太赫茲+人工智能 5G商用伊始6G愿景已來(lái)

我們都知道，2019將成為5G的商用元年。事實(shí)上，它也極有可能成為6G的研發(fā)元年。今年3月底，芬蘭奧盧大學(xué)已在萊維（Levi）舉辦了全世界的第一場(chǎng)6G峰會(huì)，有超過(guò)200多位全球頂尖的無(wú)線通信專家前往參會(huì)。這場(chǎng)峰會(huì)的主題，是"為6G到來(lái)鋪平道路"。
? ? ? ?此前，通信技術(shù)的升級(jí)迭代，一直以10年為周期。按照業(yè)界預(yù)計(jì)，6G也將于2020年開始研發(fā)，2030年投入商用。而現(xiàn)在來(lái)看，6G的時(shí)代也有可能像5G一樣，提前加速到來(lái)。美國(guó)總統(tǒng)特朗普2月21日發(fā)布的推特就宣稱："我要美國(guó)發(fā)展5G和6G技術(shù)，越快越好"。
? ? ? ?工信部部長(zhǎng)苗圩3月9日接受央視采訪時(shí)也表示，目前中國(guó)已經(jīng)啟動(dòng)6G研究。那么，6G到底將為我們帶來(lái)哪些改變？我們又將如何迎接它的到來(lái)？到目前為止，業(yè)界還沒(méi)有對(duì)6G是什么，形成一個(gè)統(tǒng)一的定義。有人認(rèn)為，6G是太赫茲。有人認(rèn)為，6G是5G+人工智能。
? ? ? ?有人認(rèn)為，6G是5G+空聯(lián)網(wǎng)。不過(guò)，最大的可能，6G是把它們都放到了一起。移動(dòng)通信的發(fā)展史就是開發(fā)無(wú)線電波頻率的過(guò)程從1G到5G，整個(gè)移動(dòng)通信的發(fā)展史，本質(zhì)上就是一個(gè)開發(fā)無(wú)線電波頻率的過(guò)程。

簡(jiǎn)單總結(jié)，就是兩點(diǎn)：一，擴(kuò)展頻率的利用范圍。二，提升頻率的利用效率。像種田一樣，一邊開荒，獲得更多的地；一邊育種，獲得更高的畝產(chǎn)。6G也不會(huì)例外。

從1G到5G，我們利用到的頻段，都在下面的無(wú)線電波范圍內(nèi)。它還可以進(jìn)一步細(xì)分為更多的波段。在不同的波段，無(wú)線電波會(huì)呈現(xiàn)出不同的特性。比如，從4G到5G過(guò)程中，因?yàn)樘こ隼迕撞ǚ秶?，開始利用頻率更高、覆蓋范圍更小，穿透性能力更弱的毫米波，所以，5G的建網(wǎng)需要部署比4G多最少1.5倍的基站。

而在6G時(shí)代，我們將進(jìn)入一個(gè)全新的頻段范圍：太赫茲（THz）。這是一個(gè)非常吸引人的"神奇"頻段。太赫茲有與光相同的直進(jìn)性，可以形成清晰的圖像；同時(shí)，也具有與電波相似的穿透性和吸收性，可以攜帶海量信息。它可以輕易穿透塑料、衣物、紙盒等非極性和非金屬材料，光子能量卻非常低，對(duì)人體的輻射能量比X光小100萬(wàn)倍。它也是非常好的寬帶信息載體，理論上可以實(shí)現(xiàn)每秒1T bps的下行速度，是5G的50倍，4G LTE的1000倍。太赫茲波的脈沖，典型脈寬在皮秒量級(jí)，它可以將網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延進(jìn)一步降低，從4G和5G的毫秒級(jí)，縮短到微秒級(jí)。所以，它又可以在空間遙感、安全檢查、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、無(wú)損探傷等領(lǐng)域，進(jìn)行廣泛的應(yīng)用；也可以為無(wú)線通信技術(shù)帶來(lái)新的顛覆。

