王建宙：新一代人工智能加速6G网络演进
来源：
新华网
日期：2024-11-19
责编：
殷绪江
过去的几十年中，移动通信网络经历了从1G到5G的演进。每一次演进都提升了无线通信网络的功能，这些功能的使用改变了人类的生活、工作和生产方式。今天，5G已经变成常态，6G正在向我们走来。国际电信联盟发布《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》以后，6G的标准化和技术研发已经热火朝天。
此刻，我们对6G充满期待。我们期待6G带来更快的网速和更大的容量，更期待6G网络演进成为与人工智能深度融合并可持续发展的新型网络。
人工智能重构移动通信网络
电信业是各行各业中最早采用数字技术的。早在上世纪80年代初期，随着数字程控电话交换机的使用，电信企业开始了数字化的进程。数字技术的使用，成为电信业发展的转折点，随之而来的是此后几十年的快速增长。
现在，电信业正在迎来新的转折点，这就是用人工智能来重构电信网络。重构就是对系统的内部结构做出改变，通过优化内部逻辑，使系统更加合理和高效。要用人工智能优化网络结构，用人工智能调度网络资源，用人工智能管控网络，替代过去基于长期经验设计的无线网络的结构和运行规则。通过大模型实时分析网络状况，预测和诊断故障，并修复和自我优化。重构网络，就要对整个网络的结构和运行逻辑进行调整，使之更加高效。
长期以来，电信网络都是按照忙时业务量确定网络容量并建设网络，然后昼夜不停地全容量运行网络。用这种方式运行低耗电的固定电话网络是行之有效的。但是，移动通信网络具有大量的分布式基站，随着基站数量的增加和收发天线数量的增加，网络耗电量一直在增长。5G网络开通以后，由于5G网络功率远高于4G，为了节约用电，运营商尝试在深夜闲时对部分基站实施休眠。
在利用人工智能重构网络之后，可以期待行业将建立一种新颖的网络运行方式。人工智能不仅可以根据预测的业务量忙闲状况，自动控制基站的休眠和唤醒，而且可以使这种控制变得更加精确。把人工智能的算法应用于网络系统之中，将基站发射、信号传送和终端接收的全过程构建为一个深度神经系统。可以设想的目标是，利用人工智能自动调度资源的功能，在基站不休眠的情况下，根据实际业务需求变化自动调整频率带宽，自动调整收发天线的数量，这样可以明显地提升效率降低能耗。
我们可以把传统网络运行比喻成一个乐队的齐奏，即所有的乐器同时一起演奏；把利用人工智能精确控制的网络运行比喻为交响乐演奏，即每一个乐器都是在需要的时候才出现。
要实现6G让万物智联的愿景，还应使网络具有不同的层次。6G既要满足超高速物联的需要，也要满足中低速物联、窄带物联和无源物联的需要。4G网络建成以后出现了NB-IoT，5G网络建成以后出现了RedCap，都是为了适应不同层次的物联网的需要。6G网络宜在制定标准的初期就考虑到这种不同的需求。
重构网络还体现在增加网络的功能。6G网络将会超越连接，把网络连接与算力、算法、数据深度整合，从而支撑未来海量的人工智能应用。6G还将实现通信与感知一体化，拓展通信网络的功能边界。
突破技术难题
自4G采用正交频分复用（OFDM）作为调制方式以后，5G也继续采用OFDM。5G之所以具有较4G更快的速率，除了帧结构的优化，主要是因为增加了频率带宽和MIMO的收发天线数量。5G-A也是采用了同样的思路。这种方法对于提升网络速率确实立竿见影，但是也提升了基站设备的功耗。事实上，5G基站的功率远高于4G，5G-A基站的发射功率与5G一样，但由于收发天线的数量从64个增加到128个，实际功耗增加了10%-20%。
6G要大幅提速，势必要继续增加频率和收发天线。此外，6G将实现通信感知一体化，这就可能需要在OFDM发送连续波的基础上，增加新的调制方式（如线性调频，LFM）来发送感知的脉冲波，这又会增加功耗的负担。
5G网络运行后，移动网络的能耗问题已经引起了业界的高度重视。电信运营商和设备制造商都采取了许多措施来降低5G网络的能耗。常用的措施包括：改进元器件，优化电路设计，减少空调设备，等等。但总的来说，效果还不够明显。
随着频率效率的提高，功耗也不断增加，这是无线通信发展至今碰到的新难题。要实现移动通信业的可持续发展，需要在技术上有新的突破。
语义通信就是一种全新的技术，将通信与人工智能深度融合，通过对原始信号内容的特征提取，大幅减少传输的字节数，提升网络效率。这确实为移动通信的发展开辟了一个新的维度，引起了业界的密切关注。应该大力支持语义通信的技术研发。
