5G網絡演進與6G展望

鄧 偉 郝 悅 胡 南 董 靜 崔春風

中國移動通信有限公司研究院 北京 100053

1 當前5G的發展現狀

在Release 15版本制定初期，對于5G的新應用場景與技術需求，產學研界逐漸形成了較為統一的認識，最終3GPP組織定義了5G的三大典型應用場景，即eMBB、uRLLC和mMTC。為明確不斷涌現的新業務的性能需求與能力指標，中國移動首次提出了“5G之花”，生動形象地詮釋了5G的關鍵能力指標，通過性能指標和效率指標共同定義了5G的關鍵能力，猶如一株綻放的鮮花。紅花綠葉，相輔相成，花瓣代表了5G的六大性能指標，體現了5G滿足未來多樣化業務與場景需求的能力，其中花瓣頂點代表了相應指標的最大值；綠葉代表了三個效率指標，是實現5G可持續發展的基本保障。

圖1 5G之花

當前，世界先進國家已初步完成第一波5G浪潮，全球5G發展正駛入快車道，截至2021年8月中旬，涵蓋72個國家的176家運營商正式發布5G商用服務，461家運營商正在以測試驗證和計劃部署等形式投資5G網絡。我國正在全面推進信息基礎設施建設，已初步建成全球最大規模的5G獨立組網網絡，截至2021年6月底，累計建成5G基站96.1萬個，占全球70%以上；推動5G終端規模快速發展，5G終端的連接數可達3.65億，占全球80%以上。預計2020～2035年期間，全球5G產業鏈投資額將達到約3.5億美元，其中我國約占全球30%；與此同時，由5G技術驅動的全球行業應用將創造超過12萬億元的銷售額，惠及到制造業、信息通信、批發零售和公共服務等千行百業[1]。

隨著網絡快速發展和技術持續演進，5G已成為了改變社會、服務大眾、支撐經濟社會發展的利器之一，隨著社會經濟數字化轉型的加快，對5G業務多樣化和差異化發展、綠色智能化、高效組網和技術演進提出了更高的要求，5G網絡演進的需求也愈發強烈，6G的發展愿景也愈發清晰。

基于上述技術背景，本文從5G商用現狀出發，探討了5G網絡演進技術方向，并對6G進行了展望。首先，提出5G網絡演進的兩大主要驅動力，包含2C業務多樣化和2B業務性能差異化發展、綠色低碳化和組網高效化發展；其次，基于驅動力給出了四大技術發展方向；最后，隨后基于移動通信網絡的發展規律，給出了6G總體愿景、應用場景和網絡關鍵性能指標等展望。

2 5G網絡演進

移動通信產業的技術演進，基本上十年一代，5G將是2030年前最主要的移動通信技術。每一代移動通信技術，在誕生后都要經歷不斷的演進和增強，實現技術和產業的可持續發展。在通往萬物感知、萬物互聯和萬物智能的智能社會背景中，5G演進顯得愈加迫切和充滿挑戰。中國移動聯合業界發布的白皮書《5G Wireless Evolution White Paper:Towards a Sustainable 5G》[2]從演進驅動力和關鍵技術方向兩方面進行了網絡演進分析。

2.1 5G演進的驅動力

2.1.1 業務驅動力：2C&2B業務多樣化發展與性能差異化發展

2C新業務發展對5G無線網絡演進催生更多流量的需求，伴隨著超高清視頻、新視頻直播、沉浸類業務快速發展普及，其中超高清業務的像素分辨率過去10年提升10倍，體驗速率要求大幅度提升；雖然個別區域的上行能力需求顯著(中國移動某省現網數據就存在上行:下行=2.5:1的情形)，但現網5G上行尚未形成跨代的明顯優勢；沉浸式體驗從連接人走向與AR/VR的實時交互，超寬帶高交互體驗大幅度提升。這些因素都驅動無線網絡持續演進和能力提升，包括上行增強、交互能力提升和時延持續降低等，預計2025年5G發展領先國家和地區的eMBB DOU流量可能達到50GB～100GB[3]，2030年最高預測甚至有望達到250GB[4]。

