编码调制技术性能要求以及评估方法

2024年11月 版权声明CopyrightNotification 未经书面许可禁止打印、复制及通过任何媒体传播 ©2024IMT-2030（6G）推进组版权所有 目录 中英文缩略对照4 1简介5 2技术性能要求7 2.1数据速率要求8 2.1.1引言8 2.1.2单位面积峰值数据速率9 2.2频谱效率要求10 2.2.1引言10 2.2.2峰值频谱效率10 2.3可靠性要求11 2.3.1引言11 2.3.2传输可靠性12 2.4编码增益要求12 2.4.1引言12 2.4.2编码增益13 2.5能量效率要求13 2.5.1引言13 2.5.2单比特功耗14 2.6译码复杂度要求15 2.6.1引言15 2.6.2译码算法复杂度15 2.7时延要求15 2.7.1引言15 2.7.2译码时延16 3性能指标评估方法17 3.1译码数据速率评估方法17 II 3.2单位面积峰值数据速率评估方法19 3.3传输可靠性评估方法20 3.4编码性能评估方法20 3.5单比特功耗评估方法23 3.6译码复杂度评估方法23 3.7译码时延评估方法25 3.8调制增益评估方法27 4结论27 5参考文献28 附录：ITU-R相关文档29 附录：主要贡献信息30 III 中英文缩略对照 AIACArtificialintelligenceandcommunications人工智能与通信HRLLCHyperreliableandlow-latencycommunications超可靠低时延通信MCMassivecommunications海量通信 ICImmersivecommunications沉浸式通信ISACIntegratedsensingandcommunications集成感知与通信UCUbiquitousconnectivity泛在连接 CGCloudGame云游戏 DTNDigitaltwinnetwork数字孪生网络 E-MIMOExtremeMIMO极致MIMO eMBBEnhancedmobilebroadband增强移动宽带 HRHolographicradio全息无线电 IBFDIn-bandfullduplex带内全双工 IMTInternationalMobileTelecommunications国际移动通信LDPCLowdensityparitycheckcode低密度奇偶校验码mMTCMassivemachinetypecommunications大规模机器通信MRMixedReality混合现实 RISReconfigurableintelligentsurface可重构智能表面 SDGsSustainabledevelopmentgoals可持续发展目标 SICSelf-interferencecancellation自干扰消除 TRxPTransmissionreceptionpoint传输接收点 UASUnmannedaircraftsystem无人机系统 UCNUser-centricnetwork用户中心网络 UDNUltra-densenetwork超密集网络 UEPUnequalerrorprotection不等差错保护 XRExtendedreality扩展现实 4 1简介 6G将为用户提供无处不在的高性能无线连接和媲美光纤的极致体验，这将彻底改变人们的日常生活和工作方式[1]。与5G相比，6G的极致体验不仅包括更高清的视频流、更流畅的虚拟现实/增强现实体验、更可靠的连接，还包括更广的覆盖范围以及更低的功耗和更长的电池续航时间。信道编码作为无线通信中的物理层关键技术，是实现IMT-2030极致连接承诺的关键要素。 根据ITU-R56-3决议书中的定义，IMT-2030系统是包括新的无线接口的移动系统，并支持对IMT-2020能力的增强，以及超越IMT2020、IMT-Advanced和IMT-2000的新能力。IMT-2030系统还需要支持包括沉浸式通信(IC)、超可靠低时延通信（HRLLC）、海量通信(MC)、泛在连接(UC)、人工智能与通信(AIAC)、集成感知与通信（ISAC）在内的6种使用场景[2]。 为了支撑这些使用场景，IMT-2030需要具备15项能力，其中包括：特定场景下峰值数据速率在50Gbit/s、100Gbit/s、200Gbit/s甚至更高、300Mbit/s、500Mbit/s甚至更高的体验数据速率、亚毫秒级时延、十倍于5G的连接密度、厘米级定位、毫米级成像、基于可控误差分布的端到端系统可靠性[2]。实现这些目标将推动以人为中心的沉浸式服务发展，加速垂直行业的全面数字化转型和生产力升级。其中，数据速率、频谱效率、时延、编码增益等指标和候选信道编译码策略密切相关，并且属于可以定量评估的能力。 除了上述能力，IMT-2030候选信道编译码方案还需要满足IMT-2030的总体设计原则，如可持续性原则、安全性和弹性原则、连接所有未连接的原则、以及泛在智能原则 [2]。如为了提升系统的弹性，候选信道编译码方案需要具有灵活性、可扩展性、自解码 和非均匀误差保护等特性；可持续原则要求候选信道编码方案具有低能耗，前向兼容等特性；而泛在智能又要求候选信道编码方案具有识别、反馈等特性。这些特性很难通过定量的指标进行评估。为了实现特定的服务或以非传统方式增强通信，可以引入定性的评估方式对候选信道编码策略进行评估。 6G信道编码方案的标准化面临着巨大的挑战。困难主要在于如何去评价一个候选信道编码方案的优劣。与5G信道编码方案的评估方式不同，面对6G的多维KPI，多设备类型，新场景和新用例，6G信道编码方案的评估需要综合考虑不同场景在多维KPI之间的折衷关系，例如性能、可靠性、复杂度和功耗等。为了体现不同目标场景下的折衷关系，需要以连贯的方式扩展相关KPI集合对候选信道编码进行评估。鉴于6G的每 5 个KPI都极具挑战性，我们不应期望这些KPI可以同时被满足。