專家預(yù)測(cè)，在6G時(shí)代，我們可能通過(guò)地面+低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)共同組網(wǎng)，真實(shí)實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的全球無(wú)縫覆蓋。

2004年，美國(guó)政府將其評(píng)為"改變未來(lái)世界的十大技術(shù)"之一。2005年，日本也將其列為"國(guó)家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)"之首，舉全國(guó)之力進(jìn)行研發(fā)。不過(guò)，太赫茲波段的馴服和駕馭實(shí)在太過(guò)艱難，比如，它的轉(zhuǎn)換效率非常低，信號(hào)發(fā)射需要更大功率，它的信號(hào)也會(huì)在大氣中快速衰減等等，有太多的物理障礙需要解決。所以直到現(xiàn)在，6G的標(biāo)準(zhǔn)化還沒(méi)有真正開始。但隨著技術(shù)日益成熟，這些問(wèn)題都有望在未來(lái)十年得到解決，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化乃至商用化。

6G最重大的突破可能來(lái)自于人工智能如果說(shuō)，6G在頻率上的核心突破，是對(duì)太赫茲波段的利用。那么，在頻率之外，最重大的突破，極有可能來(lái)自于人工智能。如果仔細(xì)研究移動(dòng)通信的發(fā)展，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常有趣的情況。每一代移動(dòng)通信，都提出了一個(gè)面向未來(lái)的核心業(yè)務(wù)特征，但這些核心業(yè)務(wù)從出現(xiàn)到不斷完善，都要向后跨越一代，才會(huì)真正發(fā)展成熟。比如，1G實(shí)現(xiàn)了從固定通信到移動(dòng)通信的革命性轉(zhuǎn)變，但無(wú)論信號(hào)穩(wěn)定性、通話質(zhì)量、還是安全性，都存在非常多問(wèn)題。直到2G時(shí)代，手機(jī)的話音業(yè)務(wù)才基本成熟。

2G讓我們可以用手機(jī)"上網(wǎng)沖浪"，但那時(shí)還只有WAP和移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)。直到3G時(shí)代，我們才開始用手機(jī)登上真正的互聯(lián)網(wǎng)，開始拍剪刀手照片，給朋友發(fā)微博。3G剛開始的時(shí)候，我們?cè)?jīng)認(rèn)為，多媒體業(yè)務(wù)會(huì)成為它的殺手級(jí)應(yīng)用，但事實(shí)上，直到4G時(shí)代，才有了快手、抖音等各種短視頻APP和直播的爆發(fā)。而我們暢想的XR（虛擬現(xiàn)實(shí)VR、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR和混合現(xiàn)實(shí)MR的統(tǒng)稱），以及各種IoT智能設(shè)備，在4G時(shí)代也才剛剛開始，可能要到5G時(shí)代的中后期，才會(huì)深入改變我們的工作與生活。那么，又是什么會(huì)在5G階段提出，在6G階段成為標(biāo)志呢？在6G時(shí)代，我們對(duì)科技最宏大的想像，確實(shí)就是萬(wàn)物互聯(lián)：所有的人、所有的智能設(shè)備，甚至所有的網(wǎng)絡(luò)、所有的智能體，都實(shí)現(xiàn)完全的互聯(lián)互通。

而要實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，我們除了5G的能力和太赫茲，還缺少什么？

人工智能。

從1G到4G，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)連接的是人與人，所以它的業(yè)務(wù)邏輯是簡(jiǎn)單的，只需要做好業(yè)務(wù)管理和用戶管理，現(xiàn)在的軟件系統(tǒng)已經(jīng)足夠了。

但從5G開始，我們需要把海量的智能設(shè)備也連起來(lái)，把它們采集的大數(shù)據(jù)連起來(lái)，乃至把這些設(shè)備和數(shù)據(jù)通過(guò)場(chǎng)景和服務(wù)用起來(lái)。

