未来6G等移动
11、通信设施提出更高的能效要5求,加速推动产业的节能和绿色化改造。二是高耗能行业的绿色低碳转型亟需6G提供更加精准、高效的数字化管理能力。如电力领域,智能电网的运行态势监测、应急指挥调度等功能要求6G提供更安全、更可靠、更高效的感知和分析能力,助力电力系统提效;建筑领域,“装配式”建筑工厂推广、智能制造质量管控与安全监管等要求6G提供更完善的数字化设计体系和人机智能交互能力;工业领域,工厂需借助6G高速率、海量连接的优势推进工业生产全流程动态优化和精准决策,助力工业企业节能减排。极端天气、疫情等重大事件驱动建立更广泛的感知能力和更密切的智能协同能力。一是全球极端气候变化等“绿天鹅”事件频发,催生环
12、境实时精准感知体系和高智能协同调度系统。根据世界气象组织2020全球气候状况报告,2020年是有记录以来三个最暖年份之一,洪水、飓风、火灾等给相关国家造成数百亿美元的损失。为更好地满足全方位生态保护、环境可持续发展监测的需求,通信网络要具备超越陆地、跨越海洋的连接能力,使分布在高山、雨林、草原中的传感器智能连接,实现环境生态预防、监测、保护、救援等管理闭环。二是全球蔓延的疫情等重大突发性事件需要跨地区共同应对,对区域协同和资源调度能力提出更高要求。未来为更好地应对重大突发性事件,提高资源利用效率,亟需6G为代表的移动通信技术进一步发挥地海空天全覆盖优势,以更加普惠智能、高效的跨区域协同方式,实
13、现社会资源的密切协同和灵活调度,助力更大范围的密集性动员。6面向2030年及未来,6G网络将助力实现真实物理世界与虚拟数字世界的深度融合,构建万物智联、数字孪生的全新世界。沉浸式云XR、全息通信、感官互联、智慧交互、通信感知、普惠智能、数字孪生、全域覆盖等全新业务在人民生活、社会生产、公共服务等领域的广泛深入应用,将更好支撑经济高质量发展需求,进一步实现社会治理精准化、公共服务高效化、人民生活多样化,推动在更高层次上践行人民为中心的发展理念,满足人们精神和物质的全方位需求,持续提升人民群众的获得感、幸福感和安全感。(一)沉浸式云XR:虚拟空间的广阔天地扩展现实(XR)是虚拟现实(VR)、增强现
14、实(AR)、混合现实(MR)等的图2 沉浸式云XR:虚拟空间的广阔天地1 Motion-to-Photons 头动响应。MTP时延即从用户运动开始到相应画面显示到屏幕上所花的时间。统称。云化XR技术中的内容上云、渲染上云、空间计算上云等将显著降低XR终端设备的计算负荷和能耗,摆脱了线缆的束缚,XR终端设备将变得更轻便、更沉浸、更智能、更利于商业化。面向2030年及未来,网络及XR终端能力的提升将推动XR技术进入全面沉浸化时代。云化XR系统将与新一代网络、云计算、大数据、人工智能等技术相结合,赋能于商贸创意、工业生产、文化娱乐、教育培训、医疗健康等领域,助力各行业的数字化转型。未来云化XR系统将
15、实现用户和环境的语音交互、手势交互、头部交互、眼球交互等复杂业务,需要在相对确定的系统环境下,满足超低时延与超高带宽才能为用户带来极致体验。现有的云VR系统对MTP1时延三6G潜在应用场景67图3 全息通信:身临其境的极致体验(二)全息通信:身临其境的极致体验随着无线网络能力、高分辨率渲染及终端显示设备的不断发展,未来的全息信息传递将通过自然逼真的视觉还原,实现人、物及其周边环境的三维动态交互,极大满足人类对于人与人、人与物、人与环境之间的沟通需求。未来全息通信将广泛应用于文化娱乐、医疗健康、教育、社会生产等众多领域,使人们不受时间、空间的限制,打通虚拟场景与真实场景的界限,使用户享受身临其境