2B行業場景豐富、業務性能要求差異巨大。對于生產輔助類業務，如數據采集、遠程運維等，上行速率要求100～300Mb/s，時延50ms內，可靠性3個9；對于車間級生產線業務，如機器視覺、人員設備定位等，上行速率要求500M～1Gb/s，時延20ms內，可靠性要達到5個9，定位精度要求3～5米，安全性要求高，需要數據不出園區；對于現場級生產線業務，如機器視覺的遠程控制，產線無線化等，上行速率要求1Gb/s以上，時延10ms內，可靠性要達到6個9，定位精度要求亞米級，安全性要求高，需要數據不出園區。為滿足2B行業差異化需求，5G網絡要從性能提升、網絡架構和能力擴展三方面增強5G 2B能力。

2.1.2 技術驅動力：綠色低成本與組網高效化

從綠色低碳的角度分析，5G小區帶寬是4G的5倍以上，為提高頻譜效率，室外主要使用復雜度較高的64/32通道Massive MIMO設備，基站功耗大。雖然5G能效(比特/焦耳)遠優于4G，但5G網絡初期承載的業務少、負荷較低，5G能效優勢暫未充分發揮。此外，5G終端具備兩倍天線數、兩倍最大發射功率等特性，這使5G終端功耗比同工藝4G終端更高，終端的功耗問題成為當前影響5G用戶體驗的重要因素，亟需終端節電方案為用戶感知保駕護航。

從設備成本的角度分析，5G技術復雜度高，一是引入Massive MIMO、切片、邊緣計算等復雜技術；二是場景豐富，既有2C又有2B；三是業務豐富，QoS要求高、端到端的QoE保障困難等。這些因素導致5G實現復雜度高、需要高性能的硬件，導致設備成本高，亟需引入AI等更高效率的技術來實現5G低成本化。

從頻譜的角度分析，一方面，頻率是戰略稀缺資源，是移動通信網絡的基石，高效利用好存量頻譜資源是運營商一直追求的目標。但移動運營商普遍存在制式多、頻段多、頻譜碎片化、單個低頻段承載多個制式等問題。要高效組網，就需持續推進網絡制式簡化以及多頻段組網。

另一方面，雖然大部分運營商無線頻譜總量足夠，但普遍較分散(頻段總量10余個)、且分布在覆蓋能力和性能無法俱佳的高中低頻段上，導致使用單一頻譜無法應付多樣化和差異化的海量業務要求；因此，亟需考慮從單一頻譜使用方式轉變為靈活頻譜接入的彈性網絡，提升頻譜使用的靈活性。但是，隨著更多頻段加入使用，增加了頻點選擇、多載波管理、MCS選擇、切換移動性等方面的復雜性，亟需結合多頻段的效率提升方案共同探索達到最大化頻譜效率的目的。

2.2 5G演進的技術方向

2.2.1 技術方向一：性能持續提升

隨著超高清視頻、新視頻直播、沉浸類業務不斷涌現，為持續提升5G無線網絡性能，滿足2C多樣化業務要求，可從上行增強、多天線演進、移動性增強和覆蓋增強等方面進行技術演進。

1)上行增強：完善幀頭不對齊和頻段間輪發相關載波聚合技術方案，增加上行可用時隙資源；采用1024QAM等更高階調制方式，提升上行頻譜效率；采用多終端聚合協作方式，提升上行發送天線數量和發射功率。

2)多天線演進：著力開展基站間協作傳輸增強、SRS增強，高階正交多流、高精度預編碼等技術方向研究，考慮推動M-TRP(Multi-Transmission and Receiving Point)場景PDCCH/PUCCH/PUSCH重復傳輸，SRS容量增強，DMRS端口數量增強，基于Sub-PRB或PRB粒度預編碼方案，持續提升MIMO系統性能。

3)移動性增強：考慮引入條件切換C H O(Conditional Handover)、雙協議棧切換DAPS HO(Dual Active Protocol Stacks Handover)方案，提升移動魯棒性，實現切換零中斷效果。考慮設備上車方案以增大站間距降低建網成本，提升高鐵場景移動性能；引入公專網協同的部署方案，如高速專用網絡(HSDN)功能，保證公網用戶駐留在公網，專網用戶駐留在專網，避免公網用戶占用專網的資源。

4)覆蓋增強：引入新的碼本，使能終端支持滿功率發送，提升上行覆蓋；引入解調參考信號新初始化序列，解決現有PA限幅問題；引入物理層增強技術手段，提升PUSCH、PUCCH、Msg3覆蓋能力，解決現網上行覆蓋受限痛點問題。同時面向無處不在、永遠在線的需求愿景，地面網絡將深度融合衛星網絡、高空平臺基站、地對空基站等，實現空天通信一體技術。