频率资源短缺也是未来移动通信发展避不开的问题。尽管6.425-7.125 GHz频率已被2023年世界无线电大会划为可用于5G和6G的新的移动通信频率，但显然无法满足6G对频率的全部需求。
中低频段的频率已严重短缺，高频段频率资源丰富，而且在性能上有许多优势，但由于无线电波具有频率越高，绕射能力越弱的特性，若用毫米波或高频段的厘米波建设蜂窝式移动通信网络，存在着基站覆盖范围太小的难题，更不用说太赫兹波了。
10年前，在5G的研发阶段，很多制造商和运营商都把重点放在毫米波上。记得那几年在巴塞罗那移动通信展上，几乎所有的参展商展示的5G系统都是采用毫米波的。当时，我就在想，毫米波基站覆盖范围那么小，作为专网使用没有问题，但用毫米波建公网，成本会很高，运营商可能无法承受这种成本。果然，在5G建设的初期，国际上有一些运营商曾采用毫米波建设5G公网，但由于网络覆盖成本实在太高，后来又参加频率拍卖，改用中低频段建网。有的运营商已经取得了毫米波频率，后因顾虑成本太高而迟迟不开工，这些频率又被收回了。尽管如此，由于中低频段资源的匮乏，移动通信若要进一步发展，我们不得不面对使用高频段频率建网的问题。
国际电信联盟的建议书指出：“IMT-2030需要广泛利用1 GHz以下频段至亚太赫兹频段之间的多个频段，涵盖低频段、厘米波频段、毫米波频段和亚太赫兹频段。未来的很多部署场景（包括广域部署），可能需要更大的信道带宽来满足新业务、新应用的需求，现有的频谱和后续新分配、新发现的频谱需要和谐共存。”主攻目标是解决高频段基站因无线电波绕射能力弱而使其覆盖范围变小的问题。
办法总会有的，目前已经有了一些解决方案。例如，智能超表面（RIS）可以将入射的电磁信号通过反射和透射方式引导到所需方向，使信号覆盖到视距之外，这可能是解决高频段无线电波绕射能力弱的有效方法。我曾在试验场地观看过RIS的演示，效果显著。RIS看起来很像专业摄影师用的反光板，当然比反光板复杂得多。目前RIS在成本控制、功耗控制和避免干扰等方面还有许多尚待解决的问题。我认为，在6G标准化过程中，要像重视基站那样地重视RIS。国际电信联盟已将RIS列为6G的技术趋势，称之为多维度物理传输技术。这类技术的突破极具现实意义，值得大力支持。
扩大运营商共建共享网络
一直以来，世界各国的移动通信市场都是由多家运营商互相竞争的，每一个运营商都独立建设了各自的移动通信网络。这种市场竞争的格局加快了移动通信的发展，降低了资费，改善了服务，使消费者受益。
但是，移动通信的市场环境已经发生了巨大的变化。一方面，由于移动通信技术标准的统一，网络之间的技术差距缩小，网络服务内容也相类似，运营商之间的竞争成为同质化的价格竞争；另一方面，随着移动网络所需带宽增加，频率资源严重短缺。再加上移动通信网络的频繁升级换代，电信运营商的资本开支居高不下。正因为如此，在资本市场上，电信运营商的估值普遍偏低。
在这种新的市场环境下，国际电信业出现了两种趋势：一是减少电信运营商的数量，通常是通过商业并购的方式来实现；二是电信运营商共建共享网络。
电信运营商共建共享网络在3G时已经开始，但那时共享的范围比较小，主要是站址共享。进入5G以后，电信运营商之间的网络共建共享范围扩大，而且成为一种趋势。
中国的电信运营商在共建共享5G网络方面取得了巨大的成功，并赢得了全球同行的赞誉。5G网络的共建共享不仅大幅降低了建设成本和运维成本，降低了能源消耗，而且由于共享频率资源，增加了无线带宽，使网络的技术性能得以提升。
5G网络的共建共享，通常采取合作各方签署协议的方式。在国际上，也有成立合资公司的方式，各运营商持股成立一家合资公司，由合资公司专门负责5G网络的建设和维护，供出资的运营商使用。
毫无疑问，网络共建共享在6G仍将继续，而且还将扩大。因此，在6G的标准化过程中，需要考虑如何为运营商共建共享网络提供更多便利。根据5G共建共享的实践经验，改善技术规范。在制定新的技术规范时，需要兼顾各种形式的运营商网络共享，包括异网漫游方式共享、无线接入网共享、无线接入网并部分核心网共享、虚拟运营商共享等。
电信运营商在5G网络上超大规模的共建共享，证明了将电信网络建设维护与电信业务经营解耦不仅可行而且效益显著。两个运营商共同使用一个5G网络，更合理地利用了资源，降低了成本，提高了效率。而且，只要管理有效，运营商之间不会因为共用网络而减缓市场竞争。
电信运营商在5G上已经朝着网业分离的方向走出了一步。6G网络的共建共享应该迈出更大的步伐，一方面可以从两家合作扩大到多家合作，另一方面要使这种合作更加规范。可以探讨各方共同建立合资公司，由合资公司统一建设和维护6G网络，供所有的运营商有偿使用。
