协议再演进：从5G-Advanced到6G
作者：彭洋洋博士
5G可能是人类历史上发展最快的通信协议。
自2019年5G开始部署以来，5G在全球迎来快速发展。根据GSMA（全球移动通信系统协会）的统计，从部署元年开始计算，3G经过了11年达到了10亿用户，4G用了8年，而5G只用了4年时间。到2023年，全球5G用户已达15亿。
图：不同协议达到10亿用户所用时间
伴随着5G的快速部署，5G已完成第一阶段商用使命已完成，5G也进入到深度优化阶段。2021年4月，3GPP正式将5G演进的名称命名为“5G-Advanced”，2021年12月，作为5G-Advanced的首个协议版本Rel-18首批项目正式立项，5G发展进入新阶段。
同时，在5G部署及商用成功后，行业领导厂商又马不停蹄地开始6G协议的制定。2023年6月，在ITU-R（国际电信联盟-无线电通信部门）发布IMT-2030（6G）总体目标建议书，首次向全世界正式发布了6G部署时间、6大应用场景以及主要能力提升。6G协议有条不紊开始推进。
5G-Advanced究竟先进在哪里？6G还会做哪些改进？带着以上问题，我们一起来对5G通信协议的演进做一个梳理，与大家一起探讨未来无线通信可能带来的变化。
持续演进的5G
图：2030年之前，全球移动通信发展主要节点
根据GSMA对未来7年的预测，在接下来的7年时间里，全球蜂窝移动终端连接数目将由85亿继续增长至95亿。其中5G连接数目增长迅速，将从2023年的15亿连接数，增长至2030年的50亿。占总连接数的比例从20%，增长至超过50%。
为了满足移动通信的不断发展，自3G时代起，协议发布之后不再是一成不变，而是不断演进。例如WCDMA协议在后期迭代出现HSPA（High Speed Packet Access），以提供更调整的上下行速率。这一做法在4G时代得到了充分的使用。
ITU-R于2008年发布4G协议技术要求和性能目标，定义4G需要满足1Gbps的峰值下载速率和500Mbps的峰值上传速率。这在当时3G时代有几十Mbps的上传下载速率来说提升是不可想象的。3GPP一直在做对3G协议的改进和提升，自2004年开始，3GPP不断采用新的信号处理技术、调制方式、多天线技术等提升无线数据网络的容量与速度。3GPP认为无线通信技术的提升是一个长期工作，于是将这个项目的名称称为“长期演进”（Long Term Evolution），简称为LTE。
LTE并不是完全满足ITU-R 4G需求的协议，在2009年LTE的第一个版本（R8版本）商用时，其只有峰值150Mbps的下行速率和50Mbps的上行速率。为了达到4G协议的要求，LTE进行了多次版本升级，最终在2011年发布的R10版本上，才达到下行1Gbps，上行500Mbps的峰值速率，真正达到了ITU-R的需求，成为被ITU-R认可的4G协议。3GPP也给这了这一版本协议一个新的名称：LTE-Advanced。所以严格意义上讲，LTE并不是4G协议，真正的4G协议是从LTE-Advanced开始。
ITU-R对5G的需求定义是满足20Gbps以上的峰值下行速率，这一次3GPP并没有打折，在5G的第一版本协议R15中，协议所能达到的峰值速率即达到了20Gbps。但5G协议并没有止步于此，为了达到5G定义之初“铁三角”的应用场景，5G首版协议R15完成eMBB场景的主要需求定义后，R16版本又逐步完善。
图：ITU所定义的5G应用场景“铁三角”
其中，在eMBB场景中完善了毫米波的定义，并加入了SA（独立组网）的定义，使5G成为真正的独立宽带网络。
在uRLLC场景中，定义也逐步完善，并加入了NR V2X的定义，完成基础车联网的定义，使5G低延时特性得到更大发挥。
在mMTC场景中，将NB-IoT、eMTC协议纳入到5G核心网的支持中来，补齐海量物联场景的定义。并且，在网络基础能力定义中，定位、节能、智能化功能也不断增强。5G标准从基础走向标准。
2022年，5G R17协议冻结，完整的5G协议再走向增强。初步的NTN（Non-Terrestrial Network，非地面网络）功能被定义进来，5G网络从地面走向天空。同时车联网、物联网协议得到增强，定位、人工智能的结合持续升级。随着5G R15标准的基础定义，R16的完善，R17的增强，5G第一阶段的使命已基本完成。
图：5G协议中的演进
2021年12月，3GPP完成R18协议首批项目立项，立项项目涵盖eMBB、uRLLC、mMTC多个场景，涉及27个项目，这些项目对5G无线通信的容量增强、人工智能应用、空天一体、轻量化终端等多个方面进行增强和完善。3GPP对这些项目寄予厚望，认为这些项目将是5G完成第一阶段之后的性能再次提升，并且是未来6G演进中的重要铺垫。3GPP也将R18及之后的协议定义了新的名称，即“5G-Advanced”，用来区分5G的新阶段，展示5G的技术演进与创新。
虽然5G-Advanced仍在研究中，一些技术还并未成熟商用，不过有几项特色的项目仍值得关注。
比如5G与人工智能的融合，5G-Advanced有望通过人工智能对物理层的优化、对资源管理的优化、对故障检测与预测的优化，来提高物理层的性能与效率，提高网络的资源利用率与分配效率，提高网络可靠性与稳定性。
再比如对双工技术的研究上，全双工的概念再次被提出并展开研究，通过对自干扰的消除，使得上下行信号可以同时、同频进行传输，极大地提高了频谱利用效率。
另外，5G轻量终端相关的5G RedCap协议，空天一体相关的5G NTN协议，都将继续探讨与发展。
6G应用场景正式发布
随着5G的正式商用，6G的技术讨论也悄然到来。虽然不断有声音说，6G技术还为时尚早，因为5G商用还未全面普及，5G的优势还没有完全体现，5G需要的提升也未有定论。不过随着无线通信管理组织的探讨，行业领先公司的研究，6G的目标逐渐清晰。
