6G定义了哪6大场景?

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2023年11月,国际电信联盟ITU正式批准面向6G的愿景文件:Recommendation ITU-R M.2160,并将下一代国际移动通信命名为IMT-2030。

在这份勾勒未来6G发展方向的重要文件中,ITU提出了六大使用场景:

沉浸式通信、超高可靠低时延通信、海量通信、泛在连接、人工智能与通信,以及通信与感知融合。

这并不是ITU第一次用“场景”来描述下一代移动通信。

5G时代,增强移动宽带、超可靠低时延通信和大规模机器类通信三大场景,几乎已经成为理解5G最经典的一组概念。到了6G,ITU延续了这种方式,并把场景从三个扩展到了六个。

为什么定义一代新的移动通信技术,要先定义它的使用场景?而从5G的三个场景到6G的六个场景,又反映出移动通信正在发生怎样的变化?

带着这两个问题,我们从“场景”在移动通信中的作用说起,再来看6G六大场景究竟是如何形成的。

一、场景是怎么进入移动通信定义的

在ITU的移动通信愿景中,“场景”指的是文件中的Usage Scenario,即使用场景。

它指的是对一类相似通信需求的归纳:把对网络能力有相近要求的应用放在一起,再提炼出这类应用共同需要的速率、时延、可靠性、连接密度等能力。

比如,看高清视频和使用沉浸式XR属于不同的应用,但都需要较强的数据传输能力;工业控制和远程操作应用在不同领域,却都对时延和可靠性有很高要求。因此,它们分别可以被归入具有相似通信需求的场景。

“场景”的定义,就是归纳不同应用其中共性的通信需求,再进一步转化为网络需要具备的技术能力。

这种定义方式,是随着移动通信用途不断扩展而逐渐形成的。

早期移动通信主要围绕人和手机展开。从语音通信到移动上网,网络最主要的任务之一,是让用户能够传输越来越多的数据。因此很长一段时间里,数据速率都是描述移动通信能力最直观、也最重要的指标之一。

随着移动通信开始进入更多领域,网络面对的需求逐渐复杂起来。

连接对象从手机扩展到汽车、机器、传感器等各种设备;通信的用途也从通话和上网,延伸到工业控制、物联网等不同环境。不同应用开始对网络提出差异很大的要求:有的追求更高的数据速率,有的更关注时延和可靠性,还有的需要同时连接数量巨大的设备。

只用一组以速率为核心的指标,已经越来越难完整描述下一代移动通信需要具备的能力。所以在ITU对于新一代移动通信技术的定义中,会逐步将“使用场景”明确出来。

图:2G到6G应用场景的持续演进

这种变化,在ITU对未来移动通信的历次愿景中可以清楚地看到。

2003年,ITU发布了面向IMT-2000及其后续发展的愿景文件 ITU-R M.1645。在讨论未来移动通信时,文件已经把用户需求、服务和应用的变化作为重要出发点,并预计未来的通信关系会进一步从人与人扩展到机器与人、机器与机器。

图:IMT-2000愿景文件ITU-R M.1645中对于未来通信的预测

不过在这一阶段,ITU描述未来系统能力时,重点仍然集中在数据速率和移动性上。M.1645通过不同移动环境下可实现的数据速率,勾勒未来移动通信系统的能力范围。

二、5G,第一次让“三大场景”深入人心

真正让“使用场景”成为移动通信领域经典概念的,是5G。

2015年,ITU发布IMT-2020愿景文件ITU-R M.2083。此时,移动通信所面对的需求已经明显超出了传统手机上网的范围。

一方面,高清视频、移动互联网等业务仍在持续追求更高的数据速率和更大的网络容量;另一方面,物联网开始带来数量庞大的设备连接需求,工业控制、远程操作等应用又对时延和可靠性提出了更高要求。

这些需求指向的网络能力并不相同。

有些应用希望网络传得更快,有些希望网络能够同时连接更多设备,还有一些应用更在意数据能否在极短时间内稳定送达。面对越来越分化的需求,仅用峰值速率等少数指标已经很难完整描述5G要解决的问题。

因此,在M.2083中,ITU通过Usage scenarios对未来移动通信的主要需求进行了归纳,形成了后来广为人知的三大5G场景:

