诺贝尔物理学奖得主Niels Bohr曾说过:「预测并非易事,尤其这关乎未来。」而Halifax侯爵也曾表示:「当预言家最有力的条件,就是记忆力要好。」如果LTE代表长期演进技术,5G代表的就是进阶版的长期演进技术。不过,探讨有着6G的未来会是什么模样,未尝不是一件好事。

5G整合AI/射频/网路技术 6G新应用前景可期

  预测未来6G无线技术标準革新

  预测未来或许只是白忙一场,但人们还是会这么做—非做不可,因为要为未来做好準备。预测新一代无线技术是无线工程师最爱的消遣。无线技术领域相关人士预测这方面的事,或许比其他大多数领域的人士容易,因为他们可以探究标準组织的活动,深入瞭解厂商和服务供应商想达成的目标(以及旧有标準需要更改之处)。早在各标準组织开始争论这项技术之前,研究人员就已经在构思能让现行系统效能明显提升的新点子。

  在运用前五代无线技术标準的过程中,人们已经汲取了不少经验。例如无线技术标準的特定版本公布后,其中详细说明的所有功能未必会即刻或同时实施;相反地,有些功能可能还需要过一段时间才会变得实用。就5G而言,这样的说法或许更加贴切,因为5G技术範围之广,可以说是前所未有。而现行标準的弱点也将成为新一代标準的技术驱策因素,隐私和安全方面的弱点更是如此。人们或许能够预测技术趋势,但通常难以预测运用这类技术发展成果的商业模式。有时候,在用于建立标準的模拟或塬型中,新技术可能会发挥很大的作用。但是,从实验室模型扩充到商业生产与部署后,就未必能奏效,所需时间也可能长得超乎预期,如阵列天线就是一例。

  每一代无线行动标準问世的时间大约相隔10年。例如,开始部署LTE技术的时间点大约在2008年,而5G技术实现标準化的时间点则是2018年。就每一代无线技术所能解决的问题而言,範围都大于前一代。举例来说,第一代始于语音传输技术;第二代使得与机器(如贩卖机)的基本连线成为可能;第叁代开始出现高速网际网路接取功能(包括增强型网页浏览功能),而第四代则让无线成为视讯娱乐能够广泛运用的技术。人们普遍认定第五代标準的应用範围将显着扩大—诸多协同技术的发展,共同发挥更强大的作用,因此各种标準採行的新技术可能会造成超乎预期的影响。同时,高速资料传输技术的发展,再加上显示技术的进步,将资料方面的需求推得更高,因为资料是行动视讯娱乐不可或缺的要素。

  一般来说,推出一项标準的所有功能所需的时间,要比根据初期大肆宣传所预估的时间还长,不过,该标準最终会超越整体预期,这是5G标準共同呈现的趋势。第六代标準与前代不同之处在于,现在各国已经普遍认同无线标準对于国家经济健全发展与国家安全的重要性。因此,要打造6G必备的各项基础技术,就得具备更高的竞争力。

  叁大关键技术推动6G发展

  若要预测6G可能带来的影响,其中一种方法是审视现行基础与应用研究的走向。目前,若要推动6G发展,就必须具备叁项关键技术:人工智慧(AI)、先进射频和光学技术,以及网路技术。

  人工智慧

  AI已经成为许多工程学科最热门的研究领域之一,这是不争的事实。5G最大的特色是大幅提升弹性,至于6G的主要特色,或许就是运用AI技术进一步发挥这样的弹性。过去,无线研究活动使AI技术在许多领域得到应用,例如,利用神经网路和模煳逻辑、设计换手演算法。不过,基于AI技术的演算法实际应用于无线网路的情形则十分罕见。现在的情况正在有所改变。不论是学习技术(如深度学习),或是能让这类复杂演算法更加符合实务需求的新型运算架构,近期都有长足的进步,已经成为推动这股趋势的主力。无线通讯也没有错过这股趋势。图1显示6G网路可能呈现的概况,其中,在无线接取网路、核心网路和应用程式中,AI与认知技术广泛应用于每一层,也在各层联合发挥出最好的作用。这种适应性有助于提高网路的韧性,也有助于降低运作成本与维护成本。

