中移智库6G物联网未来应用场景及能力白皮书

6G物联网未来应用场景及能力白皮书 （2023年） 中国移动通信研究院 · 前言 本白皮书通过分析物联网的发展状况、面临的挑战、6G物联网的特点和研究现状，进而提出6G物联网的发展愿景。并通过分析覆盖生活、生产和社会三大类应用领域的6G物联网十二个典型应用场景，提炼核心能力要求，希望能够为产业在研究和推进6G物联网技术及应用时提供参考。 本白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。 中国移动6G物联网未来应用场景及能力白皮书（2023） 目录 1.6G物联网发展概述2 1.1物联网的发展现状及挑战2 1.26G物联网的概念和特点3 1.36G物联网的发展愿景5 2.6G物联网未来应用场景6 2.1智享生活7 2.1.1智慧健康7 2.1.2智慧家庭8 2.1.3智慧教育9 2.1.4智慧文旅10 2.2智赋生产11 2.2.1智慧工业11 2.2.2智慧建造11 2.2.3智慧能源12 2.2.4智慧农牧13 2.3智焕社会14 2.3.1智慧城市14 2.3.2智慧交通15 2.3.3智慧生态16 2.3.4智慧零售17 3.6G物联网能力要求18 3.16G物联网能力维度18 3.26G物联网能力要求20 3.2.1感知20 3.2.2通信21 3.2.3算力21 3.2.4平台23 3.2.5智能23 3.2.6应用24 3.2.7管理25 3.2.8安全26 4.总结与展望26 缩略语列表28 参考文献29 参编单位及人员33 1.6G物联网发展概述 1.1物联网的发展现状及挑战 物联网(InternetofThings,IoT)是通过感知设备，按照约定协议，连接物、人、系统和信息资源，实现对物理和虚拟世界的信息进行处理并作出反应的智能服务系统[1]。随着社会与经济的发展，生活、生产和社会各个领域对物联网的需求逐渐加大，物联网已经广泛服务于国计民生。 迄今，移动通信技术不断演进，移动运营商提供的蜂窝网络具备广阔的覆盖和高质量的服务，成为了社会经济数字化和信息化水平发展的重要推手，并为物联网奠定了坚实的连接基础。4G提供的高数据速率、低延迟、高可靠性和广泛可用性极大的支持了可穿戴设备、视频监控、工厂AGV小车等物联网应用。以Cat1、Cat4为代表的移动物联网技术为终端提供低成本连接能力，降低了物联网的实施成本，支持智能抄表、共享单车、环境监测等场景。随着5G时代的到来，物联网也迎来了巨大的发展机遇。5G主要面向mMTC，uRLLC和eMBB三大类场景，在窄带物联网广覆盖不断完善的基础上，5G物联网进一步演进了RedCap等物联能力，更加突出了对大连接、高可靠、低时延等特性的支持。由此，物联网实现了更大连接、更广覆盖和更优体验，在家居、工业、能源、交通、城市管理等场景的应用初见成效，这些应用便利了人们的生活，提高了生活质量，降低了生产成本，提高了管理智能化和自动化程度，将万物互联带入了生产、生活和社会的方方面面。 随着生产生活不断向数字化和智能化迈进，更多的物有了联网的需求，并衍生出更多的应用场景，这也为当下的物联网带来了诸多挑战。在网络吞吐量方面，随着联网设备的增多和高带宽业务的普及，全网数据吞吐量将呈现爆发式增长。据预测[2]，到2030年，网络吞吐量将达到5000EB/月，物联网终端规模将达到5000亿，为现有网络承载能力带来了挑战。在传输速率方面，随着全息成像等需要实时传输大容量数据的物联网应用的增多，当前物联网的速率需要进一步提高。例如，实时精细的3D影像甚至需要1Tb/s的传输速率支持[3]。在通信时延方面，5G已经将时延降低至毫秒级，在远程手术和远程工业控制等极致场景下， 可能要求百微秒级的传输延迟，部分场景需要低于50微秒[4]。在网络覆盖方面，未来6G物联网有望面向高空、远海以及地下深处提供连接，并克服由于多普勒效应带来的通信信号失真影响。