【专家视角】中科院院士陆建华:一步一个脚印迈向6G

发布时间:2021-08-31 14:20 点击数:136

8月30日,2021世界5G大会——未来信息通信技术国际研讨会在京举办。会上,中国科学院院士、国家自然科学基金委副主任陆建华作了题为《“需求导向,守正创新,一步一个脚印迈向6G”》的演讲。

以下为演讲全文:

尊敬的邬院士、梅院士,各位专家,大家上午好!非常高兴参加今年的世界5G大会,现在6G是一个热点,我也想结合6G的研讨谈一谈需求导向和守正创新。

总书记在去年科学家座谈会上强调,要坚持需求导向和问题导向,研究方向的选择要坚持需求导向,要从国家急迫需求和长远需求出发,真正解决实际问题,他还引用恩格斯的话,社会一旦有技术上的需求,这种需求就会比十所大学更能把科学推向前进。今年7月19日,李克强总理在考察国家自然科学基金委时说,我们到了要大声疾呼加强基础研究的关键时刻,基础研究是推动原始创新,构筑科技和产业发展高楼的基石。

这些就是我今天汇报的主要内容,先谈一谈需求,然后结合通信网络信息分享我的一些观点。

大家都在问,什么是6G?我觉得6G要由需求说了算,要以需求定义6G,由此布局6G的研究和发展,此为守正。现在对6G也有急迫的需求,急迫的需求来源于市场,需要通过市场凝炼真正的需求,解决实际的问题。毛主席说过,没有调查就没有发言权,一定要避免臆想、力戒武断,不以技术趋势代替应用需求。再就是长远需求,需要通过战略研判发展趋势预测,提出构想性需求,避免太过遥远,脱离社会经济的基本面,特别要注意避免陷入技术演进的路径依赖。

大家都知道,现在一个非常重要的需求就是填补数字鸿沟。4G基站,城市每平方公里是3.2,农村只有0.17,新疆、西藏等边远地区仍然普遍缺乏宽带覆盖。就拿5G来说,截至今年3月末全国建成5G基站80多万个,但是新疆这么大块的面积只有7000多个,也就是在新疆除了乌鲁木齐这一小块地方能够享受到5G,大部分地方是没有5G的。

我们再看广域和全球覆盖,现在也是一个非常重要的需求。我们知道北极航道的经济意义非常重要,2013年到2019年,中远海域实现31个北极航次,与马六甲、苏伊士传统航线相比可以节省12万多海里的里程,减排二氧化碳4.6万吨,当前北极航道还没有宽带覆盖。右图是我国近海船舶航行分布图,去年大概是10万亿,但我国近海信息覆盖基本上是空白,离岸几公里基本没有任何信息,智慧海洋现在已经成为国家的战略,海洋产业的进一步发展也是急需宽带信息覆盖。

行业赋能已经说了很长时间,但我认为现在各行各业的赋能需要智简,就是智简适应性赋能,尊重特殊性、客观认识多样性和差异性,特别慎重统一性理论,避免无边界的夸大单个技术和系统的作用,也要避免刻意追求横向纵向的兼容,现在就导致芯片的规模越来越大,不停地追求5纳米和7纳米,就是刻意地追求兼容,也是导致现在设计上的复杂度越来越难以承受,所以我想这也是产业发展必须要解决的。

关于5G的畅想,5G可以用于很多地方,但不能说5G是万能的,用于不同的地方都要有适应的裁减。

基本上从2G、3G、4G到5G,可以说带宽的扩展基本上是压倒性的,当然5G还有其它的KPI,但随着5G甚至6G的发展,目前蜂窝的半径越来越小,前一段时间我问一个6G推进组的,我问他蜂窝的大小大概是多少,他说蜂窝的半径不到100米,这样的话要是在校园当中到处都是基站。考虑到覆盖率、安全性、低功耗、小体积的通信体系,可以说现在还没有一个系统性的方案。

满足低延迟、高速率、抗干扰、高安全性的多种需求,以及城市、山区、海域、航空多种环境,需要承载文字、声音、图像、视频等等复杂内容的系统框架,也不能是现在单一的框架,要有适应性的框架。

看一下移动通信流量的增长,呈指数性,香农理论是对数的,一个是指数,一个是对数,按照传统信息理论,建设系统以及信息服务技术可以说非常难以长久满足通信需求的发展,所以6G现在确实需要超前谋划。

下面我想从几个技术的角度谈一谈我的观点。

我们知道,现在的移动通信是侧重带宽,卫星通信侧重广域,现行范式下是一条双曲线,我们能做的就是双曲线下面。广域就是距离又要远一些,达到几十上百公里,同时带宽也要宽,但这是没有技术支撑的,就是在双曲线之上。如果我们用卫星支持几公里到十几公里的城市或近郊,我们知道这个方案是失败的,如果用卫星支持几十到百十公里,费效比还是很高的,如果以城域的技术支持广域,现在有明显的技术壁垒,可以说广域的宽带通信仍需要发展有效的技术手段。

大家看一看广域的技术壁垒在哪里,这里讲的是地基,因为广域之后大多径时延和高移动性导致这个层级是接近1的,基本上传统办法是没法处理的,一般的处理都是远远大于1,比如LTE工作在德尔塔F乘以德尔塔T大于30以上,要是左下角区域就麻烦了,基本上没有办法处理,所以如何预测对应这种高动态变化的传播环境是需要研究的。