5G整合AI/射频/网路技术 6G新应用前景可期

  图1 AI驱动的6G网路

  针对环境损害(如干扰)或电路老化/失準影响,透过认知调整使元件最佳化,对射频是有益处的。透过灵活调整数据机和通讯协定,可以加强频谱管理与解调(Demodulation),尤其是在有异质性干扰的情况下。随着频谱共用技术的产生,这是一件值得期待的事情。联合学习技术可以将每一台行动装置当成感测器,以利全面但深入地探究大範围区域内的干扰与覆盖範围问题。若运用AI找出适合的资讯路由机制,包括运用卫星或地面无线中继技术,能够发展出更完善的前传及回传网路支援机制。目前有研究探讨如何在核心网路中运用AI进行系统最佳化、协调以及维护。对抗式学习是指AI网路攻击者和AI网路防御者争相寻找漏洞与解决方案。运用对抗式学习能够持续提高整体AI-RAN的安全性。在应用程式层级,AI能够预测背景脉络以及应用程式资讯需求,也能因应预估资讯流程而预设网路参数。这是一种「预知能力」(Precognition),这个词是科幻电影「关键报告」(Minority Report)中的用语。

  射频与光学技术

  5G技术有一项关键的驱策因素,就是近年来低成本生产的毫米波(mmWave)装置以及mmWave频段中大量可用的频谱。这股趋势预计将持续下去,频率更高、更节能的装置也会不断涌现。由于美国联邦通讯委员会(FCC)在Spectrum Horizons指令中,开放95GHz到3兆赫兹(THz)範围内的THz频谱执照,以供试验之用,因此最终这股技术趋势或许能够提高THz通讯在经济层面的可行性。一个晶片就能容纳一整个相位阵列。若使用无线电力传输,这类相位阵列晶片不需要外接电源接脚就能通讯。

  另一项驱策因素是射频元件所能发挥的弹性。这类技术的一个例子就是美国国防高等研究计画署刺猬计画(DARPA HEDGEHOG)。此类技术以射频场域可程式化逻辑闸阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)为基础,制造非常小的无线电系统,这类系统的设定弹性相当高,能够涵盖从10MHz到40GHz的各种频段(表1、图2)

5G整合AI/射频/网路技术 6G新应用前景可期

5G整合AI/射频/网路技术 6G新应用前景可期

  图2 Hedgehog系统的弹性使其能够涵盖较广範围的频段

  这种弹性与AI技术协同作用,因应使用者的服务需求与射频环境而调整无线电系统。若要充分运用这类技术,就必须开发新的通讯协定。目前,单频全双工(Single-frequency Full-duplex)系统已问世,也证明了射频技术日益完善。在这类系统中,发射器和接收器以相同的频率同步运作,进而消除了频率与时间方面的双工需要,从概念上讲,可以让频谱发挥双倍效率。这类系统的运作方式是,在射频级执行干扰消除,以去除高功率传输讯号。这类技术将为第六代无线通讯提供一种更灵活的频谱管理方法。

  6G势必会突破95GHz频段,扩充到mmWave和兆赫兹频段,也包括光谱在内。在此类频率範围内,通讯通常是短距离的,但装置可以十分迷你,能够支援超大规模多重输入多重输出(Ultra-massive MIMO)之类的技术以及微型蜂群机器人(昆虫大小的协作式机器人)之类的应用。 在减少干扰、提供巨大频宽、保护视距传播隐私以及建立发射/接收装置的技术基础方面,光学6G技术也有不错的前景。有趣的是,紫外线「不」需要以视距方式传播,而是在大气中散射,如1990年代后期,早期的802.11规格有一个红外线的版本,可提供传输速率高达2Mbps的连线能力,当时有几款特定的笔记型电脑就採用这个版本的规格。

  网路技术

  就像5G一样,6G网路技术会沿用SDN、NFV以及网路切片技术。不过,6G可能会将这些概念发挥到极致,能够按照个人需求以及应用,客制化网路切片,进而为使用者提供真正合乎客制化品质的体验。这类採用个人化网路切片的系统势必得大规模运用边缘运算技术,而且会在核心网路和边缘运算节点之间形成相当复杂的网路责任分配模式。

  可行6G效能目标

  新标準採用各式各样的指标,包括有关资料传输速率、延迟以及可用性的一般规格。6G将延续始于5G的趋势,透过个别指标定义体验品质(Quality of Experience, QoE)。当然,资料传输速率将有所提高,或许能达到每秒1TB的程度。时间延迟可能降低至数十毫秒;此外,或许可以使用资讯年龄(Age-of-information),以日期註明资讯的新鲜度(Freshness),以利按照优先顺序处理资讯。在5G时代,已经将降低功率消耗订为目标,希望能让物联网装置电池使用寿命长达10年,尔后或许能进一步降低功率消耗,以利能量採集,包括反向散射通讯。6G可能也会将有关能量採集与无线电力传输要求的指标与标準包括在内。6G标準也可能包括安全韧性指标,特别是考虑到在6G问世后,量子运算有可能打破大多数的加密标準。

