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1.3 6G的性能需求

全球业界对于6G的愿景逐渐趋于一致。首先,打通虚实世界。例如,诺基亚贝尔实验室认为“6G将统一物理、数字、生物世界的体验”,中兴通信认为“6G将整合物理和数字世界”;其次,泛在智能,“泛在”表明6G服务将无缝覆盖全球用户,“智能”体现为AI互联网;最后,满足人类解放自我的需求。基于6G愿景和5G的发展,6G将得到进一步升级和扩展,以实现更高的数据速率(5G的10~100倍)和频谱效率、更大的系统容量、更低的时延、更广且更深的网络覆盖,进而支持更快的移动速度、服务于更全的万物互联,并全面支撑泛在智能移动产业的发展,如图1-2所示。

图1-2 6G网络的核心能力

相较于5G的性能指标,预计6G的数据传输速率、连接密度、能效将提高10倍,移动性和频谱效率将提高约3倍,时延有望降低到1ms以下。此外,6G可以将覆盖率从目前的70%提高到99%,可靠性从目前的99.9%提高到99.999%,定位误差从当前的“m级”降低到“cm级”等。

1.3.1 速率指标

作为6G候选技术的太赫兹通信具有带宽大、传输速率高等特点,将是未来解决6G大带宽场景的利器。在200~400GHz的频谱范围内,经过理论仿真测算,结合业界的一些试验数据,未来6G的单终端峰值速率指标预测可以达到100Gbit/s,单小区总的吞吐量预测可以达到1Tbit/s。

用户体验速率是指单位时间内用户获得MAC层用户面数据的传送量。实际网络应用中,用户感知速率受到众多因素的影响,包括网络覆盖环境、网络负荷、用户规模和分布范围、用户位置、业务应用等因素,一般采用期望平均值和统计方法进行评估分析。5G时代定义的用户体验速率是100Mbit/s。

如果从eMBB的继续发展角度来看,6G时代对带宽需求最大的应该是VR业务。预计10年后,极致VR业务已经成熟,VR将成为典型的用户体验业务。根据预设的VR 360中极致VR体验需求,带宽需求=视频分辨率×色深×帧数/压缩率=(23040×11520)×12×120/350=1Gbit/s,即获得极致VR的典型带宽需求是1Gbit/s。所以,6G的用户体验速率建议为1Gbit/s。

1.3.2 频谱效率指标

5G的峰值频谱效率(每赫兹频谱传输的比特)在64QAM、192天线、16流并考虑编码增益的情况下,理论频谱效率极限值在100bit/s/Hz。而在6G时代,考虑1024QAM、1024天线,结合轨道角动量OAM的多流及beamforming技术,频谱效率推算可以到200bit/s/Hz。

1.3.3 流量密度监控

流量密度是单位面积内的总流量数,衡量移动网络在一定区域范围内数据的传输能力。相比5G,6G使用了太赫兹等频段,相比5G的Sub6G及毫米波频段覆盖范围进一步收缩,6G小区半径约为5G的一半,覆盖面积缩小为5G的1/4。同时,6G基站吞吐量1Tbit/s相比5G的20Gbit/s提高了约50倍。因此,6G的区域流量密度测算约为5G的200倍。

1.3.4 连接密度

在5G时代,根据各种场景测算出的连接密度是100万个/km 2 ,意味着平均每m 2 最多连接一个5G设备。但随着物联网、体域网和人工智能、低功耗技术的快速发展,对于快递物流、工厂制造、农业生产、智能穿戴和智能家居,都存在网络连接的需求。以智能穿戴为例,在6G时代,每人应该至少配有具备直接网络连接能力的1~2部手机、1部手表、若干个贴身的健康监测仪、两个置于鞋底的运动检测仪等,使得连接密度较5G上升了近10倍。因此,6G的连接密度应该为100个/m 2 ,或最大连接密度可达1亿个/km 2

1.3.5 时延与可靠性分析

在5G时代,uRLLC主要考虑的因素是由于人的介入,需要网络提供ms级的时延,比如车联网的1ms时延保证。在6G时代,低时延的通信预计将主要集中在机器与机器之间,用以替代传统的有线传输,如工业互联网的场景等,此时的时延需求应该是在亚ms级,6G时延指标可以预测为0.1ms。

5G引入了移动边缘(MEC)计算,把核心网部分功能下沉到基站,基站也同时开始参与网络内容的计算,如VR的渲染等。在6G时代,MEC功能进一步增强,甚至可能使基站与MEC合并成为基站;同时,人工智能(AI)将会被引入,并在基站导入基于AI的部分应用,使得基站的计算能力变得异常强大。根据一些资料的分析测算,5G基站的计算能力需求是100~200Tops(operation per second)。而在6G时代,基站的智能化计算能力预计为1000Tops。

1.3.6 高速移动性

移动性是移动通信系统最基本的性能指标。5G时代主要是要求能够支持速度高达500km/h的高铁乘客的接入。而在6G时代,考虑到马斯克提出的真空管高铁预期时速为1200km,美国目前已经成立了多家进行此项目研究的公司,并且目标在2030年实现商用。同时,6G时代必须考虑民航飞机乘客的接入,民航飞机的飞行速度基本上都是800~1000km/h。因此,6G的移动性能接入建议以1200km/h速度移动的用户接入作为衡量指标。

1.3.7 系统最大带宽

4G的常用载波带宽是20MHz,多载波聚合时,最多可到100MHz;5G的Sub6G频段常用载波带宽是100MHz,多载波聚合时可到200MHz。毫米波频段常用载波带宽是400MHz,多载波聚合时可到800MHz;对于6G可能用到的太赫兹技术,常用载波带宽可能会到20GHz,多载波聚合时,有可能到100GHz。

1.3.8 系统能效分析

能量效率是指每消耗单位能量可以传送的数据量,在城市环境中,用每焦耳传递的信息比特来衡量,即bit/J;但在农村场景下,用满足一定通信能力时每单位面积覆盖所消耗的功率来衡量。根据研究,目前移动网络侧占整个能量消耗的15%~20%,而基站又占据移动网络能源消耗的80%,移动网络的负荷一般小于20%。

在6G时代,太赫兹频段承载的带宽大大优于毫米波和Sub6G,然而能耗方面并没有倍数的增加,总体能量效率大大优于5G。此外,我们考虑到6G时代会引入就近通信服务,这将进一步降低系统能源消耗。

根据5G能量效率100bit/J的指标和测算,6G的能量效率可预测为200bit/J。 d31NMP2esqSLpMKupnw3qwUSl2B9FiBusYsQlQ2+FN8AzOfekGzL1tKk2FMwWviQ

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