16、般的极致沉浸感体验。但同时,全息通信将对信息通信系统提出更高要求,在实现大尺寸、高分辨率的全息显示方面,实时的交互式全息显示需要足够快的全息图像传输能力和强大的空间三维显示能力。以传送原始像素尺寸为1920108050的3D目标数据为例3,RGB数据为24 bit,刷新频率60 fps,需要峰值吞吐量约为149.3 Gbps,按照压缩比100计算,平均吞吐量需求约为1.5 Gbps。由于用户在全方位、多角度的全息交互中需要同时承载上千个并发数据流,由此推断用户吞吐量则需要至少达到Tbps量级。对于全息通信应用于“数字人”的靶向治疗、远程显微手术等特殊场景,由于信息的丢失意味着系统可靠性的降低,
17、且为满足时延要求,传输的数据通常不可以选择重传,所以要求数据传输具有超高安全性和可靠性。的要求不高于20ms,而现有端到端时延则达到了70ms。面向2030年及未来,基于云化XR的总时延将至少低于10ms。根据虚拟现实产业推进会测算,虚拟现实用户体验要达到完全沉浸水平,角分辨率需达60 ppd,帧率不低于120 Hz,视场角不低于130,每像素12 bit,且能够在一定程度上消解调焦冲突引发的眩晕感,按压缩比100计算,吞吐量需求约为3.8 Gbps。8(三)感官互联:多维感官的交融响应视觉和听觉一直是人与人之间传递信息的两种基本手段,除视觉和听觉外,触觉、嗅觉和味觉等其它感官也在日常生活中发
18、挥着重要作用。面向2030年及未来,更多感官信息的有效传输将成为通信手段的一部分,感官互联可能会成为未来主流的通信方式,广泛应用于医疗健康、技能学习、娱乐生活、道路交通、办公生产和情感交互等领域。畅想未来,远隔重洋的家庭成员或许不再为见面而跨越大半个地球,通过感官互联设备将会让他们感受到一个拥抱、一次握手的温度;坐在家中便可漫步马尔代夫海滩,体验沙子滑落指间和海风沁人心脾的感觉。图4 感官互联:多维感官的交融响应为了支撑感官互联的实现,需要保证触觉、听觉、视觉等不同感官信息传输的一致性与协调性,毫秒级的时延将为用户提供较好的连接体验。触觉的反馈信息与身体的姿态和相对位置息息相关,对于定位精度将
19、提出较高要求。在多维感官信息协同传输的要求下,网络传送的最大吞吐量预计将成倍提升。安全方面,由于感官互联是多种感官相互合作的通信形式,为保护用户的隐私,通信的安全性必须得到更有力的保障,以防止侵权事件的发生。感官数字化表征方面,各种感觉都具有独特的描述维度和描述方式,需要研究并统一其单独和联合的编译码方式,使得各种感觉都能够被有效地表示。89(四)智慧交互:情感思维的互通互动 依托未来6G移动通信网络,有望在情感交互和脑机交互(脑机接口)等全新研究方向上取得突破性进展。具有感知能力、认知能力、甚至会思考的智能体将彻底取代传统智能交互设备,人与智能体之间的支配和被支配关系将开始向着有情感、有温度
20、、更加平等的类人交互转化。具有情感交互能力的智能系统可以通过语音对话或面部表情识别等监测到用户的心理、情感状态,及时调节用户情绪以避免健康隐患;通过心念或大脑来操纵机器,让机器替代人类身体的一些机能,可以弥补残障人士的生图5 智慧交互:情感思维的互通互动理缺陷、保持高效的工作状态、短时间内学习大量知识和技能、实现“无损”的大脑信息传输等。在智慧交互场景中,智能体将产生主动的智慧交互行为,同时可以实现情感判断与反馈智能,因此,数据处理量将会大幅增加。为了实现智能体对于人类的实时交互与反馈,传输时延要小于1ms4,用户体验速率将大于10Gbps5;6G智慧交互应用场景,将融合语音、人脸、手势、生理
