6G通信時代產業生態典型機會探析

劉 星 封華偉

（清華大學，北京 100084）

0 引言

隨著世界各國針對第六代通信技術（6G）的愿景、技術、頻譜、標準等陸續展開研究和規劃，6G所涉及的產業生態機會也成為產學研各界的關注點。

6G所涉及的產業生態已顯著擴張[1-3]，廣泛地拓展到星地海洋通訊、飛行器、可調元件、顯示設備等眾多領域。要實現從5G向6G的躍升，需要在全域覆蓋、更低時延、更高的用戶體驗速率，以及智能化程度等多方面取得突破。鑒于此，本文選取6G規劃中在全域覆蓋方面最具潛力的網絡使能技術之一——星地一體化，在智能化程度方面最具潛力的無線使能技術之一——智能超表面，在更低時延、更高的用戶體驗速率方面選取市場規模預期最大的垂直應用之一——擴展現實（XR），作為典型產業生態機會加以分析。

1 智能超表面

智能超表面與超材料密切相關。超材料是人為設計的具有天然材料所不具備的特異物理性質的材料，而智能超表面是操控超材料在移動通信領域的應用。智能超表面由眾多可調元件組成，這些可調元件可以是變容二極管、PIN開關、MEMS開關、液晶、石墨烯等，通過對這些可調元件施加偏置電壓可以實現對電磁波的動態調控，從而控制反射信號的幅度、相位等特性。具體的調控方式包括通過FPGA編程，采用人工智能算法建立輸入信號和輸出信號之間的映射關系，從而實現對信號傳播的控制。

1.1 智能超表面的技術實現與應用

智能超表面由于具有控制信號傳播的能力，能夠滿足6G網絡的擴大覆蓋面以及去蜂窩化的要求，尤其適用于建筑物密集區域。

1.1.1 消除覆蓋盲區

當發射基站和接受終端是非視距信道時（即它們的直線傳播途徑被障礙物阻擋），必須借助反射路徑進行傳播，而一般物體所產生的漫反射讓信號難以集中反射到接受終端。此時可以通過調整智能超表面的可控元件，讓反射信號集中傳遞到覆蓋盲區。

1.1.2 安全通信阻斷竊聽

常規的基站信號不能主動選擇接受用戶，當發現有竊聽者時也不能在保證其他用戶通信的情況下阻斷竊聽者接受信號。借助智能超表面技術，當得知竊聽者的方位后，可以控制對應方向的反射信號的相位，抵消該方向的直射信號，使竊聽者接收不到信號，從而保證了通信的安全。

1.1.3 增強邊緣覆蓋

位于小區邊緣的終端，在本區信號較弱的同時還會受到鄰區信號干擾。智能超表面可以通過操控反射信號的相位，讓本區的同相疊加增強，鄰區的反相疊加抵消，在增強邊緣覆蓋的同時消除鄰區干擾。

1.2 智能超表面的產業生態機會

目前，智能超表面的部分技術環節仍在攻堅階段。例如，選取合適的人工智能算法[4]來提供自適應的超表面實時調控以適應環境的變化，將無源的RIS變為有源來克服RIS的“乘性衰落”效應。

智能超表面的核心在于可調元件，如變容二極管、PIN開關、MEMS開關、液晶、石墨烯等。在此市場機會下，液晶行業，二極管，以及MEMS傳感器行業的龍頭企業均有可能率先獲益。

2 星地深度融合

衛星互聯網能夠覆蓋鄉村、邊遠、海上、空中的用戶，覆蓋容量大。衛星互聯網的另一個優勢是能讓車、船、飛機這些移動的載體能夠不間斷地傳遞信息，在搶險救災和軍事活動方面發揮巨大作用。在用戶與應用層面，6G的物聯網服務為信號較差的農牧場、海洋、偏僻的科學站點及荒郊野外的旅游探險者提供了全域覆蓋，帶來更多便捷。

