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技術探索

6G行動通訊技術趨勢

工業技術研究院 資訊與通訊研究所 王鴻翔

 

當此刻5G商業化還在如火如荼進行之際,6G的技術發展與規劃卻已在國際上談論的沸沸揚揚。究竟6G有什麼技術發展需求?主打哪種類型的應用情境?國際組織與世界大廠們想發展那些6G行動通訊技術?目前全球競爭的情勢如何?本文將為您一一分析。

 

精彩內容

1.6G的技術發展需求與應用情境
2.6G行動通訊網路技術趨勢
3.國際6G發展競爭現況


6G發展現況

國際電信聯盟無線電通信部門(International Telecommunication Union Radiocommunication Sector, ITU-R)於2020年完成全球5G標準技術(International Mobile Telecommunications-2020, IMT-2020)任務後,啟動以2030年為目標之6G相關工作任務,預計於2022年6月正式完成「IMT FUTURE TECHNOLOGY TRENDS OF TERRESTRIAL IMT SYSTEMS TOWARDS 2030 AND BEYOND」,內容將包含6G應用發展方向、6G頻譜利用以及6G技術性能指標等未來整體系統願景。本文將依據目前的報告版本[1]與國際大廠/組織對6G的看法[2] [3] [4] [5] [6]對行動通訊網路技術趨勢進行分析。

6G技術發展需求與應用情境
  • 社會目標(societal goals):新技術的發展應為全人類謀求福利,滿足聯合國永續發展目標(Sustainable Development Goals, SDGs) [7]。
  • 市場期許(market expectations):在技術本質上要能支持新的服務應用類型,促使創造更多的市場機會。
  • 運作的必要性(operational necessities):對於實現的複雜度、達成效益與成本降低因素需一併考慮,並在端對端(end-to-end)的運作中能達成自動化與有感呈現。

目前主流的6G行動通訊應用類別可劃分為:

  • 數位與實體的融合互動:將包含擴增實境(Augmented Reality, AR)、虛擬實境(Virtual Reality, VR)及混合實境(Mixed Reality, MR)技術應用全面整合的延展實境(Extended Reality, XR)與通訊進行結合,廣泛運用在「人與人」或「人與物」之間的各種即時性互動,藉以開創更多的應用服務類型。相較於5G技術,6G系統需要提供同時具備高速、穩定及低延遲的資料傳輸率。
  • 人工智慧(Artificial Intelligence, AI)與通訊系統的結合:藉由結合人工智慧、機械學習(Machine Learning, ML)與「物與物」之間的資訊交換,以達成降低運作複雜度或營運成本,以及系統效能最佳化之目標。
  • 無所不在的通訊能力:建立囊括陸、海、空乃至外太空隨時隨地全時間/全空間的通訊能力,實現無遠弗屆的行動寬頻服務。

在勾勒應用情境方面,可用在生活中落實虛實融合(Cyber-Physical Fusion)作為範例[2]。透過實體領域(Physical Domain)、數位領域(Digital Domain)與人機介面(Human Interface)三者的緊密結合,來實現智慧生活,健康樂活,永續環境[3]之目標。總整6G應用情境示意如圖1所示。

5G行動通訊除了尋求更大的頻寬和更高的移動速度外,也尋求支持高可靠度、低遲延與大量裝置運作的通訊特性,以滿足更多樣性的服務類型;然而在這三方面的技術發展卻是各自平行,並未考慮同時滿足大頻寬、低延遲與大量裝置運作的需求。為了讓使用者能透過6G技術全面提升生活品質,除了在傳輸與網路架構上等相關技術面的演進之外,也須妥善使用有限的資源,達到「智慧生活、健康樂活、永續環境」的目標。


圖1 6G應用情境示意

6G發展時程規劃

在ITU-R 於2023年發布未來技術願景報告後,預計長期引領行動通訊標準的第三代合作夥伴計畫標準組織(3rd Generation Partnership Project, 3GPP),將依此接續開展6G先期技術研究分析,並約莫於2025至2026年期間正式進入6G標準制訂作業,以利產業可在2028至2030年間將6G投入商用。6G發展時間軸、世界無線電通信大會 (World Radiocommunication Conferences, WRC)預計進行的頻譜研究規劃及預期的3GPP標準進展時程如圖2所示。