2.2.2 技術方向二：打造智簡行業網

面向2B行業差異化的需求，可從持續提升網絡性能，探索網絡架構優化和網絡能力服務化/產品化等方面進行技術演進。

1)無線性能提升：一方面聚焦“三超”，實現超級上行(超過1Gb/s)、超低時延(小于5ms)、超高可靠(6個9)，通過引入上行SUL、mini-slot、低碼率MCS等技術，打造高性能網絡；另一方面，聚焦“兩確定”，通過采用GBR、RB資源預留、多SPS配置、TSN等技術，保障最低速率、降低時延抖動打造具有“確定性速率”和“確定性時延”的確定性網絡，滿足行業核心生產流程業務需求。

2)網絡架構優化：面向垂直行業客戶性能要求高差異大、自控自優化需求迫切、工業等場景對網絡成本敏感等特點，探索靈活智簡5G網絡架構。希望通過基站/UPF多種分流架構、性能分級分檔、本地精準SLA和網云一體等方案為定制一張部署敏捷、靈活定制、性能可保障的5G網。

3)網絡能力服務化/產品化：區別于2C客戶對網絡僅有數據傳輸需求，2B客戶還有定位、計算、感知以及差異化服務等需求。在增強網絡定位、計算、感知、差異化等能力的同時，還需研究網絡能力與用戶需求/業務的結合方案，打造客戶可感知的服務、或可售賣的能力產品，以提升網絡價值。

2.2.3 技術方向三：綠色智能發展

要克服5G高能耗、高成本的問題，一方面，倡導綠色5G技術降低功耗；另一方面AI與通信結合，提升網絡效率，降低成本。

1)綠色5G技術：基于“場景差異化、網絡協同化、能效優先化、環境低碳化”的理念進行技術演進。①場景差異化：基于綠色目標，識別場景特點進行差異化綠色設計；例如，微站場景無需使用耗能高的天線陣，局域網場景可簡化協議和技術來降低能耗。②網絡協同化：將多制式、多頻段網絡作為一個整體系統，進行能耗最優求解；建立網絡間的協同機制，通過信令協同、業務協同等降低整體能耗網絡。③能效優先化：此前性能、成本一直是設備和技術設計的最優先考慮因素；今后設計時需考慮性能、成本、能效三者的平衡，甚至能效優先。④環境低碳化：機房、空調、電源等動力環境的能耗也不可忽視，借助能源行業的技術創新來實現低碳。另一方面，也需持續推進5G終端低功耗技術演進，包含：UE輔助信息上報、尋呼優化、TRS測量優化、PDCCH動態檢測等新技術等。

2)網絡智能技術： 網絡智能化主要從三個方面進行技術演進。①提供更多支撐AI算法的空口及網絡數據，建立網絡數據庫。3GPP R17項目“Enhancement of Data Collection”已啟動，后續還需繼續完善。②設計AI在無線通信領域的應用場景，并構建相應的應用方案，包含：算法所需的數據庫、算法的輸入和輸出模型以及典型的AI算法等。③探索AI與5G在空口、網絡、應用方面的深入融合，以使5G網絡更智能，從而降低網絡成本、提升用戶體驗。

2.2.4 技術方向四：高頻譜效率組網方案

面向業務發展需求、頻率演進情況和網絡建設節奏的變化，建議電信運營商考慮基于5G無線網絡技術演進的三個變化來應對。

1)從單頻段建設轉變為高中低頻協作的全頻段高效網絡：千方百計提升5G駐留比和分流能力，逐步構建分級/分類/分場景的立體覆蓋網絡；嘗試推動閑置頻譜演進方案，探索專有頻譜重耕以增強上行能力和4G/5G雙連接以提升4G資產使用效率；提前規劃毫米波等新頻譜資源，滿足未來業務發展訴求，支撐實現全頻段協作的高效組網方式。

2)從單一頻譜使用方式轉變為靈活頻譜接入的彈性網絡：延伸SUL機制至更多載波數目和類型，通過極簡的控制信道設計來節省開銷，通過合理的載波選擇和高效的負載均衡來提升性能，通過快速激活和測量優化來降低時延；采用更靈活的全頻段極聚頻率方案，重構傳統的TDD/FDD/SDL/SUL/CA使用方式，使多個非連續載波性能逼近單個大載波性能，支持彈性網絡的定義；使能更靈活的多載波使用方式，基于多頻一致性和AI多頻管理機制，通過類BWP架構頻譜池化和統一調度，提升頻譜使用效率。