再就是广域基站的机动部署,无论是江海、应急、航空还是偏远区域都需要广域的活动基站,布局的时候就需要这个基站低功耗、小体积,现在几千瓦的基站这样去布局肯定是不合适的,更有回传的方式就是有线的光纤用无线和卫星,回传的速率受限,回传的时间加长,这些都是现在的协议体系当中不支持的。

清华大学面向渔政海上风电需求,基于LTE标准采用1.4G频段,实现超70公里的移动覆盖,并在大连长乐海域进行试验,当然这些只是初步,未来还要针对如何提升多站组网覆盖能力,结合5G6G技术演进发展新的标准,也有很多技术要做,我们希望和相关的企业一起联合来做。

最近河南水灾当中,翼龙无人机被用于应急恢复现有的通信网络,可以实现半径约4公里、总面积50平方公里,这就起了很大的作用,但这个覆盖面积相比专网体制还是太小了,所以面向公众需求还要发展新的标准、拓展新的覆盖能力。

天地融合不是简单地做加法,天地的差别可以说就是天壤之别。按照需求来说,地面网络和卫星网络还是有很大不一样的,地面网络是面向城市密集区,卫星网络面向的是山区、海域、空域和应急通信等等。信道特性也很不一样,无论是信号格式、网络协议还是服务方式,天地网络都存在根本性的差异。

所谓天地融合关键在融,怎么融呢?天网是卫星地面站专用设备,地网是基站、光纤、手机,天地融合不是引入简单的网关做天网+地网,也不是把卫星的覆盖和地面的覆盖简单地相加,就是一个覆盖互补,不是运营商简单的合作,就是两个运营商相加。实际上未来的需求用户不希望感到在用什么网,用户是无感用网,所以天地融合不能简单地做加法。

天地网络的融合需要解决什么问题呢?一个是在哪里融,服务层、网络层还是空口,另一个是怎么融,需要解决网络差异性,也要克服技术、成本和性能的约束,还有就是融了以后天网和地网一定是有相互制约的,延迟速率制约的这些都要有新的算法,那么这就需要足够的、充分的基础研究,就是所谓的守正创新。

天地融合有三个层次:服务层融合只是在服务提供商的融合,不同的网络可以使用相同的服务。网络层融合是中层,就是网络协议的融合,比如大家都做IP,不同的网络可以做统一的通信。空口融合是底层,不同的网络可以使用统一的终端。将来有了天网以后,我们还是希望就用现在的手机,不要变。但是,越接近底层网络资源的效率是越高的,实现的复杂度也会越高,需要大量的智能算法。

目前来看,天地融合的创新空间还是非常大的。低轨卫星是基于IP接入地面网络,现在StarLink就是利用大规模星座发展全球均匀覆盖,但没有考虑到业务分配的极不均匀性,可以说大规模低轨星座成本还是过高,设计里面规模换能力还是会导致效费比太低。高轨卫星的问题主要是回传延迟,高轨资源也非常不充分,特别是我国无法服务高维度的区域,高轨卫星只能用于国土周边,所以也有问题。未来的天地网络融合一定要从应用的需求出发,要做足够的基础研究,实现体系架构的创新。

清华大学提出了8颗中轨泛同步轨道卫星为基本结构,构建全球覆盖的卫星通信网络,赋能全球应用,就是一个体系,需要解决空间资源海外布站以及规模的魔咒等等系列难题,再就是以天领地,助益天地融合快速发展,打造新时期、新基建的新生态。

最后谈一谈信息,信息服务当中体验是根本需求。随着通信距离的加大,带宽总是受限的。图中数据需求网络容量会呈现剪刀差,按照相同的理论,距离越远、带宽越窄,现在靠压缩也是非常难的,提出百分之几十已经是很好了,解决不了几倍、几十倍的需求。

我们可以看到这是微软的概念,发布的是语音,本地存储的是口型,通过存储、记忆、映射、综合,给人一种真实的视频体验,可以说是用户体验为标准的QoE可以大幅度减少通信的数据量。

怎么做到呢?我们看到原始X、重构图像XCPR等于FM,F很关键,需要做计算重构。这里面临着两个难题:通信怎么才能只传少量的信息,计算就是残缺信息如何重构。清华也做了一个尝试,先把通信的开环结构变成闭环结构,引入媒体计算,再把QoS服务质量变成体验质量,通过收发端共享先验信息,降低所需的传输带宽。降低传输就是要跳出像素,依托人类层级式的认知机理,我们要把这个像素变成特征、目标和语义。简单地算一算,表征的信息量可以大幅度降低,我们的学生也做了一个实验,这是学生自己录的,就是自己做了大量的测试,实际上相似度的性能还能提高,带宽可以比腾讯的视频有一个大幅度的压缩,所以这是一个非常有益的尝试。

最后简单小结一下:发展6G要坚持需求导向、战略谋划不可或缺,要不失时机地布局6G面临的广域通信、天地融合、新型信息服务等研究,谋求长远发展优势,坚持守正创新,谨防路径依赖的负面效应。路径依赖是斯坦福大学保罗戴维提出的,这是正面效应,负面效应在于更为优良的技术可能由于迟到一步难以获得足够的跟随者,陷入劣币驱逐良币的不良生态,值得我们深入思考。

来源:未来移动通信论坛


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