6G將連接數位、人類與實體世界,推動工業、企業與消費者三領域元宇宙之實現
EuCNC/6G Summit第一場主題演講由Ericsson研究院網路架構和協議研究領域主任Magnus Frodigh,分享“6G-網宇實體連結世界(6G-Connecting a cyber-physical world)”。演說中提出,現階段的網路已形成了智慧化數位基礎設施,為全球無論是個人、企業和政府皆提供無限可能性。5G的推出為應對廣泛的社會、環境和經濟挑戰一定程度地提供解決方案。然而,即便5G方興未艾,產業已經邁向討論由新興技術趨勢組合形成的下一個通訊迭代場景之轉變。此一轉變,就是多數業者初期擘劃6G世界樣貌所提出的虛實融合世界。
Ericsson表示,2030年後的6G世代是數位世界和實體世界的融合,兩世界間會存在著一個網宇實體連續體(cyber-physical continuum)作為橋接融合關鍵。在數位世界端,將需要嵌入於實體世界的感測器時時刻刻發送數據,透過追蹤回溯與分析,以隨時更新數位世界狀況;而串連在實體世界端,則需要可持續執行數位表象/呈現(digital representation)的程式化功能的驅動器(actuators),進行對未來的模擬、預測與程式化。基於6G的網路平台將在網宇實體連續體中提供智能、自始至終連結/接取且完全同步之服務。
資料來源:EuCNC/6G Summit、Ericsson,MIC整理,2023年7月
而針對虛擬數位世界和實體世界融合之進一步論述,在第三場由Nokia與NTT DoCoMo聯合主講、以” 6G進入新階段(6G getting into next gear)”為題的主題演說內容中提出了其見解。Nokia與NTT DoCoMo在此處用數位和實體的融合(Digital-physical fusion)一詞對應Ericsson的網宇實體世界概念,認為數位和實體的融合將增強人類的可能性,將在元宇宙(Metaverse)中實現,並展現於需要由營運科技(Operational Technology, OT)為中心驅動的工業元宇宙(Industrial Metaverse)、資訊科技(Information Technology, IT)為中心驅動的企業元宇宙(Enterprise Metaverse)、消費者元宇宙(Consumer Metaverse)三個領域中。
而從下圖二Nokia與NTT DoCoMo引用ABI research數據呈現這三個不同領域的元宇宙各自有不同的發展需求和市場發展動能,也可觀察到工業元宇宙的成長力度不容小覷,數位雙生相關技術的成熟與利用更將是催動其早期發展的關鍵,而基於XR解決方案之演進也可望加速其發展。
資料來源:EuCNC/6G Summit、Nokia、NTT DoCoMo,MIC整理,2023年7月
由Ericsson、Nokia與NTT DoCoMo的論述中可觀察到,這些業者6G世代應用場景之擘劃、想像,都以能夠實現數位、虛擬宇實體世界之融合為關鍵,在此前提下,進一步衍生出面向消費端與各個垂直產業所需的創新應用,例如更先進的協同機器人應用、更智慧的無人載具運輸場景、更沉浸同步的遠距控制、更具智慧自主認知識別能力的環境監測等;期望能夠建構並實現5G世代作不到或有別於5G世代的所提出的各類應用案例與場景。當然,這也勢必需要仍在發展、研議中的6G新興、關鍵技術的加持。
JCAS和AI為實現6G世代數位、人類與實體世界相互連結的關鍵技術
在Nokia與NTT DoCoMo在主題演講中,指出實現數位和實體的融合將需要新的基礎建設,並且需滿足六大特性,包含超高數據傳輸速度與能力、超廣覆蓋、超低能耗與成本、超低延遲、超高可靠度以及超大規模連接與感測。因此,可作為感測用途且無所不在的6G無線技術將是關鍵,而這就是目前產業提出的聯合通訊與感測(Joint Communication and Sensing, JCAS)技術或是整合感測與通訊(integrated sensing and communications, ISAC)技術。
透過JCAS技術,可以藉由大規模感測器融合實現即時元宇宙的生成。如下圖所示,結合數位雙生技術,透過JCAS收發訊號與數據,透過數位化建模,在虛擬世界中生成實體世界映射出來的樣貌;或是透過感測器蒐集之各種數據,利用6G通訊技術近乎同步傳輸,在元宇宙空間進行遠距監測或控制等,或成為6G世代的關鍵應用樣貌。
資料來源:EuCNC/6G Summit、Nokia、NTT DoCoMo,MIC整理,2023年7月
在第五場華為的主題演講中,也提出6G ISAC技術可望實現虛實世界鏈結容的概念應用場景,針對商業/工業的2B應用,描繪出利用6G ISAC技術遠距操控機器手臂之場景;針對消費端2C應用,則擘劃出結合6G ISAC和放在雲端的AI Brain之消費型機器人應用情境,消費者可置入任何應用程式至機器人端進行各種不同任務。而此消費型機器人將會是通用機器人硬體終端並且嵌入具備6G ISAC技術的晶片元件或模組,藉由蒐集到的感測數據再透過AI運算,將可推斷機器人行為,並且在消費者端也可透過機器人上的感測裝置,經由AI、雲端與6G傳輸之分析,藉由穿戴式裝置除了視覺聽覺外,甚至觸覺等其他感官知覺都能因而同步。