增强移动宽带(eMBB)、超可靠低时延通信(URLLC)和大规模机器类通信(mMTC)。

图:IMT-2020愿景文件ITU-R M.2083中对于使用场景的归纳

这三个场景各自对应一组不同的通信需求。

  • 增强移动宽带延续了移动通信长期以来对更高数据速率和更大容量的追求,面向高清视频、超高清视频以及更丰富的移动宽带体验。

  • 大规模机器类通信面向物联网发展带来的海量设备连接。大量传感器和终端单次传输的数据可能并不多,却要求网络能够支撑极高的连接密度,同时兼顾覆盖范围、终端成本和功耗。

  • 超可靠低时延通信则面向工业控制、自动化等对实时性要求较高的应用,把低时延和高可靠性提升到了与数据速率同样重要的位置。

三类场景放在一起,勾勒出了5G所面对的三种典型需求方向:

更快的数据传输、更多的设备连接,以及更及时、更可靠的通信。

这也是5G三大场景最重要的意义。

它把原本分散在不同行业、不同应用中的需求,整理成了几类容易理解的通信问题。随后,速率、时延、可靠性、连接密度、移动性等具体技术指标,都可以围绕这些场景展开。

从5G开始,人们理解一代移动通信,也逐渐有了新一套更加直观的路径:

先看它要服务哪些类型的需求,再看为了满足这些需求,网络需要提升哪些能力。

eMBB、URLLC和mMTC因此成为理解5G最经典的一组概念,也为后来6G继续采用“使用场景”来组织未来需求奠定了基础。

而到了6G,场景同样被首先定义出来,并且相比于5G有一个直观的变化:

三个场景,变成了六个。

三、从三个到六个,6G定义了哪些场景

到了6G,ITU继续沿用了5G建立起来的场景框架,但场景的范围进一步扩大。

在IMT-2030愿景文件ITU-R M.2160中,ITU提出了六大使用场景:沉浸式通信、超高可靠低时延通信、海量通信、泛在连接、人工智能与通信,以及通信与感知融合。

这六个场景分为两大部分。

其中,沉浸式通信、超高可靠低时延通信和海量通信,分别由5G的eMBB、URLLC和mMTC扩展而来;

泛在连接、人工智能与通信、通信与感知融合则是IMT-2030新增的三类场景。

ITU在M.2160中明确指出,IMT-2030既要扩展5G已有的使用场景,也要支持由人工智能、感知等新能力产生的新场景。

图:ITU-R M.2160中的IMT-2030六大使用场景

1. 沉浸式通信:从“传得更快”走向“体验更真实”

沉浸式通信(Immersive Communication)可以看作5G增强移动宽带eMBB的进一步发展。

5G的eMBB主要解决高速率、大容量的移动宽带需求。到了6G,仅仅提高数据传输速率已经不足以概括未来体验。XR、远程多感官交互、全息通信等应用,需要同时传输视频、音频以及更多环境信息,并保持不同信息之间的同步。

因此,沉浸式通信强调的是一种更加完整的交互体验。高速率依然重要,同时还会涉及低时延、高可靠性、系统容量等多方面能力。ITU列出的典型应用包括沉浸式XR、远程多感官临场体验和全息通信。

2. 超高可靠低时延通信:把5G的URLLC继续向前推进

超高可靠低时延通信(Hyper Reliable and Low-Latency Communication)延续了5G的URLLC。

工业自动化、机器协同、远程医疗、电力系统监测等应用,对通信失败和传输延迟都非常敏感。随着这些应用进一步发展,6G需要在可靠性和时延方面提供更严格的保障。

ITU因此在5G的“Ultra-Reliable”基础上进一步提出“Hyper Reliable”,典型应用包括工业环境中的全自动控制、机器交互、应急服务、远程医疗以及电力输配监测等。部分应用还会同时需要高精度定位和较高的连接密度。

3. 海量通信:从“连接海量设备”继续扩大物联网边界

海量通信(Massive Communication)由5G的大规模机器类通信mMTC扩展而来。

未来会有越来越多的传感器、机器和物联网设备需要接入网络。这些设备分布在智慧城市、交通、物流、医疗、能源、环境监测和农业等大量场景中,其中还包括无电池设备和需要多年续航的低功耗设备。