2.1 星地深度融合的技術實現與應用

星地深度融合是空天地一體化的通信網絡，自上而下分為天基通信、空基通信和地基通信三個層次。

天基通信的設備主要是衛星，其產業鏈又可分為衛星的制造、發射、地面設備制造以及衛星運營及服務四個環節，進而又涉及到火箭，運營設備以及終端芯片等產業。

在3～50km的空基通信中，主要設備為高空平臺（HAPS： High Altitude Platform Station）和飛機。HAPS是衛星與地面基站的中轉設備，一般具有浮空的特點，即長時間停留在固定的高空位置，一般有飛艇、氣球、無人機三種設備。

在小于3km的地基通信設備中，又可分為無人飛行器（UAV）、基站和衛星信關站。衛星信關站在公眾電話交換網絡（PSTN）和全球移動衛星通信（GMSC）之間起轉接作用。

地面用戶想要使用到衛星的服務，有直接接入、通過HAPS接入和通過衛星信關站接入等多種方式。一般小型的電子設備（如手機）需安裝天線等信號接收設備要來接入衛星網絡，會喪失手機的便攜性。此外，要和衛星形成互通的網絡，還要有向衛星發射信號的能力，對手機的功率和電池容量都是一個考驗。所以，目前來看，直接接入衛星信號的方式更適合輪船、坦克等大型設備。HAPS和衛星信關站都是衛星信號傳輸的中轉站，區別在于HAPS是空基中轉站，而衛星信關站是地基中轉站，前者可以采用飛艇、熱氣球等浮空設備，沒有地形限制，而衛星信關站是建立在地面上，成本較低，可以大量建設覆蓋。

2.2 星地深度融合的產業生態機會

在星地深度融合的市場機會下，近地低軌道通信衛星（LEO）的衛星制造公司[5]值得關注。此外，具備核心技術的微波毫米波射頻芯片領軍企業也將隨著6G行業的發展而受益。高空平臺一般由飛艇、氣球、無人機組成，國內的飛艇制造企業，以及國內僅三家持有熱氣球生產資格證的公司，均有機會在產業發展中獲益。

3 擴展現實

擴展現實（XR）包括虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和混合現實（MR）。VR是利用計算機生成的一種模擬環境，是一種多源信息融合交互的三維動態仿真，使用戶沉浸到該環境中，是完全虛擬的。而AR是實時地計算攝影機影像的位置及角度，并在對應位置添加3D模型技術，目標是將虛擬與現實進行結合互動。MR包括增強現實和增強虛擬，通過在虛擬環境中引入現實場景信息，在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭建一個三者交互的平臺，在MR中現實信息被數字化而與虛擬信息進行融合，此時人們已無法區分現實與虛擬的邊界。

3.1 擴展現實的技術實現與應用

在理想的未來，XR的發展達到能夠讓人所有的感官都具備沉浸式的感受時，XR基本就可以讓人足不出戶地做一切想做的事。用戶將不再受到時間和地點的限制，隨時能享受到虛擬的教育、旅游、運動等完全沉浸式體驗。

為了讓人們能有沉浸式的體驗，XR的設備要盡可能真實地模擬出人體的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等感官，并與人進行交互。

3.1.1 XR視覺設備

目前視覺是最考驗設備性能和網絡傳輸速率的功能。傳統的顯示器是平面的，在人的視野范圍內只占一小塊，而XR顯示器是球面的，有著更廣闊的視野。一般而言，XR的視場角（Field of View“FOV”）要達到130°才能有較好的體驗。

除此以外，XR設備是把畫面投影到人眼前25～50cm處，比一般的顯示設備離人眼的距離更近，更容易出現紗窗效應，看到鋸齒和點陣，所以XR顯示器要比傳統顯示器對清晰度的要求更高。

具體到參數上的要求就是角分辨率一般要達到60ppd。而目前的4K視頻換算成XR全景只有約11ppd。目前領先的技術Micro LED宣稱可以達到30ppd，離滿足擴展現實的要求又更近了一步，但現階段成本居高不下，尚未實現量產。市場主流VR設備搭載的顯示屏仍以LCD/ Fast LCD為主。