合理的目标是为每个应用场景提供最相关的KPI或KPI子集，并引入多种设备类型来覆盖不同的KPI需求，为每个KPI子集对应一类设备类型，如高吞吐设备、低功耗设备、高可靠低时延设备等。 本报告从ITU-RM.2160建议书中给出的未来发展的框架和总体目标出发，结合外部研究和技术组织正在进行的研究活动和报告，给出了信道编码在IMT-2030预期的六种使用场景中的性能指标要求和相关的背景信息，并给出了建议的评估方法。需要说明的是，本报告采用的分析方法，没有涵盖基于AI的信道编解码，对于这方面的研究，后续会持续跟进。 6 2技术性能要求 本报告中定义的关键技术性能要求是针对IMT-2030候选信道编码技术而制定的，目的是为了能够实现IMT-2030的目标。 根据ITU-RM.2160建议书中的论述，IMT-2030预计提供比IMT-2020增强的功能以及新增的功能。此外，IMT-2030从用户、制造商、应用开发商、网络运营商、垂直行业以及服务和内容提供商等多个角度出发，支持多种部署场景下的一系列环境、服务能力和技术选项。本文档给出的技术性能要求是在ITU-RM.2160定义的15个关键的“IMT-2030的能力”的基础上，综合了ITU-R建议书、各厂商的6G白皮书、以及IMT-2030技术报告和提案后，给出的参考值范围。这些性能指标反映业界对6G所需性能指标的预期，并非所需性能指标的上限或下限，也非硬性指标，主要目的是通过对现有观点的搜集，供行业参与各方讨论。 IMT-2030具有如下设计原则：可持续性、安全性和弹性、能向所有用户提供普遍且不依赖于接入位置的连接所有未连接的特性、以及能提高整体系统性能的泛在智能特性。 表1给出了上述总体设计原则和不同能力之间的映射关系。这种映射并不意味着 IMT-2030的总体设计原则仅能通过表1中的能力来实现，表1中的能力仅用于说明其有助于在所有IMT-2030的六个使用场景中实现这些设计原则。 表1.IMT-2030相关能力和总体设计原则的对应关系 能力 总体设计原则 可持续性 安全性和恢复能力 连接未被连接的 无所不在的智能 灵活性    重传能力    自解码能力   数据速率   面积效率    能量效率    频谱效率   7 译码复杂度   译码时延    编码增益  非均匀误差保护能力  后向兼容能力   识别能力  可扩展性  2.1数据速率要求 2.1.1引言 IMT-2030将进一步增强并扩展5G的增强移动宽带（eMBB）场景。随着人机界面的发展，感官信息（如视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉）的有效传输将成为通信业务的重要组成部分，感官互联有可能成为未来通信的重要方式之一，并广泛应用于医疗健康、技能学习、娱乐生活、工业机械、道路交通、办公生产和情感交互等领域。为了实现这些极致体验，IMT-2030将传感和与人工智能相关的功能集成到通信中，这对无线空口技术提出了新的要求。 为了传输与感知交互相关的参数集以及人工智能所产生的大模型数据集，需要更高的峰值/用户数据速率的支撑。该需求对信道编码设计产生了重大影响。从历史来看，3G到5G的每一代标准提供了上一代10倍的峰值/用户数据速率。 从3G到4G，最主要的变化是LTE-turbo码采纳了二次多项式置换（QPP）交织器，其主要目的是并行化分量卷积码的解码，从而提升Turbo码的译码吞吐[3]。LTE-turbo码的这种升级使得许多高数据速率的应用（如流媒体和视频聊天）成为可能。 从4G到5G,eMBB旨在提供更高的数据速率来支持高清视频流。为了实现这一目标，eMBB数据信道采用了LDPC码[4]。置信传播（BP）解码器支持不同颗粒度的并行性，例如块并行和行并行，这取决于可用的硬件资源。 6G有望提供更高的吞吐率。由于机器感知、机器交互和人工智能（AI）的发展和进步，机器变得智能、自主、响应迅速且精确。数字世界不仅复制现实世界，还通过为 8 人类提供虚拟体验和为机器提供计算和控制来影响现实世界。数字世界和现实世界之间的即时交互需要更高的峰值数据速率来支撑。同时，随着增强现实（AR）、混合现实（MR）、虚拟现实（VR）以及云游戏（CG）等应用的大规模部署，6G峰值数据速率需要在5G信道编码的基础上有10到20倍的提升[2]，这就需要在6G提出新的编译码方案，或基于现有编码方案进行演进。 2.1.2单位面积峰值数据速率 由于移动通信设备的硬件资源有限，6G峰值吞吐的提升不应以芯片面积的大幅增加为代价。因此，对于峰值速率来说，合理的具体评估参量应为单位面积峰值数据速率，又称为面积效率。 该性能指标是指，在单位面积下译码器每秒可以处理的最大译码比特数，以bit/s/mm2为单位。其中单位面积是指译码器芯片的单位面积，译码器每秒可以处理的比特数最大值是每秒中译码器所能译码得到的最大比特数量。 定义该性能指标可以更好地评估沉浸式通信（IC）、人工智能与通信（AIAC）、集成感知与通信（ISAC）等场景对大数据量传输的支持能力，如评估人工智能与通信等场景对传输大模型数据集和参数集的数据速率。 峰值速率的要求如下： –峰值数据速率50,100,200Gbit/s，同时不排除其它速率 –或者，单位面积峰值数据速率50,100,200Gbit/s/mm2~1Tbit/s/mm2 制定单位面积峰值数据速率时，全面考量各类应用场景的特定需求至关重要。国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）在其发布的建议书中，提供了多种峰值数据速率参考值，旨在覆盖多样化的应用需求。鉴于移动设备内部空间及功耗的严格限制，特别是用于信道编译码的芯片面积，其面积往往被严格控制在极小范围内（<1mm²），这要求我们必须设计出高效率的编译码方案，以实现单位面积上的峰值数据速率最大化，确保满足ITU-R建议书中的