圖2 6G發展時間軸、WRC頻譜研究規劃與預期的3GPP標準進展時程

6G行動通訊技術趨勢


技術發展考量因素

基於上述需求與應用,6G在技術發展的考量因素可歸納為下列四個方向:

  • 高速且穩定的連線

    過往行動傳輸技術的設計主要著重於高可靠度的無損(lose-less)傳輸。而在延展實境通訊的相關應用中,則因人體較機械不敏銳(如反應時間、視聽覺感受等) [6]而可以有所取捨;在可接受的有損(lossy)資料傳輸範疇內,以傳輸的即時性與穩定性為優先考量。因此除了對峰值傳輸速率(peak data rate)的要求外,尚須注重傳輸的延遲(latency),擾動(jitter,可視為延遲的變異程度)與保證資料傳輸率(guaranteed data rate)。

  • 廣域與巨量的通訊

    更廣泛的通訊範圍可協助探索更多的區域,或提供安全保障(如緊急事件、物流追蹤等)[2]。而物聯網的使用亦不僅限制於工業領域,在日常生活中落實虛實融合也需要系統提供更高的連線密度(connection density)能力。

  • 資源妥善的利用

    有限的能源是人類發展上必須面對的重要問題,不僅在裝置端要考慮節能,網路端乃至整個系統的運作也都需要考慮節能減碳。此外,頻譜(spectrum)也是行動通訊中重要的資源,即使考慮將更高的頻譜[8]作為6G通訊使用,然而適合通訊的頻譜資源畢竟不是無窮無盡。因此不論是在單一通訊系統內或是跨不同通訊系統中,頻譜有效地使用亦是重要的考量因素。

  • 使用者經驗的提升

    面對五花八門的應用興起,服務類別已不易使用5G中定義的增強行動寬頻(Extreme Mobile Broadband, eMBB)、巨量物聯通訊(Massive Machine Type Communication, mMTC)以及高可靠度、低遲延通訊(Ultra-Reliable Low Latency Communications, URLLC)來進行歸納分類。預期未來在6G各特定應用情境需要結合與滿足複數個考量因素[2](例如寬頻需同時滿足低延遲的要求,或是巨量通訊維持在一定程度的可靠度與傳輸率範疇等等),並藉由將使用者資訊回傳至網路端進行分析,以提升使用者經驗與網路整體效能[6]。因此在提升使用者經驗的方面,包含網路的安全性與服務穩定性,會需要藉由跨通訊層間的共同合作來達成。

技術趨勢

  • 高速且穩定的連線

    要提供符合6G應用情境之高速且穩定的連線,系統需要結合基礎上實體層資料傳輸率的提升、減少傳輸延遲的通訊協定設計、以及可降低擾動與維持保證資料傳輸率的分散式多天線傳輸技術來共同完成。

    為鼓勵下世代通訊技術研發,2019年3月美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)通過開放95 GHz到 3,000 GHz間的頻段作為研發實驗使用。新頻段的開放也帶來新的技術發展機會,因此現下在實體層傳輸研究方面熱門的技術討論包含太赫茲頻段(Terahertz, THz)通訊、可見光通訊、新的調變(modulation)/編碼(coding)/波形(waveform)/多重接取(multiple access)設計等等[1],然而目前在相關基礎特性研究上(如無線通道特性等)或降低硬體實現複雜度方面仍有待突破。因此有業界[4]提出7 GHz到24 GHz的頻段在未來6G通訊仍占有重要地位。

    過往通訊協定設計著重於高可靠度的無損傳輸設計,透過通訊層內的分割、重組與重傳機制,以及在多個通訊層都有資料錯誤率控制機制來達成。然而因應6G主流的即時互動多媒體服務,尤其是在用戶平面(User Plane),不僅要提升資料傳輸率,同時也須考慮降低資料傳輸延遲。因此新的擁塞控制(congestion control)機制設計、簡化通訊層行為(如簡化表頭或避免資料分割/重組行為等),或是經由跨通訊層間的合作來降低系統傳輸延遲效應(如透過各層的資訊交換,以考量整體傳輸情形來進行預判及因應的對策/行為等)是目前熱門的研究方向。

