6G频谱——实现2030年以后的未来移动生活

爱立信白皮书GFTL-23:000243Uen 2023年3月 6g频谱 使未来移动生活超过 2030 内容 设想的生活方式在2030年及以后4 sub-THz范围（92-300GHz）在利基场景中的补充作用15 作者25 介绍 5G仍处于早期阶段，其发展速度甚至比前几代蜂窝通信还要快。虽然世界许多地方尚未发生多波部署和升级浪潮，但ICT行业，学术界和标准化机构已经开始讨论和投资新技术，以推动下一代无限无线可能性，超越5G和5G-Advanced迈向6G。爱立信认为，未来的网络将成为虚拟化生活、社会和工业各个部分的基本组成部分 ，满足人类和智能机器的通信需求。为了实现6G支持的未来网络愿景并充分发挥其潜力，需要确保及时的频谱可用性。本白皮书重点介绍频谱在释放6G全部潜力方面的作用，以及重要性 现有频谱以及额外频谱以及考虑适当授权制度的必要性。 设想的生活方式在2030年及以后 到2030年，5G将已经塑造了行业和社会10年。新的应用和服务将出现，并从5G部署中吸取教训。5G是一项革命性的技术，它使机器能够相互通信以及与人进行通信，预计6G将持续革命，将数字世界和物理世界结合在一起。 爱立信已经开始了解2030年及以后的生活，以及网络将如何实现这一目标，探索技术。 使之成为可能的组件。预计到2030年，第一批6G网络将被部署，一些设想的用例将成为现实。随着6G的发展，更复杂的用例将随之而来。 正如白皮书《6G——连接网络物理世界》[1]中所述，预计2030年的社会将围绕日益先进的技术进行转型，其中网络充当通信和信息骨干，允许随时随地进行通信。 未来的6G网络将为沉浸式、无处不在和感官的数字体验开辟新的技术可能性。大规模部署6G应用将改变人们的生活方式。感官互联网有可能大大减少 需要为工作、休闲、教育或医疗保健而旅行，因此做出贡献 对减少温室气体排放具有重大意义，从而产生巨大的社会影响。 数字感官体验还可以通过非物质化产品和增强服务来减少碳足迹，从而减少能源消耗和资源消耗。此外，先进的XR和全息通信将在医疗保健，教育，工业，娱乐等领域实现新的范式转变。全民电子卫生是6G目标之一，旨在为包括偏远农村地区在内的所有人远程提供具有成本效益的视频/XR医生咨询。随时随地为每个人提供沉浸式和包容性的混合学习是另一个具有巨大社会影响的用例。 下面的图1概述了爱立信设想的6G技术用例类别： 互联网的感觉在感官互联网中，视觉、音频、触觉和其他技术使人类拥有类似于物理世界中体验的数字感官体验。 数字化和可编程 连接的智能机器 用例6克的类别 人类和社会需要 到2030年，移动网络将支持新型智能实体，如人工智能驱动的智能机器相互通信。协作机器人或协作机器人是一个关键用例。 物理世界在未来， 现实世界中所有物理事物和地点——建筑物 ， 道路、工厂、农田、宠物等 在数字世界中，将由软件和人工智能驱动的数字世界翻倍。 数字双是一个重要的用例。 图1:6克用例的类别 连接可持续的世界 在最大限度地发挥当前和未来移动网络带来的积极影响的同时，最大限度地减少ICT行业的环境足迹至关重要。 迈向6G的旅程并非一帆风顺，将通过多年来从5G演进中不断学习，以及为有远见的用例探索突破性的新技术来塑造。为了应对这些未来的挑战，6G需要继续超越5G的技术极限，走向沉浸式通信和无处不在的物联网（IoT）。此外，应探索全新的功能维度，集成计算服务并提供超越通信的功能，如空间和计时数据。6G的技术路径如图2所示。 身临其境的 沟通 eMBB eMBB Compute-AI 服务 全球宽带 URLLCmMTC URLLCmMTC 关键服务 无所不在的物联网 时空服务 5克5g先进6g 图2:从5g-6g 6g用例及其频谱的影响 6G将服务于广泛的用例。显然，移动宽带将继续是一个重要的用例。2022年11月发行的爱立信移动报告[2] 表明，移动网络数据流量在过去两年中翻了一番。