在功耗方面，许多物联网设备分布在广泛的地理区域，且需要长时间运行，这给电池寿命和充电基础设施带来了挑战，未来物联网的发展需要注重能源效率和可持续性。在信息安全方面，物联网数据易受到网络攻击，导致数据泄露和未经授权的访问等严重后果，信息安全日益重要。在能力融合方面，现有的很多物联网能力是相互独立的，难以实现不同能力间的深度融合。例如，很多物联网终端只具备基础感知能力，缺少网络传输或计算能力，导致无法应用于更丰富的场景中。 综上所述，为满足未来应用的需求，物联网技术将持续演进，确保各类业务的高效、安全和可持续发展。 1.26G物联网的概念和特点 6G物联网是以6G网络为通信基础设施的物联网。6G为物联网提供超高速、低时延、多连接、高能效、智能化和安全的数据传输，基于6G技术的深度赋能，物联网端到端系统能够实现更强大的智能和自主性，能够实时精准感知环境、做出智能决策并提供个性化的服务。6G物联网将融合下一代移动通信技术和物联网技术，有望成为物联网发展的下一个阶段。 中国移动提出未来6G需要具备即插即用、灵活按需部署和扩展、提供按需服务、自治自演进、智慧内生和安全内生等重要特征，以满足全社会的需求，并实现6G智能世界的构想。2022年，中国移动发布了“三体四层五面”的6G架构总体设计（图1）。从空间、逻辑和功能三个维度呈现一个跨域、跨层、多维的6G网络。在空间维度，除网络本体外，新定义了管理编排体和数字孪生体，实现6G网络从物理空间到数字空间的扩展。在逻辑维度，突出了6G架构在分层要素和能力上的丰富，并体现了跨域拉通、多域协同及融合发展的理念。在功能维度，增强传统控制面、用户面功能，并引入新的数据面、智能面和安全面，进一步强化了功能类别。未来6G的通信能力将实现大幅提升：一是通信速率更高，特定场景下峰值速率为50Gbps、100Gbps和200Gbps[5]，甚至有望达到1Tbps[6]。二是频谱效率和区域流量密度更高，频谱效率可比5G高1.5-3倍，区域流量密 度可达到30Mbps/平米和50Mbps/平米。三是支持连接数更多、移动性更强，可满足每平方公里106-108个设备的接入规模，支持500-1000km/h的高移动性。 四是时延更低，空口时延可低至0.1-1毫秒。五是网络可靠性更高，空口的可靠 性可达到1-10-5至1-10-7。基于灵活的网络架构和强大的通信能力，6G将进一步缩小现实世界与数字世界的鸿沟，极大的满足人与人、人与物、人与环境之间的沟通交互，提供不受时间空间限制的沉浸化交互体验。 图1.“三体四层五面”的6G总体架构 6G将在网络特征、系统架构、网络性能等方面带来系统性变革，6G物联网 则需要更加关注与感知、智能、控制、节能等方面的能力融合，以适应更加广阔 的场景，具体表现在： 6G物联网将实现更精细化的多维感知。6G物联网感知设备将利用多种传感 器和智能算法的集成应用，包括图像识别、声音识别、温度感知、压力感知、气 味感知、触觉感知等，实现对感知对象不同形态、特征、变化方式的识别和理解。 这包含至少两个路径，一是6G物联网终端将具备更强的感知能力，甚至包括极 低功耗、极低成本的终端，例如具备温湿度、振动等多种感知能力的无源标签； 二是通信和感知融合化，基于雷达的原理，利用通信信号实现对物体位置和速度 的感知能力。 6G物联网将具有更强的端侧智能水平。人工智能技术将被大量应用于6G物 联网终端中，结合边侧计算和小样本学习等技术，终端将具有更高的自我学习、 自我认知能力来处理更大量的信息，进而实现智能资源分配、智能规划和检测、 智能决策等功能，构筑6G物联网强大的系统“末梢”，进而通过端边云协同，实现算力资源、智能模型的高效编排和管理，适用于更多行业场景。 6G物联网将追求极致低功耗。6G物联网支持终端通过环境能量采集的方式实现自供能，并利用空间射频信号的反向散射通信将终端功耗降低至10微瓦左右，让更多终端摆脱供电的限制。