6G網(wǎng)絡(luò)可能還需要支撐更多的黑科技，比如全息技術(shù)、全感技術(shù)。這個(gè)過(guò)程，只有借助人工智能，我們才能真正實(shí)現(xiàn)。

人工智能將如何與通信技術(shù)相互賦能與提升？那么，從5G到6G，人工智能將如何與通信技術(shù)相互賦能與提升？

就這個(gè)問(wèn)題，在今天的第53屆IEEE國(guó)際通信會(huì)議（IEEE ICC 2019）上，OPPO標(biāo)準(zhǔn)研究中心負(fù)責(zé)人、首席5G科學(xué)家唐海通過(guò)題為"B5G&6G：智慧連接（Connecting Intelligence）"的主題演講闡釋了自己的判斷。在他看來(lái)，未來(lái)10~20年的發(fā)展，可以分成三個(gè)階段：

第一個(gè)階段，是For the AI（賦能AI服務(wù)）。其特征是，5G主要為人工智能業(yè)務(wù)提供支撐，讓本地人工智能服務(wù)演化為移動(dòng)人工智能服務(wù)。目前，5G網(wǎng)絡(luò)主要還是提供人和物之間的連接，而旗艦級(jí)智能手機(jī)的人工智能運(yùn)算力，已經(jīng)能達(dá)到每秒7萬(wàn)億次運(yùn)算，一些簡(jiǎn)單的人工智能應(yīng)用可以在本地進(jìn)行，比如照片優(yōu)化。

即使如此，復(fù)雜的人工智能運(yùn)算，也大都還需要連接網(wǎng)絡(luò)在云端完成。但是，受制于成本、設(shè)備體積、能耗等問(wèn)題，并不是所有的本地設(shè)備，都能像旗艦手機(jī)一樣，配置強(qiáng)大的算力、儲(chǔ)存力和人工智能處理能力。

唐海認(rèn)為，在5G時(shí)代，人工智能的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，包括但不限于：

（1）基于AI的虛擬助手，如實(shí)時(shí)翻譯，商業(yè)服務(wù)，多媒體點(diǎn)播等

（2）基于AI的遠(yuǎn)程控制/干預(yù)，如實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、分析，干預(yù)等醫(yī)療服務(wù)、智能設(shè)備的遠(yuǎn)程感知、控制，健康監(jiān)測(cè)服務(wù)等

（3）基于AI的輔助/自動(dòng)駕駛

這些業(yè)務(wù)都需要遠(yuǎn)端的人工智能的連接需求，并對(duì)多輸入、速率、成本、時(shí)延都各有需求。而5G將為這些人工智能提供時(shí)延更短、帶寬更高、連接數(shù)更多的一個(gè)高速管道。

第二個(gè)階段，是By the AI（AI驅(qū)動(dòng)優(yōu)化）。其特征是：人工智能將被引入、并驅(qū)動(dòng)5G的下一步優(yōu)化。這個(gè)階段，也是目前業(yè)界開始有關(guān)注與探討的"B5G（后5G）"階段。

從目前5G的三大場(chǎng)景--eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、URLLC（高可靠低時(shí)延通信）和mMTC（海量物聯(lián)網(wǎng)）來(lái)看，5G已經(jīng)可以基本滿足現(xiàn)有大多數(shù)人工智能業(yè)務(wù)對(duì)峰值速率、時(shí)延、可靠性、覆蓋及連接密度等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的需求。

但在向6G演進(jìn)過(guò)程中，越來(lái)越多的人工智能業(yè)務(wù)，可能會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提出更高要求，依靠孤立的基線指標(biāo)，將無(wú)法達(dá)到滿意效果。

此時(shí)，需要對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)滿足這些高性能需求。人工智能的引入與調(diào)度，可以幫助彌補(bǔ)人為建立的無(wú)線通信理論中一些"不完美、不精確"的短板，讓5G系統(tǒng)變得更快捷、精細(xì)、高效，滿足更高的網(wǎng)絡(luò)性能需求。