一般在全球性新协议的开发过程中，主要分为三个步骤进行，第一个步骤是国际电联等全球无线电管理机构发出愿景性标准，定义新协议的主要实现目标及主要时间点，第二个步骤是协议组织（如3GPP、IEEE等）制定技术方案，将协议进行标准化，第三个步骤是行业组织推动商业落地。目前的6G协议在第一个步骤完成，到第二个步骤启动的切换阶段。
图：“Phase”系列射频前端的10年发展
经过近两年的讨论，ITU在2022年6月确定了6G的主要时间表。在ITU的指引中，6G发展将分为三个阶段进行。
第一阶段是愿景定义阶段，这个阶段在2023年6月之前完成，将完成愿景定义，新应用趋势与技术趋势的识别，新场景、新频谱的定义。
第二阶段是确定需求和评估方法，这一阶段主要是指定技术性能要求，并且收集候选技术方案，确定评估方法，这一阶段将在2026年之前完成。
第三阶段是输出规范阶段，这个阶段主要目标是输出规范，发布标准，将在2030年之前完成。也就是说，将在2030年实现6G的商用。射频无线协议的10年一更迭的节奏仍然在继续。
2023年6月，ITU将6G场景、能力需求做了发布，顺利实现6G第一阶段的愿景定义。根据ITU的定义，6G应用场景归为6大类。其中3大类为原来5G场景的增强，3大类为6G的新增。
3大类增强的场景是将eMBB升级为沉浸式通信，将mMTC升级为海量通信，将uRLLC升级为超级高可靠低延时通信。3个新增的场景为：无处不在，AI集成，感知集成。
另外，6G还定义了四大设计原则，分别为持续性、连接未联，无处不在的智能，安全/隐私/弹性。
ITU所定义的6大场景和4大设计原则相互协同，共同构成6G“场景之轮”（Wheel Diagram）。
图：ITU定义的IMT-2030 “6G”场景之轮
ITU也对6G的能力做了定义，射频无线通信网络的15大能力再次得到提升或重新定义。
在这些能力提升中，有9项能力是在原有网络能力中做的提升，比如在过去几代协议演进中被不断提及的上峰值速率、连接密度、延时等，这些能力将再次得到数量级的提升。
6G也重新定义了新的6大能力，这6大能力分别是AI、持续演进、感知、覆盖、交互、定位。在6G的新能力定义下，6G必将实现更智能化的射频无线网络。
ITU将6G的能力称为“6G能力调色板”，9个能力提升与6大能力增强使6G应用更值得期待，多姿多彩。
图：6G能力展望之“6G能力调色板”
在6G的定义下，无线连接的能力再次得到提升，如果说5G应用场景的“铁三角”让无线网络从人的互联走向万物互联，那么6G的“六边花”就将实现万物互联下的能力加持。
6G的到来，使得射频无线网络不再是连接的延伸，而成为能力边界突破的助力。6G强大的通信能力将使物理世界、数字世界界限不再明显，两个世界相互交织，实现智能的全息网络。6G无处不在的连接将使人类、机器、海量传感器实现互联互通，共同构建起一个高效协同的体系。6G还将使卫星通信、地面通信、空中通信等多种接入方式实现完美融合，实现连接的全域覆盖。6G也将充分利用人工智能、边缘计算等新兴技术，让连接变地更加强大与智能。6G不仅继续实现万物互联，6G还将带来万物突破能力边界的新机遇。
总 结
很少有一门技术像射频技术一样，依靠不到200年前的四个公式，就将射频技术的发展牢牢框死。1873年，麦克斯韦在他伟大著作《电磁理论》中系统总结了他的方程，这个方程用四个公式揭示了电磁波的本质。射频技术在接下来150年快速发展至今，但仍未超脱麦克斯韦方程的范围。射频技术好像没有本质更新。
随着信息论、集成电路技术在射频技术中的应用，人类对于无线连接的需求极大地得到了满足。几乎人手一部的手机、无处不在的网络、越来越多的互联设备，好像人类已经将所有能想象的物体连接上了网络。
再也没有本质更新的技术，应用需求好像也已经被全部满足。这不禁让人提问，我们还需要更强的射频技术吗？
这个问题在每个代际的无线通信协议发展中都会被人提及。在手机诞生之前，大部分人类觉得有广播就够了；第一代移动通信诞生后，很多人觉得人手一部能随时打电话的手机已是神话；第三代移动通信让人类体会到了“数据连接”；第四代移动通信将互联网变成了“移动互联网”；第五代移动通信开始实现汽车、卫星等的万物互联……无线通信技术不断用它不断强大的能力，刷新人类对于射频技术的认识，更不断拓展人类对这个世界认识的方式与边界。
6G到来将继续开拓人类认知边界。6G带来的无处不在的连接、更加智能网络、通信与感知的集成、沉浸式的通信，将使这个世界再次得到改变。6G不仅是无线连接的功能实现，而将成为万物能力拓展的手段。未来更加强大的互联世界正缓缓到来。
您对6G到来的世界怎么看？欢迎留言讨论。
参考文献：
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Global Mobile Trends 2023, GSMA
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ITU towards “IMT for 2020 and beyond”, ITU-R, https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2020
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Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2030 and beyond, ITU-R, https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2030