21、信号等多种信息,人类思维理解、情境理解能力也将更加完善,可靠性指标需要进一步提高到99.99999%6。10(五)通信感知:融合通信的功能拓展未来6G网络将可以利用通信信号实现对目标的检测、定位、识别、成像等感知功能,无线通信系统将可以利用感知功能获取周边环境信息,智能精确地分配通信资源,挖掘潜在通信能力,增强用户体验。毫米波或太赫兹等更高频段的使用将加强对环境和周围信息的获取,进一步提升未来无线系统的性能,并助力完成环境中的实体数字虚拟化,催生更多的应用场景。6G将利用无线通信信号提供实时感知功能,获取环境的实际信息,并且利用先进的算法、边缘计算和AI能力来生成超高图 6 通信感知:融合通信
22、的功能拓展分辨率的图像,在完成环境重构的同时,实现厘米级的定位精度,从而实现构筑虚拟城市、智慧城市的愿景。基于无线信号构建的传感网络可以代替易受光和云层影响的激光雷达和摄像机,获得全天候的高传感分辨率和检测概率,实现通过感知来细分行人、自行车和婴儿车等周围环境物体。为实现机器人之间的协作、无接触手势操控、人体动作识别等应用,需要达到毫米级的方位感知精度,精确感知用户的运动状态,实现为用户提供高精度实时感知服务的目的。此外,环境污染源、空气含量监测和颗粒物(如PM2.5)成分分析等也可以通过更高频段的感知来实现。1011图 7 普惠智能:无处不在的智慧内核(六)普惠智能:无处不在的智慧内核到20
23、30年,越来越多的个人和家用设备、各种城市传感器、无人驾驶车辆、智能机器人等都将成为新型智能终端。不同于传统的智能手机,这些新型终端不仅可以支持高速数据传输,还可以实现不同类型智能设备间的协作与学习。可以想象,未来整个社会通过6G网络连接起来的设备数量将到达万亿级,这些智能体设备通过不断的学习、交流、合作和竞争,可以实现对物理世界运行及发展的超高效率模拟和预测,并给出最优决策。在网络运维方面,AI智能体将把数据转化为信息,从实战中学习积累知识和经验,提供数据分析和决策建议,支撑海量数据处理和零延迟智能控制,并且根据感知到的环境变化对网络中心和边缘进行负载调整和协调,处理接入和突发传输请求。在未
24、来的智能工厂中,大量用于生产的协作机器人可以通过智能体实现信息的交互与学习,不断更新自身模型,优化制造流程。6G的智能设计还可以为无人机集群、智能机器人等无人系统提供实时动作策略,让无人终端高效、精准地利用资源,实现高效控制与高精度定位。图像、语音、温度等数据也可以用于智能学习与协作,AI将把局部数据连接起来,在特定环境下实现不同智能终端之间可靠、低时延的通信和协作,并且通过大数据不断学习持续提升工作效率和准确性。AI应用的本质就是通过不断增强的算力对大数据中蕴含的价值进行充分挖掘与持续学习的过程,从6G时代开始,网络自学习、自运行、自维护都将构建在AI和机器学习能力之上。网络自身就像一个“棋
25、圣”,能够从容应对各种实时的变化。6G网络将12图 8 数字孪生:物理世界的数字镜像通过不断的自主学习和设备间协作,持续为整个社会赋能赋智,真正做到学习无处不在,永远学习和永远更新,把AI的服务和应用推到每个终端用户,让实时、可靠的AI智能成为每个人、每个家庭、每个行业的忠实伙伴,实现真正的普惠智能。(七)数字孪生:物理世界的数字镜像随着感知、通信和人工智能技术的不断发展,物理世界中的实体或过程将在数字世界中得到数字化镜像复制,人与人、人与物、物与物之间可以凭借数字世界中的映射实现智能交互。通过在数字世界挖掘丰富的历史和实时数据,借助先进的算法模型产生感知和认知智能,数字世界能够对物理实体或者
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