在目前的XR設備的用戶體驗中，除了清晰度，刷新率也很重要，這兩個參數如果不達標，可能會導致暈動癥的產生。目前市面上主流的VR眼睛已經能達到90～120HZ的刷新率，但是想要擁有足夠真實的體驗，刷新率要達到150～240Hz以上才能實現。

就目前市面上已有的VR設備來看，在屏幕類型、視場角、角分辨率和刷新率幾個重要維度的參數指標上，距離理想值仍有一定差距（參見表1）。

表1 VR設備搭載的微型顯示屏設備參數對比

3.1.2 XR聽覺設備

沉浸式XR設備要能夠具備全向三維定位虛擬聲源的能力和三維實時跟蹤聲音位置變化能力。一般而言，耳機設備通常是雙聲道，滿足立體聲的要求，而揚聲器則難以控制兩個耳膜收到的信號之差，未來可能的發展方向是用多個固定揚聲器來做到立體環繞聲。目前來看，XR設備中的聽覺已基本滿足要求，技術較為成熟。

3.1.3 XR觸覺、嗅覺、味覺設備

觸覺、嗅覺、味覺都還處在概念階段。

Meta Reality Labs 2021年11月16日公布旗下一款觸覺手套的設計，采用微流控處理器讓佩戴者感受到觸覺，然而這款手套依然處于早期研究階段，Meta Reality Labs尚未發布具體完成時間。

嗅覺方面，目前市面上一款日本公司研發的VAQSO VR，售價999美元，現階段能模擬五種氣味，像打印機一樣包含五個可更換的墨盒，每個墨盒裝有一種香水，不過氣味數有限且需提前布置，距離真正實現嗅覺的沉浸式感受還有很遠的距離。

味覺是所有感官中最難模擬的。詹姆斯·比爾德基金會（James Beard Foundation）在2018年推出的Aero banquets RMX通過視覺、聽覺、嗅覺等綜合作用，通過通感式的解決方式“仿造”了味覺的感知。

3.1.4 XR交互設備

沉浸式XR涉及語音交互、頭手交互、定位交互等復雜的交互方式。燈塔定位和頭手自由度是兩個重要的交互要素。以燈塔定位精度領先的交互產品HTC VIVE為例，其1.0版本是激光掃描器每分鐘3600轉，每秒15次定位，已基本滿足定位需求。頭手自由度交互一般分為3自由度和6自由度兩種，3自由度指的是xyz三個坐標方向的平移，6自由度在此基礎上多了繞xyz三個坐標的旋轉。目前市場上的VR設備大多支持6自由度。

3.1.5 XR設備的網絡需求

XR系統將實現用戶和環境的語言、頭手、眼球交互等復雜業務，需要有超低的時延和超高的帶寬。

時延方面，5G端到端時延1ms，6G端到端時延0.1ms，均可滿足XR對時延的要求（20ms）。

帶寬方面，5G峰值速率10～20Gbps，但是現階段用戶體驗速率在50～100Mbps，可滿足現階段 8K 顯 示（55.3 Mbps）[6]， 難 以支撐16K UHD（超高清）視頻顯示（0.9Gbps），除非顯著提升5G的用戶體驗速率，否則無法支撐XR理想的完全沉浸狀態（3.8Gbps）[7]。相比而言，6G的用戶體驗速率可達到10Gbps，因此，6G時代有望在更多場景、更大范圍內滿足XR對網絡吞吐量的要求。

3.2 擴展現實的產業生態機會

作為6G應用層面的市場機會熱點，VR和AR的市場規模有望在2030年分別達到447億美元和870億美元[7]。

視覺是當前XR設備最關注的因素，各大VR設備廠商熱衷于在顯示屏的觀感上競爭；聽覺設備的技術產業化應用比較成熟，不構成制約XR發展的因素；觸覺是接下來發展的側重點；嗅覺和味覺目前還只是處于實驗室研究和概念性階段。

從產業生態來看，具有Micro LED核心技術和制造能力的廠商及性能指標領先的VR終端設備廠商或將率先獲益。觸覺方面目前還沒有量產的設備，掌握核心技術的多維度觸覺傳感器初創公司值得關注。