朱伏生解析6G系統(tǒng)的十大KPI指標(biāo)：峰值可達100Gbps 基站容量可達1Tbps

  本文作者：廣東省新一代通信與網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院院長 朱伏生

  朱伏生解析6G系統(tǒng)的十大KPI指標(biāo)：峰值可達100Gbps 基站容量可達1Tbps

  又是一年世界電信日，時值全球5G移動通信業(yè)務(wù)即將全面展開之際，廣東省新一代通信與網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院分析了當(dāng)前移動通信發(fā)展的趨勢和挑戰(zhàn)，對6G的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)、能力場景、架構(gòu)特征進行了展望和描繪，在全球率先提出6G的KPI指標(biāo)初稿。本文將對這些KPI指標(biāo)進行簡單描述：

  1. 峰值速率

  作為6G候選技術(shù)的太赫茲通信具有帶寬大、傳輸速率高等特點，將是未來解決6G大帶寬場景的主要利器。在200-400GHz的頻譜范圍內(nèi)，經(jīng)過理論仿真測算，結(jié)合業(yè)界的一些試驗數(shù)據(jù)，未來6G的單終端峰值速率指標(biāo)預(yù)測可以達到100Gbps，單小區(qū)總的吞吐量，預(yù)測可以達到1Tbps。

  2. 用戶體驗速率

  用戶體驗速率是指單位時間內(nèi)用戶獲得MAC層用戶面數(shù)據(jù)傳送量。實際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，用戶感知速率受到眾多因素的影響，包括網(wǎng)絡(luò)覆蓋環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)負荷、用戶規(guī)模和分布范圍、用戶位置、業(yè)務(wù)應(yīng)用等因素，一般采用期望平均值和統(tǒng)計方法進行評估分析，或者進行網(wǎng)規(guī)分析。5G時代定義的用戶體驗速率是100Mbits/s。

  如果從eMBB的繼續(xù)發(fā)展角度來看，6G時代對帶寬需求最大的應(yīng)該是VR業(yè)務(wù)。預(yù)計10年后，極致VR業(yè)務(wù)已經(jīng)成熟，VR將成為典型的用戶體驗業(yè)務(wù)。根據(jù)預(yù)設(shè)的VR360中極致VR體驗需求, 帶寬需求=視頻分辨率×色深×幀數(shù)/壓縮率=(23040*11520)×12×120/350=1Gbps, 獲得極致VR的典型帶寬需求是1Gbps。所以，6G的用戶體驗速率建議為1Gbps。

  3. 頻譜效率

  5G的峰值頻譜效率(每赫茲頻譜傳輸?shù)谋忍?在64QAM、192天線、16流并考慮編碼的增益的情況下，理論頻譜效率極限值在100bps/Hz。而在6G時代，考慮1024QAM、1024天線，結(jié)合軌道角動量OAM的多流及beamforming技術(shù)，頻譜效率推算可以到200bps/Hz。

  4. 時延

  在5G uRLLC時代，主要考慮因素是由于人的介入，需要網(wǎng)絡(luò)提供ms級的時延，比如車聯(lián)網(wǎng)的1ms時延保證。在6G時代，低時延的通信預(yù)計將主要集中在機器與機器之間，用以替代傳統(tǒng)的有線傳輸，比如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的場景等，此時的時延需求，應(yīng)該是在亞ms級，6G時延指標(biāo)可以預(yù)測為0.1ms。

  5. 連接密度

  在5G時代，根據(jù)各種場景測算出的連接密度是一百萬，意味著平均每平方米最多一個5G設(shè)備。但隨著物聯(lián)網(wǎng)、體域網(wǎng)和人工智能、低功耗技術(shù)的快速發(fā)展，對于快遞物流、工廠制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、智能穿戴和智能家居，都存在網(wǎng)絡(luò)連接的需求。以智能穿戴為例，在6G時代，每人應(yīng)該至少配有具備直接網(wǎng)絡(luò)連接能力的1-2部手機、1部手表、若干個貼身的健康監(jiān)測儀、兩個置于鞋底的運動檢測儀等，使得連接密度較5G上升了近10倍。因此，6G的每平方米連接密度應(yīng)該為100個連接/平方米，或最大連接密度可達1億個連接/平方公里。

  6. 網(wǎng)絡(luò)能效

  能源效率是指每消耗單位能量可以傳送的數(shù)據(jù)量，在城市環(huán)境中，用每焦耳傳遞的信息比特來衡量：bit/J;但在農(nóng)村場景下，用滿足一定通信能力時，每單位面積覆蓋所消耗的功率。根據(jù)研究，目前移動網(wǎng)絡(luò)側(cè)占整個能量消耗的15-20%，而基站又占據(jù)移動網(wǎng)絡(luò)能源消耗的80%，移動網(wǎng)絡(luò)的負荷一般小于20%。

  在6G時代，太赫茲頻段承載的帶寬大大優(yōu)于毫米波和sub6G，然而能耗方面并沒有倍數(shù)的增加，總體能量效率大大優(yōu)于5G。此外，我們考慮到6G時代會引入了通信場景志愿者提供就近通信服務(wù)，這將進一步的降低系統(tǒng)能源開銷。

  根據(jù)5G能源效率的100bits/J的指標(biāo)和測算，6G的能源效率可預(yù)測為200bits/J。

  7. 區(qū)域流量密度

  流量密度是單位面積內(nèi)的總流量數(shù)，是衡量移動網(wǎng)絡(luò)在一定區(qū)域范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸能力。相比5G時代，6G使用了太赫茲等頻段，相比5G的Sub6G及毫米波頻段覆蓋范圍進一步收縮，6G小區(qū)半徑約為5G的一半，覆蓋面積縮小為5G的1/4。同時，6G基站吞吐量1Tbps相比5G的20Gps高了約50倍。因此，6G的區(qū)域流量密度測算約為5G的200倍。

  8. 移動能力

  移動性是移動通信系統(tǒng)最基本的性能指標(biāo)。5G時代主要是要求能夠支持速度高達500km/h的高鐵乘客的接入。而在6G時代，我們考慮到馬斯克所經(jīng)營的公司所提出的真空管高鐵預(yù)期時速為1200公里，美國目前已經(jīng)成立了多家進行此項目的公司，并且目標(biāo)在2030年就實現(xiàn)商用。同時，6G時代必須考慮民航飛機乘客的接入，民航飛機的飛行速度基本上都是800-1000km/h左右。因此，6G的移動性能接入建議以1200km/h速度移動的用戶接入作為衡量指標(biāo)。

  9. 頻譜支持能力

  4G的常用載波帶寬是20Mhz，多載波聚合時，最多可到100Mhz。5G的Sub6G頻段常用載波帶寬時100Mhz，多載波聚合時可到200Mhz;毫米波頻段常用載波帶寬是400Mhz，多載波聚合時可到800Mhz。對于6G可能用到的太赫茲技術(shù)，常用載波帶寬可能會到20Ghz，多載波聚合時，有可能到100Ghz。

  10. 基站智能化能力

  5G引入了移動邊緣(MEC)計算，把核心網(wǎng)部分功能下沉到基站側(cè)，基站也同時開始參與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的計算，比如VR的渲染等。在6G時代，MEC功能能進一步增強，甚至可能使基站與MEC合并成為胖基站;同時，人工智能(AI)將會被引入，并在基站側(cè)導(dǎo)入基于AI的部分應(yīng)用，使得基站的計算能力變得異常強大。我們根據(jù)一些資料的分析測算，5G基站的計算能力需求是100-200Tops(operation per second)。而在6G時代，基站的智能化計算能力，我們預(yù)測為為1,000Tops。