因此,海量通信继续把连接密度作为重要能力,同时还要根据不同应用兼顾低功耗、覆盖范围、移动性、安全性和可靠性。6G的海量通信,就是继续扩大这个连接体系能够容纳的设备种类和应用范围。

前面这三个场景,是5G的增强和升级。另外体现6G变化的,还有三个新增场景。

4. 泛在连接:让网络进一步走向“随处可用”

泛在连接(Ubiquitous Connectivity)关注的是覆盖范围。

过去讨论移动通信能力,经常关注覆盖区域内能够达到多高的速率。6G进一步把一个问题单独提了出来:怎样让更多目前没有覆盖或覆盖不足的地方获得连接?

M.2160特别提到了农村、偏远地区和人口稀疏地区,希望通过增强连接能力缩小数字鸿沟,并支持移动宽带和物联网等业务。

因此,泛在连接所追求的“更强”,主要体现在网络能够到达更广泛的区域,让连接从人口密集地区进一步延伸出去。

5. 人工智能与通信:通信网络开始直接支撑AI

人工智能与通信(Artificial Intelligence and Communication)是6G新增场景中非常有代表性的一类。

随着人工智能进入汽车、机器人、数字孪生和各种终端设备,未来大量AI任务可能需要在终端、边缘和网络之间协同完成。

因此,6G网络除了传输数据,还要进一步支持分布式计算和AI应用。

ITU列出的能力已经延伸到数据采集和处理、分布式AI模型训练、模型共享、分布式推理,以及计算资源编排等。典型应用包括自动驾驶、设备之间的自主协作、计算任务卸载和数字孪生。

这也意味着,网络不仅负责把数据从一个地方送到另一个地方,还要参与数据、计算和人工智能任务的协同。

6. 通信与感知融合:让网络拥有“感知环境”的能力

另一个更加明显的新变化,是通信与感知融合(Integrated Sensing and Communication)。

传统移动通信系统最核心的任务是建立连接和传输信息。到了6G,ITU希望无线系统在完成通信的同时,还能够利用无线信号获得周围环境的信息。

例如,网络可以进一步感知物体的位置、距离、速度和运动状态,进行目标检测、定位、成像和环境感知。

M.2160列出的典型应用包括辅助导航、姿态和手势识别、跌倒检测、车辆和行人检测,以及降雨、污染等环境监测。这些感知信息还可以继续提供给AI、XR和数字孪生应用使用。

通信与感知融合带来的变化将是:无线网络从“传递环境中的信息”,进一步走向“获取环境本身的信息”。

图:6G定义的六大场景方向及代表性应用

把六个场景放在一起,就能看到从5G到6G更深一层的变化。

5G三大场景主要回答了三个问题:怎样传得更快、怎样连接更多设备、怎样传得更及时可靠。

6G继续提升这些能力,同时把网络的边界进一步向外扩展:

连接要覆盖得更广,网络要能够支撑人工智能,还要具备感知现实世界的能力。

因此,从三个场景增加到六个,反映的是移动通信系统角色的扩展:从一张以信息传输为核心的通信网络,逐渐走向同时承载连接、计算、智能和感知能力的新型基础设施。

总 结

移动通信发展数十年,每一代技术都在不断拓展网络能力,而衡量网络价值的标准,也早已不再只是数据传输速率。

从5G开始,以使用场景归纳通信需求、以场景定义网络能力,已经成为国际移动通信演进的重要方法,并持续影响着通信标准和关键技术的发展方向。

如今,6G正从愿景研究逐步迈向技术攻关和标准制定阶段。六大使用场景不仅描绘了未来网络的发展方向,也为产业界开展关键技术研发、应用探索和生态建设提供了共同坐标。

六大场景所连接的,不只是未来的通信能力,更是6G描绘的未来社会无限可能。

参考文献/REFERENCES

[1].ITU-R M.1645, https://www.itu.int/rec/R-REC-M.1645

[2].ITU-R M.2083, https://www.itu.int/rec/R-REC-M.2083

[3].ITU-R M.2160, https://www.itu.int/rec/R-REC-M.2160

责编: 集小微
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