3)從提升2C網絡覆蓋和下行體驗轉變為兼顧大上行等多樣化業務要求：研究蜂窩系統TDD頻段異幀結構使用和靈活雙工組網方式，逐步完善干擾識別專有序列定義、基于時域/頻域/空域的調度優化、雙BWP全雙工以及基于精細化信道估計的PDCCH/PDSCH干擾消除方案，使能上下行千兆用戶體驗。

隨著5G網絡已經開始全面商用部署，并廣泛應用在千行百業，產生了多樣化與差異化的新業務新應用，對于5G網絡也有著更高的性能需求，5G網絡也逐漸向著性能卓越化、綠色智能化和組網高效化等方向演進，與此同時，產學研界也已經探索性地研究6G，開展了一系列的討論。

3 6G展望

按照移動通信產業“使用一代、建設一代、研發一代”的發展節奏，業界預期2030年左右商用6G。目前全球各國家和地區正在開展6G愿景需求制定、關鍵技術研究及概念驗證工作，以下給出6G的總體愿景、應用場景和網絡關鍵性能要求。

3.1 總體愿景及應用場景

未來，隨著5G應用的快速滲透、科學技術的創新突破、新技術與通信技術的深度融合，必將衍生出更高層次的新需求。如果說5G時代可以實現信息的泛在可取，6G應在5G基礎上全面支持整個世界的數字化，并結合人工智能等技術的發展，實現智慧的泛在可取、全面賦能萬事萬物。6G將推動社會走向虛擬與現實結合的“數字孿生”世界，實現“數字孿生，智慧泛在”的美好愿景[6]。

展望2030年及以后，業務和應用將朝著如下方向發展：一是業務需求的多樣化，業務速率和時延等指標的動態范圍更大；二是覆蓋的立體化，包含空天地等一體化；三是交互形式與內容的多樣化，包括數據、媒體、生物和智能等；四是業務開放化和定制化，用戶可以按需定制網絡能力；五是通信、計算、人工智能(Artificial Intelligence,AI)和安全融合化，提供可信、安全的服務[7]。

6G網絡將在智享生活、智賦生產、智煥社會三個方面催生全新的應用場景，如圖2所示[8]。

圖2 6G典型場景

1)智享生活：移動通信系統中，全息交互、通感互聯、數字孿生人、智能交互等將充分利用腦機交互、AI、分子通信等新興技術，塑造高效學習、便捷購物、協同辦公、健康生命等生活新形態。

2)智賦生產：通過應用新興信息技術為現有農業生產、工業生產深度賦能，可為生產的健康發展增添強勁動力，進而促進數字經濟的迅猛發展。

3)智煥社會：移動通信網絡構建智慧社會，融合陸基、空基、天基和海基實現“泛在覆蓋”，極大延展公共服務覆蓋面、縮小不同地區的數字鴻溝，切實提升社會治理精細化水平，從而為構建智慧泛在的美好社會打下堅實基礎。

3.2 網絡關鍵性能指標

為了滿足以上新場景的更高要求，6G空口技術和架構需要相應的變革，潛在使能技術的研究迫在眉睫，如全頻段接入、新型編碼調制技術、超大規模天線、太赫茲和可見光通信、電磁波新維度以及空天地一體化網絡等。

依賴于上述及其他潛在使能技術，未來的網絡能力將得到極大提升，從而可以為用戶提供更加豐富的業務和應用。不同應用場景下對應的網絡性能指標需求和潛在使能技術如圖3所示。

圖3 2030+網絡性能指標需求及潛在技術

文獻[9]給出了針對新業務的網絡關鍵性能指標測算方法建議。例如，針對uRLLC場景下需要滿足的性能指標，應從傳輸時延、可靠性、傳輸速率等方面進行綜合考慮。文獻[10]提出了一種覆蓋范圍、傳輸速率、時延、可靠性等四個性能指標的綜合量化評估方法，可用于在未來的6G場景下，針對支持新業務的性能指標進行綜合評估。

4 總結

5 G 技術基本完成第一波商用，在消費者市場已實現全面發展，各行各業也已認同5G的使能價值、正逐步實現融合發展之際，本文重點探索了5G網絡演進的驅動力及關鍵技術方向，意圖進一步增強5G性能、匹配客戶需求、擴展5G應用。在5G方興未艾、6G已成為研究熱點的背景下，為此，本文給出了6G總體愿景和應用場景，探討了網絡關鍵性能指標的測算方法，以期為業界提供有益的參考。