预计流量 因此，在未来许多年呈指数级增长，因此，对这种流量增长的成本效益支持对于6G网络至关重要，即使不考虑新的用例，也需要额外的频谱。 当涉及到全息通信等新用例时，即使是看似适度的要求也会显着推动对额外频谱的需求。大多数应用将需要室外和室内移动性，虽然Wi-Fi和其他室内解决方案有望在部分卸载室内流量方面发挥重要作用，但移动网络仍然是实现广域移动并确保即使在密闭环境之外也能实现低延迟的关键。例如，大规模 元宇宙和全息用例添加如果只在家里启用？因此，必须提供适合广域覆盖的频谱。 2d视频通信 今天的视听数字通信只是一个开始，它将在未来发展包括额外的感官体验 3d增强commnunication 我们的数字体验越来越身临其境,从XR和演进的方向全息通讯 2030年~ 感觉沟通 多种感觉的扩展随着时间的推移，将提高视听以外的沉浸感，以其他感官，例如触觉,味觉和嗅觉 20222030>2030 图3：2022年至2030年及以后不断发展的通信模式 为了评估全息通信所需的频谱量，必须考虑所需的高数据速率。数据速率要求是由对从不同角度捕获的大量高分辨率图像进行编码以低延迟驱动的，以促进逼真和流畅的观看体验并减少晕动病。低延迟的要求限制了视频编码的可能性，从而对必要的数据速率提出了进一步的要求。一个常见的估计是，对于单个用户的上行和下行 ，高分辨率全息通信需要分别支持100Mbit/s和1Gbit/s的数据速率[3]。 全息通信不仅从数据速率的角度来看要求很高，而且从容量的角度来看也更具挑战性。在广域城市环境中 对于0.004个用户/平方米，假设60%的流量卸载到Wi-Fi，这将转化为下行链路中的1.6Mbit/s/m²。在站点 间距离为200m的相对密集的三扇区网络中，这意味着55Gbit/s/站点。假设每个扇区的下行链路频谱效率为 7.8bit/s/Hz（请注意，尽管IMT-2030/6G通常预计具有比IMT-2020/5G更高的频谱效率，但全息通信的延迟要求是一个限制因素），这意味着大约2.4GHz的频谱适合广域覆盖。随着时间的推移，逼真的全息通信将辅以触觉、味觉和嗅觉等多感官扩展，以提高视听以外的沉浸感，实现感官互联网视觉。这将进一步推动要处理的数据量。 显然，这些数字取决于所做的假设，但未来的全息通信和感官互联网将需要大量适合广域覆盖的频谱这一事实仍然成立。 庞大的数字孪生是广域频谱的另一个驱动力。智能城市等一些数字孪生应用将需要提供良好容量的广域频谱 。例如，构建城市的高精度4D数字地图需要收集有关城市建筑物、车辆、道路、交通状况、水管理、卫生 、垃圾收集和电力服务的数据和信息，仅举几例。 尽管在许多情况下，每个传感器的数据速率适中，但传感器的绝对数量在聚合数据速率方面带来了挑战。例如，假设每个传感器15kbit/s和10个传感器/m²，则需要150kbit/s/m²。数字孪生不仅有望在非常密集的城市部署中实现，而且在预计频谱效率较低的密度较低的郊区也是如此。注意到连接到此用例的UL密集型流量，站点间距离为500m，上行链路频谱效率为11bit/s/Hz（大约是5G的两倍），通信需要大约300MHz的广域频谱。此外，在这种情况下，确切的数字取决于所做的假设-例如，上面没有假设视频或其他高数据速率传感器-但很明显需要相当数量的广域频谱。 图4：大规模数字孪生、智慧城市示例——现实世界的数字副本 基于无线电的传感，即类似雷达的操作，除了上面讨论的传感器之外，还可以为数字孪生提供输入。例如，位于街道交叉口的基站可用于估计车辆的位置或速度，以协助交通安全应用。如果需要0.5m范围分辨率，则至少需要300MHz的带宽。 大规模数字孪生和基于无线电的传感的频谱需求是全息通信驱动的频谱需求的补充，因为它们是不同用户的不协调用例。这导致广域频谱总共约为3GHz。 除了需要广域覆盖的用例外，还有一些用例的本地覆盖范围就足够了。