    為降低資料擾動情形與提供穩定的保證資料傳輸率,尤其是面對高頻信號較容易衰減的特性,研究趨勢除了研發低功耗/低複雜度與更小體積的毫米波天線製程技術[2]、持續強化多重輸入多重輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技術、經由智能中繼站(smart repeater)或可改變訊號傳送路徑的重構智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)技術來改善無線訊號品質外,進一步結合分散式布建架構的聯合傳輸(joint transmission)技術來強化服務涵蓋範圍或提升訊號傳送維度已是主流技術觀點。

  • 廣域與巨量的通訊

    目前已存在多種地面無線通訊技術,除了使用不同的頻帶外,各自運作在不同的通訊距離或應用情境中,經由授權(licensed)頻帶或非授權(unlicensed)頻帶進行裝置間直接或間接的通訊。透過異質性無線網路的融合(convergence),除可以提供更廣域的服務,涵蓋更多的裝置數量、亦可及降低使用者裝置成本。

    而藉由非地面網路(Non-Terrestrial Networks, NTN),例如衛星通訊或是高空通訊平台(High Altitude Platform Station, HAPS) 來提供更廣域通訊的想法,在5G時代就已浮上檯面,然而迄今仍未有一個完整而共通的標準。預期在6G除了持續朝向更高的資料傳輸率及更低的傳輸延遲發展外,進一步與地面通訊的融合以提供更多樣的服務類型亦是重要的課題。

  • 資源妥善的利用

    在能源利用方面,除了從裝置端及網路端降低硬體運作與散熱耗能外,也引入人工智慧從大至從整個通訊系統、小至由單一裝置的觀點來改善使用效率。 在頻譜使用方面,除了授權/非授權頻帶之間的共享機制、時域(time domain)或頻域(frequency domain)上的全雙工(full duplexing)[6]技術外,進一步將各類型感知(sensing)技術(包含各種偵測、定位、追蹤甚至影像辨識等等)與無線通訊系統融合,藉以更即時獲取頻譜使用狀況、降低硬體實現複雜度、以及達到有效的資源管理與使用亦是熱門的研究方向。

  • 使用者經驗的提升

    除了藉由融合通訊與運算的分散式運算(Split Computing)架構、人工智慧通訊架構(包含在裝置、基站、接取網路、核心網路或應用伺服器導入本地/聯合/端對端運作的人工智慧功能)來優化系統效能與改善使用者服務品質外,提升於無線接取層或網路層的隱私權與安全性技術,如量子加密(Quantum Computing)、分散式帳本(Distributed Ledger Technology)、差分隱私(Differential Privacy)、聯盟式學習(Federated Learning)方法等,也是熱門的研究議題,並進一步透過跨通訊層之間的合作[4]與結合開放性無線接入網路(Open Radio Access Network, O-RAN)架構,來實現以降低系統布建成本 [6],達成網路安全提升或服務品質最佳化。 總整6G行動通訊網路技術發展趨勢如圖3所示。



圖3 6G行動通訊網路技術發展趨勢

國際6G發展競爭現況

現階段主要國家或區域早已自2019年底陸續開始從政府主導或產學研合作,佐以大量資金投入從基礎科學面向切入,或是實際潛在技術的6G先期研究,並思考6G世代的前瞻創新應用服務,企圖搶占在全球通訊產業的領導地位:如美國的Next G Alliance[5]、歐盟的Hexa-X[9]、The Smart Networks and Services Joint Undertaking(SNS JU)[10]、日本的總務省[11]、南韓的南韓科學技術情報通信部[12],與中國大陸由中國信息通信研究院[13]成立的IMT-2030(6G)推進組等等。