  6G多样化服务可能性推估

  6G以及更新世代的无线系统究竟能够提供哪些类型的服务?6G将以5G为基础,进一步增强既有服务,同时推出更多模式,以利因应具有众多不同需求的应用。例如,5G会推出全像投影,而6G则有可能实现大规模的高传真度全像投影。透过能量採集或无线电力传输,让迷你装置也能进行超低功率通讯,并可能成为一个新的应用领域。这类迷你装置可能安装于衣物、布料,也可以嵌入塑胶或玻璃。此类装置可以让成群的小型无人航空载具(UAV)或机器人之间彼此通讯,以利执行组装和修理之类的复杂作业。最终,每个人都可能拥有数千个无线电系统。若要达成这样的目标,标準所採用的通讯协定就要有助于将能量传递(无线电力传输)或能量採集配置与通讯协定合併。

  可以想见的是,新的应用必定会需要全新等级的延迟管理。例如,若要精準控制採用分散式能源和储电槽的电力网路,时间延迟就必须够低。触觉感测应用也将降低延迟的要求推到极限。使用资讯年龄,以日期註明资讯的新鲜度,以利按照优先顺序处理资讯,或者运用AI预测通讯或应用程式需求或潜在故障,以利提供稳固的连线能力,这类方式都能达到这方面的要求。这类功能有助于自然流畅地实现讯号「无缝」覆盖,包括迅速转换卫星通讯和地面通讯。

  若时候到了,势必会出现要求资料传输速率更高的服务。其中一项可能的服务或许是视讯桌布。该服务需要利用大型显示器技术,形成带有投影影像的房间墙壁。现在已经出现了8K影片,支援8K影片的资料传输速率大约是360Mbps。若要提高这种能力,运用每一面墙创造出身歷其境的体验,就意谓着一面墙可能需要10Gbps以上的通讯速率,才能即时显示投影。在这种情况下,让通讯链路的传输速率达到每秒1TB,这样的要求并不是不合理。

  感测即服务(Sensing as a Service)可能是6G应用的一个全新类别。6G讯号能用于测量空气中的湿度或其他粒子,以利绘制微气候剖面图吗?人们有可能将6G讯号当成雷达讯号,精準掌握室内飞行UAV的位置吗?

  6G到底能带给人们什么,目前难有定论。6G标準的初始版本可能会在2030年问世,届时也会经歷数年的修订。关于2035年6G标準演进情况的预测,确实十分吸引人,但也只是纯理论推测。

  从5G展望未来6G前景

  5G第1阶段或R15透过定义高效能新空中介面(NR)与弹性网路架构,为增强后续版本提供了相当坚固的基础。R16和后续版本着重于全新的垂直领域,希望能大幅拓展无线通讯的应用。这股支援垂直领域的趋势,在6G时代应该会加速。

  R16和后续版本将超越以增强行动宽频(eMBB)为主的R15.拓展支援的服务。5G LAN可以取代或扩充固定式或无线LAN,也能提供弹性以及增强效能。在非地面网路中,卫星运用5G使服务具有普遍性、连续性以及可扩缩性。得益于5G提供的效能,重要的医学应用能够实现医疗保健改善与成本节约。

  5G技术的发展实现了车队行驶(Platooning)、先进驾驶以及远端驾驶等新颖的车联网(V2X)应用。採用5G技术的UAV能够支援各式各样的情境,包括在发生灾难时输送医疗用品。5G技术可辅助摄影棚或工作室内外的视听制作服务。网路实体控制应用程式能够运用5G技术,大规模落实工业4.0.以NR为基础的定位技术支援众多使用案例,包括紧急情况、UAV操作、AR/VR/XR以及工厂自动化。触感通讯运用触觉感测技术,将使用者的体验提升至全新水準。

  适用于5G的R16及后续版本具有无穷潜力,而6G则会将使用者体验提升至全新水準,也会使许多产业发生彻底改革。6G的特色或许是资料传输速率大约在每秒1TB,延迟时间大约是数毫秒,装置和网路能源效率也较高。高传真度全像投影通讯与多重感知通讯,可能会成为人们日常生活的一部分。医疗保健、制造、娱乐以及交通运输等产业可能才开始受到5G的影响,到了6G时代,这些产业将会经歷更大规模的转型。人们所处的世界将很大程度上取决于无线通讯技术未来的进步,因此,準备好大开眼界吧!

  (本文作者任职于罗德史瓦兹R&S)