資料來源:EuCNC/6G Summit、華為,MIC整理,2023年7月
頻譜是影響6G發展要素,新的中高頻段成關鍵,而Sub-THz傳輸挑戰是各方待解議題
各代的行動通訊發展絕對無法忽視的關鍵議題,就是頻譜資源的取得。5G世代,頻譜需求從低頻朝中頻與毫米波邁進,期望藉著更大的頻寬提供更多樣化且創新的服務。展望6G,各方對於頻譜議題,不僅僅關注於發展Sub-THz/THz頻段,或可用於結合感測與通訊,挖掘新應用可能性;也更實事求是地思考6G世代的”新中高頻頻段”,也就是7 GHz至24 GHz的適用性。
也因此,在本屆EuCNC/6G Summit的主題演講中,Ericsson將7GHz-15 GHz稱為厘米波,將是6G世代必要頻段,主要提供更良好的覆蓋與傳輸頻寬容量;而Sub-THz一定程度可以提供極大的頻寬,在特定區域範圍可以有極佳表現,或作為通訊卸載用,但除此之外仍須面對傳輸上的物理性挑戰(如,容易被屏蔽、傳輸距離及短)。而Nokia也與Ericsson持相同意見,同樣在主題演講中表示7GHz-15 GHz將是6G的新黃金頻段,在Nokia的試驗模擬中,此頻段可以提供與現階段5G中頻相近的覆蓋率,並有好的機會在既有基站大小狀態提供高傳輸容量表現;亦表示應持續探索使用Sub-THz頻段可行性,譬如用於感測通通訊融合相關應用。
而值得注意的是,兩業者都提出,在6G世代的頻譜資源運用應該是彈性的,應能透過共享方式或載波聚合技術使用4G/5G等既有已授權的頻譜資源,讓6G得以在任一頻譜頻段中作用,進而形成完全協調的多層網路。
資料來源:EuCNC/6G Summit、Ericsson,MIC整理,2023年7月
針對7GHz-15 GHz,各業者已經開始思考如何用既有5G基站實現6G世代所需傳輸表現。Nokia指出,5G-Advanced的發展過程中,已逐步藉由分散式大規模天線(Massive MIMO)基站的部署試驗,驗證其可提升在3.5GHz頻段的傳輸效能,由在上傳表現方面。這將成為發展6G基站的墊腳石,在Nokia的模擬中,若要同一站點與基地台,以7GHz頻段實現與3.5GHz的覆蓋率,則需要在同一尺寸基站的天線陣列中加裝至少四倍的天線元件,以形成更好的數位波束。
另由紐約大學無線研究中心創始人Ted Rappaport教授也首次在本屆EuCNC/6G Summit進行的主題演講,其內容關鍵也環繞著毫米波、中高頻段、Sub-THz等頻譜,以及為何需要探索THz的可能性?這些頻段的安全與否?以及後續關於能耗、KPI等議題。演講過程中,特別提及,美國FCC在2022年的MWC就曾提及,針對6G應盡快規劃相關頻譜資源,尤其能為6G提供更快傳輸速度、廣覆蓋範圍、大頻寬的7GHz-15GHz頻段。FCC當時也呼籲全球應該使進行頻譜資源的協調討論。
而如前述,Sub-THz既有限制讓該頻段可支援的應用與場景,可能集中在特定場域與應用。業者要面對的不僅僅是傳輸距離與遮蔽物等限制,能否實現超高頻段傳輸的前提,更包含是否有更具經濟效益且能支持超高頻的射頻元件、以及相關的製程封裝技術、超高頻的PCB等,因此Nokia特別提出新材料的重要性,如該公司所開發之玻璃無線電(Radio-on-Glass, RoG),也就是將射頻集成電路(Radio Frequency Integrated Circuit, RFIC)裝載於玻璃基板上。在Nokia的試驗中,RoG展現出在Sub-THz頻段傳輸過程有較低的衰減與介電特性。同時間,新的波形(Waveform)與頻道模型(Channels modelling)也是業者們思考如何打破Sub-THz挑戰的關鍵研究方向。
紐約大學Ted Rappaport教授也指出,Sub-THz/THz對6G仍有極為重要之地位,在技術可行態勢下,可有非常多樣化的應用得以實現。也因此,Ted Rappaport教授帶領其研究團隊,持續針對室內/外的毫米波、Sub-THz/THz之傳輸進行各種驗證可行性研究,利用通道建模、大型基地台、小型基站與協調多點(Coordinated Multi-Point, CoMP)等技術,在各種複雜環境進行傳輸驗證,如工廠場域等。
且由於ITU-R於RR.5.3440文件中提出,在THz頻譜範圍中有部分禁止使用的頻段(多半為氣候偵測應用),以保護敏感的被動服務;在不影響氣候偵測的應用上,過去THz頻段作為IMT應用面臨很多困難。故通訊與感測間的共享將因而受到限制。Ted Rappaport教授在演講中也展示其團隊進行140 GHz替代衛星量測之實驗,期望未來可解決地面通訊干擾衛星的THz禁用頻段問題。