當(dāng)然，到底網(wǎng)絡(luò)的哪些層次要利用人工智能，哪些應(yīng)用需要利用人工智能，乃至如何用人工智能提升網(wǎng)絡(luò)，這些都還是我們?cè)谖磥?lái)5~10年需要去討論、確定和解決的問(wèn)題。

不過(guò)，唐海判斷，整體來(lái)看，越往網(wǎng)絡(luò)側(cè)走，AI所帶來(lái)的提升價(jià)值會(huì)越大，但復(fù)雜度和難度也會(huì)更高。

第三個(gè)階段，是Of the AI（AI無(wú)處不在）。它的特征是，人工智能的技術(shù)與應(yīng)用場(chǎng)景全面普及，以智能體交互為代表的新型業(yè)務(wù)場(chǎng)景出現(xiàn)。

這是唐海展望2030年代、也就是6G時(shí)代的愿景。

他認(rèn)為，在這個(gè)階段，越來(lái)越多的業(yè)務(wù)已經(jīng)不再需要人類參與，而是由機(jī)器和智能體獨(dú)立完成。

在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)有很多業(yè)務(wù)場(chǎng)景，是單一的智能體無(wú)法完成的復(fù)雜任務(wù)，需要多個(gè)智能體來(lái)共同協(xié)作完成。

因此，智能體直接交互的場(chǎng)景將持續(xù)增多，大規(guī)模智能體之間的作用，將會(huì)帶來(lái)極高的性能需求。

為了實(shí)現(xiàn)這樣的未來(lái)愿景，6G將需要克服一系列性能提升挑戰(zhàn)，并根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延、可靠性、覆蓋、能耗、連接密度、精確度、安全性等指標(biāo)的進(jìn)行精確適配，甚至每顆芯片都會(huì)有屬于自己的天線，并通過(guò)人工智能來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)度。

最終，我們將看到"人、物、智"的互聯(lián)互通，無(wú)論物理世界還是虛擬世界，人類社會(huì)與人工智能之間，都將實(shí)現(xiàn)完全的互聯(lián)互通。

6G研究現(xiàn)在已經(jīng)是出發(fā)的時(shí)刻

看上去，這個(gè)愿景似乎還過(guò)于遙遠(yuǎn)。

但對(duì)6G研究來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在已經(jīng)是出發(fā)的時(shí)刻。

其原因在于，每一代移動(dòng)通信的突破，大都需要全世界無(wú)數(shù)企業(yè)和科技機(jī)構(gòu)共同協(xié)作，在理論科學(xué)、材料科學(xué)、信息工程學(xué)等多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科的共同努力，才能不斷突破一個(gè)又一個(gè)曾經(jīng)看似永遠(yuǎn)無(wú)法逾越的物理極限與工藝極限。

這是一個(gè)極其艱巨、極其漫長(zhǎng)的過(guò)程。從理論研究、技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)化到大規(guī)模商用，至少需要10~20年的時(shí)間來(lái)一步一步向前推進(jìn)。

比如5G的毫米波技術(shù)，理論基礎(chǔ)早在2000年左右就已經(jīng)完成，但直到現(xiàn)在，它也才剛剛走出實(shí)驗(yàn)室，還需要至少3~5年的網(wǎng)絡(luò)部署和規(guī)模商用，才能真正發(fā)展成熟。

而且，從5G開始，通信技術(shù)已經(jīng)與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)一起，越來(lái)越多地參與到傳統(tǒng)行業(yè)的升級(jí)改造之中。所以通信技術(shù)的研發(fā)，也越來(lái)越需要更多行業(yè)的參與。

比如無(wú)人汽車，新通信技術(shù)要與汽車控制系統(tǒng)的融合，就必須滿足汽車行業(yè)的安全標(biāo)準(zhǔn)。