太赫茲+人工智能 5G商用伊始6G愿景已來

我們都知道，2019將成為5G的商用元年。事實上，它也極有可能成為6G的研發元年。今年3月底，芬蘭奧盧大學已在萊維（Levi）舉辦了全世界的第一場6G峰會，有超過200多位全球頂尖的無線通信專家前往參會。這場峰會的主題，是"為6G到來鋪平道路"。
? ? ? ?此前，通信技術的升級迭代，一直以10年為周期。按照業界預計，6G也將于2020年開始研發，2030年投入商用。而現在來看，6G的時代也有可能像5G一樣，提前加速到來。美國總統特朗普2月21日發布的推特就宣稱："我要美國發展5G和6G技術，越快越好"。
? ? ? ?工信部部長苗圩3月9日接受央視采訪時也表示，目前中國已經啟動6G研究。那么，6G到底將為我們帶來哪些改變？我們又將如何迎接它的到來？到目前為止，業界還沒有對6G是什么，形成一個統一的定義。有人認為，6G是太赫茲。有人認為，6G是5G+人工智能。
? ? ? ?有人認為，6G是5G+空聯網。不過，最大的可能，6G是把它們都放到了一起。移動通信的發展史就是開發無線電波頻率的過程從1G到5G，整個移動通信的發展史，本質上就是一個開發無線電波頻率的過程。

簡單總結，就是兩點：一，擴展頻率的利用范圍。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。6G也不會例外。

從1G到5G，我們利用到的頻段，都在下面的無線電波范圍內。它還可以進一步細分為更多的波段。在不同的波段，無線電波會呈現出不同的特性。比如，從4G到5G過程中，因為踏出厘米波范圍，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的建網需要部署比4G多最少1.5倍的基站。

而在6G時代，我們將進入一個全新的頻段范圍：太赫茲（THz）。這是一個非常吸引人的"神奇"頻段。太赫茲有與光相同的直進性，可以形成清晰的圖像；同時，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，對人體的輻射能量比X光小100萬倍。它也是非常好的寬帶信息載體，理論上可以實現每秒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，它可以將網絡的時延進一步降低，從4G和5G的毫秒級，縮短到微秒級。所以，它又可以在空間遙感、安全檢查、醫學檢測、無損探傷等領域，進行廣泛的應用；也可以為無線通信技術帶來新的顛覆。

專家預測，在6G時代，我們可能通過地面+低軌通信衛星系統共同組網，真實實現通信網絡的全球無縫覆蓋。

2004年，美國政府將其評為"改變未來世界的十大技術"之一。2005年，日本也將其列為"國家支柱十大重點戰略目標"之首，舉全國之力進行研發。不過，太赫茲波段的馴服和駕馭實在太過艱難，比如，它的轉換效率非常低，信號發射需要更大功率，它的信號也會在大氣中快速衰減等等，有太多的物理障礙需要解決。所以直到現在，6G的標準化還沒有真正開始。但隨著技術日益成熟，這些問題都有望在未來十年得到解決，大規模產業化乃至商用化。

6G最重大的突破可能來自于人工智能如果說，6G在頻率上的核心突破，是對太赫茲波段的利用。那么，在頻率之外，最重大的突破，極有可能來自于人工智能。如果仔細研究移動通信的發展，我們會發現一個非常有趣的情況。每一代移動通信，都提出了一個面向未來的核心業務特征，但這些核心業務從出現到不斷完善，都要向后跨越一代，才會真正發展成熟。比如，1G實現了從固定通信到移動通信的革命性轉變，但無論信號穩定性、通話質量、還是安全性，都存在非常多問題。直到2G時代，手機的話音業務才基本成熟。

2G讓我們可以用手機"上網沖浪"，但那時還只有WAP和移動夢網。直到3G時代，我們才開始用手機登上真正的互聯網，開始拍剪刀手照片，給朋友發微博。3G剛開始的時候，我們曾經認為，多媒體業務會成為它的殺手級應用，但事實上，直到4G時代，才有了快手、抖音等各種短視頻APP和直播的爆發。而我們暢想的XR（虛擬現實VR、增強現實AR和混合現實MR的統稱），以及各種IoT智能設備，在4G時代也才剛剛開始，可能要到5G時代的中后期，才會深入改變我們的工作與生活。那么，又是什么會在5G階段提出，在6G階段成為標志呢？在6G時代，我們對科技最宏大的想像，確實就是萬物互聯：所有的人、所有的智能設備，甚至所有的網絡、所有的智能體，都實現完全的互聯互通。

而要實現萬物互聯，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，移動通信網絡連接的是人與人，所以它的業務邏輯是簡單的，只需要做好業務管理和用戶管理，現在的軟件系統已經足夠了。