例如工厂和医院的专业高分辨率全息通信、数据中心计算单元的无线连接或室内移动宽带。所需的数据速率因用例而异，但很容易达到约100Gbit/s，这表明在这种本地场景中需要10-15GHz的频谱，补充了广域频谱。 最后，需要注意的是，本节中讨论的一组用例并不详尽，而是在传统移动宽带、固定无线接入和增强现实（ AR）/虚拟现实（VR）等现有服务持续增长的基础上代表新的用例。 无可争辩的需要额外的频谱 近年来，5G技术引起了当地监管机构的极大兴趣，这些机构已经努力在低频段，中频段和频段分配频谱。高频段范围。5G部署的程度在世界各地有所不同，部分原因是频谱分配的速度不同。预计到2030年，所有这些范围内的足够频谱将被释放，以释放5G及其演进的全部潜力（5G-Advanced）。 低频段频谱或低于1GHz范围的频谱，特别是 600MHz和700MHz范围为移动网络提供基本覆盖层。这是唯一能够覆盖偏远和偏远农村地区的靶场，有助于弥合数字鸿沟，为社会各阶层带来平等机会。通过智能农业实现农村地区的数字化以实现净零排放目标也需要低于1GHz的频谱。 此外，移动中的任何地方（例如，农村道路）的连接只能在此范围内使用足够的频谱来实现。Sub-1GHz不仅对农村地区至关重要，而且对于密集区域（例如地下室）的深度室内覆盖也至关重要。由于 这种范围传播大的特点，全国范围的移动许可证代表了最合适的授权制度。 另一方面，高频段或毫米波范围内的传播特性，例如26/28GHz或40GHz，可在局部密集环境中实现高容量 ，以及企业所需的极低延迟和高可靠性。此范围内的分配范围从全国范围到世界各地的局部区域连接（具有不同大小的区域）不等。可以指出，虽然部署并不严格要求在全国范围内发放许可证，但这种授权制度确实带来了好处，例如，在投资和在一国境内根据需要部署的灵活性方面。 中频频谱介于这些范围之间，在容量和覆盖范围之间提供平衡，因此对于具有成本效益的广域网至关重要。它包括已经可用的3.3-4.2GHz和4.4-5GHz，将来将包括6.425- 7.125GHz频段。事实上，这个范围已经成为全球分配给5G最多的范围，这可以从支持它的设备数量中得到证明。在这个范围内有足够的频谱对于实现移动宽带的持续数据增长以及在城市地区引入XR至关重要，包括5G时代的移动性。今天，由于设备功能，AR/VR仅限于局部区域，但预计 随着AR/VR设备的技术进步，从2025年开始，广域使用将触手可及。该范围也是解决主要道路容量需求以及为光纤无法到达的小城镇和村庄提供固定连接的关键，从而提高整个社会的包容性。此范围内的授权制度必须允许广域部署（例如，通过全国许可）。此外，该频谱还可以帮助满足企业需求，例如通过移动网络运营商（MNO）。 预计到2030年部署的网络将受益于频谱效率更高的技术，从而根据市场需求逐步迁移到6G。这是今天的常见做法，预计这种情况将继续发生。作为第二步，通信服务提供商可以将致密化与获取额外频谱相结合，以扩展其部署，以包括宏蜂窝和小型蜂窝，具体取决于具体情况。在正确的时间在不同范围内提供适量的频谱是一个国家成功连接的关键，因此国家监管机构发挥着至关重要的作用。 即使到2030年低、中、高频段的可用频谱将根据市场需求被5G和6G使用，鉴于频谱法规是技术中立的，这也不足以实现5G（5G-Advanced）的增强以及6G愿景。图5显示了从今天到2030年的频谱时间表。 谱在2022在2025-2030年 5g5g-advanced 传统2G/3G/4G频谱传统2G/3G/4G/5G频谱 低(例如600MHz、700MHz)低(例如600MHz) 中期(例如3.5GHz,4.4-4.9GHz) 高(例如26GHz,28GHz) 图5:频谱可用性从2022年到2030年 中期(例如6GHz)高(如40GHz) 如上所述，仅一组6G用例就需要大约3GHz的广域频谱。即使在最佳情况下，这也远未达