同时，考虑到环境受限，更多物联网终端需要长时间运行，需要稳定维持在较低功耗水平。 6G物联网将支持更微型化的终端形态。未来物联网设备将在更小的空间应用，满足各类狭小空间应用的终端部署需求。物联网微域通信将在人体内、物体内实现自组织网络，并与外界通信。例如，在医疗保健领域，可植入的微型设备能帮助医生实时监测患者的身体状况。 6G物联网将支持更多样化的连接。通过融合多种异构网络，例如：下一代蓝牙、下一代Wi-Fi，以及具备“低时延、高可靠、抗干扰”特性的新型短距（端侧直连通信）技术等等，6G物联网可以充分发挥不同网络的优势，实现更多设备的互联互通，提高信息交互的质量和效率，为生活和生产带来更多便利。 未来，6G物联网将有望通过更丰富和更精准的感知能力、更广的连接能力、更强的计算能力、更大的安全保障能力、更低的功耗等实现“空、天、地、海”全域物联，在连接的基础上，进一步让物像人一样可思考、可互动、可决策、可实施，推动全人类、全社会的数字化转型，真正实现“万物互联”，并促进创新应用的发展，进而实现“万物智联”。 1.36G物联网的发展愿景 2020年，中国移动提出“数字孪生、智慧泛在”的6G愿景，6G物联网的愿景是在6G愿景的基础上，进一步实现万物智联。未来，6G物联网能够建立万事万物的数字化映射，与现实世界的物体和场景进行精确的互动，更好地理解和预测物理世界的行为和变化，从而优化决策和操作，构建更加便捷、高效、安全和可持续的生态。6G物联网能够支持智能设备和系统渗透到生活、生产和社会的方方面面，形成智慧的感知、通信、存储、计算、控制、决策和应用，通过无处不在的智慧，优化资源利用、提高效率和响应能力。6G物联网能够将万事万物有机的连接起来，实现物与物之间的无缝通信和协同工作，通过物体、设备和场景的连接，可进行智能化的监测、控制和管理，进而创造更加智慧、高效和可持续的世界。 未来，6G物联网将面向生活、生产、社会等领域，进一步提升人民幸福感。在生活方面，随着个人与家庭之间的互联需求提升，一方面6G物联网需要提供更先进的体征监测技术、更精细的数据分析和处理算法、更高可靠的数据传输和存储能力，以支持人们的健康监测和管理需求，同时将支撑家庭互联化，个人设备之间会形成更加智能化和紧密的联系，提供更精准化、个性化、多样化、沉浸式的娱乐教育与多媒体服务。在生产方面，未来企业需要更高精度、更实时的数据收集和处理能力，同时需要实现全链条自动化、智能协作等功能，6G物联网需要提供更快、更稳定的通信网络、更高效的计算和储存能力、更精准和多维度的感知技术和更先进的机器学习算法等技术支持。在社会方面，面向智慧城市数字化、智能化、人性化等目标，6G物联网需实现更好的城市物联网覆盖、智慧交通系统、智能环保、智慧公共安全等能力，提供更高速度、更好的网络容量、更可靠的数据安全保障等技术支撑。同时，6G物联网需具备更好的扩展性和兼容性，以积极应对城市快速发展的要求。 2.6G物联网未来应用场景 面向未来构筑全域物联、全域智联的可持续数字生态系统的发展目标，6G物联网将进一步构建智享生活、智赋生产、智焕社会三大类应用场景[7]，实现人民生活幸福感提升、行业生产全面自治和社会可持续发展。 在智享生活领域，6G物联网将通过纳米级感知、微域物联、人工智能等技术，精准感知细胞、血管、器官等不同维度对象，实现人体健康状态全生命周期管理。基于新型无源物联网、融合定位、通感一体等技术，实现智慧家庭全连接，并结合AR、VR等技术，形成全新的教育和娱乐模式，提升生活幸福感。 在智赋生产领域，6G物联网将通过多传感融合、确定性传输等能力，解决现有行业老旧设备无法实现信息化改造的问题，实现行业全连接，并通过实时计算、实时交互等能力，结合行业知识模型，实现设备与设备之间可相互理解、沟通和协作，助力行业实现“有人”到“无人”的转变。 在智焕社会领域，6G物联网将通过全域感知、通感融合、无源物联等能力， 实现社会数字化、智能化、平台化，加速