但從5G開始，我們需要把海量的智能設備也連起來，把它們采集的大數據連起來，乃至把這些設備和數據通過場景和服務用起來。

6G網絡可能還需要支撐更多的黑科技，比如全息技術、全感技術。這個過程，只有借助人工智能，我們才能真正實現。

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

就這個問題，在今天的第53屆IEEE國際通信會議（IEEE ICC 2019）上，OPPO標準研究中心負責人、首席5G科學家唐海通過題為"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，未來10~20年的發展，可以分成三個階段：

第一個階段，是For the AI（賦能AI服務）。其特征是，5G主要為人工智能業務提供支撐，讓本地人工智能服務演化為移動人工智能服務。目前，5G網絡主要還是提供人和物之間的連接，而旗艦級智能手機的人工智能運算力，已經能達到每秒7萬億次運算，一些簡單的人工智能應用可以在本地進行，比如照片優化。

即使如此，復雜的人工智能運算，也大都還需要連接網絡在云端完成。但是，受制于成本、設備體積、能耗等問題，并不是所有的本地設備，都能像旗艦手機一樣，配置強大的算力、儲存力和人工智能處理能力。

唐海認為，在5G時代，人工智能的應用會越來越多，包括但不限于：

（1）基于AI的虛擬助手，如實時翻譯，商業服務，多媒體點播等

（2）基于AI的遠程控制/干預，如實時的遠程監測、分析，干預等醫療服務、智能設備的遠程感知、控制，健康監測服務等

（3）基于AI的輔助/自動駕駛

這些業務都需要遠端的人工智能的連接需求，并對多輸入、速率、成本、時延都各有需求。而5G將為這些人工智能提供時延更短、帶寬更高、連接數更多的一個高速管道。

第二個階段，是By the AI（AI驅動優化）。其特征是：人工智能將被引入、并驅動5G的下一步優化。這個階段，也是目前業界開始有關注與探討的"B5G（后5G）"階段。

從目前5G的三大場景--eMBB（增強移動寬帶）、URLLC（高可靠低時延通信）和mMTC（海量物聯網）來看，5G已經可以基本滿足現有大多數人工智能業務對峰值速率、時延、可靠性、覆蓋及連接密度等網絡指標的需求。

但在向6G演進過程中，越來越多的人工智能業務，可能會對網絡性能提出更高要求，依靠孤立的基線指標，將無法達到滿意效果。

此時，需要對5G網絡進行優化，來滿足這些高性能需求。人工智能的引入與調度，可以幫助彌補人為建立的無線通信理論中一些"不完美、不精確"的短板，讓5G系統變得更快捷、精細、高效，滿足更高的網絡性能需求。

當然，到底網絡的哪些層次要利用人工智能，哪些應用需要利用人工智能，乃至如何用人工智能提升網絡，這些都還是我們在未來5~10年需要去討論、確定和解決的問題。

不過，唐海判斷，整體來看，越往網絡側走，AI所帶來的提升價值會越大，但復雜度和難度也會更高。

第三個階段，是Of the AI（AI無處不在）。它的特征是，人工智能的技術與應用場景全面普及，以智能體交互為代表的新型業務場景出現。

這是唐海展望2030年代、也就是6G時代的愿景。

他認為，在這個階段，越來越多的業務已經不再需要人類參與，而是由機器和智能體獨立完成。

在這個過程中，會有很多業務場景，是單一的智能體無法完成的復雜任務，需要多個智能體來共同協作完成。

因此，智能體直接交互的場景將持續增多，大規模智能體之間的作用，將會帶來極高的性能需求。

為了實現這樣的未來愿景，6G將需要克服一系列性能提升挑戰，并根據業務場景，對網絡帶寬、時延、可靠性、覆蓋、能耗、連接密度、精確度、安全性等指標的進行精確適配，甚至每顆芯片都會有屬于自己的天線，并通過人工智能來實現精準調度。

最終，我們將看到"人、物、智"的互聯互通，無論物理世界還是虛擬世界，人類社會與人工智能之間，都將實現完全的互聯互通。

6G研究現在已經是出發的時刻

看上去，這個愿景似乎還過于遙遠。

但對6G研究來說，現在已經是出發的時刻。

其原因在于，每一代移動通信的突破，大都需要全世界無數企業和科技機構共同協作，在理論科學、材料科學、信息工程學等多個基礎學科的共同努力，才能不斷突破一個又一個曾經看似永遠無法逾越的物理極限與工藝極限。

這是一個極其艱巨、極其漫長的過程。從理論研究、技術成熟、產業化到大規模商用，至少需要10~20年的時間來一步一步向前推進。

比如5G的毫米波技術，理論基礎早在2000年左右就已經完成，但直到現在，它也才剛剛走出實驗室，還需要至少3~5年的網絡部署和規模商用，才能真正發展成熟。

而且，從5G開始，通信技術已經與大數據、云計算、人工智能等技術一起，越來越多地參與到傳統行業的升級改造之中。所以通信技術的研發，也越來越需要更多行業的參與。

比如無人汽車，新通信技術要與汽車控制系統的融合，就必須滿足汽車行業的安全標準。