而3GPP組織在Release 18(R18)進行上也出現6G前哨戰的硝煙。以無線存取網路第一/二工作組(Radio Access Network working group #1/#2, RAN1/2)為例,自2022年5月會議開始將著手對包含網路節能、智能中繼站、延展實境、人工智慧及機器學習無線接取介面等議題進行研究。工研院除了參與相關議題進行技術探討外,也使用所開發的行動通訊系統模擬器WISE[14]參與延展實境先期模擬研究[15][16],藉由系統層級模擬分析延展實境及雲遊戲(Cloud Gaming)等相關應用在行動通訊系統中運作功耗、系統容量、移動與服務覆蓋範圍方面等問題,並尋找未來可發展的技術方向。

 

結論 

6G技術發展目的包含滿足社會目標、市場期許及運作的必要性,同時謀求人類福祉並符合商業利益。目前主流的應用趨勢包含數位與實體的融合互動、人工智慧與通訊系統的結合、與無所不在的通訊能力。而要在生活中落實虛實融合,則需要藉由實體領域、數位領域與人機介面三者的緊密結合,以實現智慧生活、健康樂活、永續環境之目標。為滿足設定的應用情境目標,在技術發展趨勢可歸納為:高速且穩定的連線、廣域與巨量的通訊、資源妥善的利用、以及使用者經驗的提升。透過了解技術發展趨勢,可及早投入相關技術細節發展,爭取未來標準化的機會。

當此5G商業化如火如荼的進行之際,6G技術競爭已鳴槍開跑,世界各國無不投入大量資源、摩拳擦掌以期爭取技術領導地位。面對6G技術競賽,工研院將持續強化符合國內需求之通訊核心能量,提前布局研發及透過產學合作共同強化戰力,包含開放性無線接入網路技術、分散式多天線傳輸技術、高頻射頻關鍵元件與次系統技術、通訊與感知融合技術及衛星通訊系統技術的提升,也將依據6G技術發展時程持續演進系統模擬器,以強化國內6G技術競爭力。

 

參考文獻 

[1] ITU-R WP-5D meeting, February 2022
[2] White Paper 5G Evolution and 6G [online]. Available at: 
https://www.docomo.ne.jp/english/binary/pdf/corporate/technology/whitepaper_6g/DOCOMO_6G_White_PaperEN_v4.0.pdf
[3] 2030工研院技術策略與藍圖 [Online]. Available at:
https://planweb.itri.org.tw/plandoc/planning/about_us/docx_detail.aspx?qparentid=7b941129-5821-46f5-b67a-f7c301570065
[4] 6G Vision White Paper [Online]. Available at:
https://d86o2zu8ugzlg.cloudfront.net/mediatek-craft/documents/MediaTek-6G-Vision-White-Paper-EN0122.pdf
[5] Next G Alliance [Online]. Available at:
https://nextgalliance.org/
[6] 6G The Next Hyper Connected Experience for All [Online]. Available at:
https://cdn.codeground.org/nsr/downloads/researchareas/20201201_6G_Vision_web.pdf
[7] United Nations : THE 17 GOALS [Online]. Available at:
https://sdgs.un.org/goals
[8] 台灣資通產業標準協會, TAICS TR-0020 1.0:2020, "WRC-19議題與頻譜研究," 2020年10月
[9] Hexa-X [Online]. Available at:
https://hexa-x.eu/
[10] The Smart Networks and Services Joint Undertaking [Online]. Available at:
https://digital-strategy.ec.europa.eu/en/policies/smart-networks-and-services-joint-undertaking
[11] Hexa-X [Online]. Available at:
https://hexa-x.eu/
[12] Ministry of Science and ICT [Online]. Available at:
https://www.msit.go.kr/eng/bbs/view.do?sCode=eng&mId=4&mPid=2&pageIndex=&bbsSeqNo=42&nttSeqNo=517&searchOpt=ALL&searchTxt=
[13] Ministry of Industrial and Information Technology of the People’s Republic of China [Online]. Available at:
https://www.miit.gov.cn/
[14] System Level Simulator – WiSE [Online]. Available at:
https://www.commresearch.com.tw/Solution/5G_Simulator.aspx
[15] 3GPP R1-2110246, "Initial performance evaluation results of XR," 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #106-bis-e, Oct. 2021.
[16] 3GPP R1-2112175, "Performance evaluation results of XR," 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #107-e, Nov. 2021.