6G與AI開啟沉浸式通信新時代

作者：是德科技6G解決方案負責人Hwee-Yng Yeo

關(guān)于6G賦能的沉浸式通信在遠程醫(yī)療、娛樂、培訓等領(lǐng)域的潛力，已有很多探討。這一無線感知通信的新時代將由AI驅(qū)動，但6G、AI與感知技術(shù)將如何實現(xiàn)數(shù)字、人類與現(xiàn)實世界之間的無縫銜接？本文將對此進行深入探討。

有知覺能力的機器人并非一個新概念，早在1992年，它們就以《星際迷航》中的Exocomps形象進入大眾視野。這些服務(wù)型機器人能在危險環(huán)境中進行維修，其AI隨時間推移逐漸具備知覺。三十年后的今天，這已不再是科幻情節(jié)，而是現(xiàn)實——自主機器人已在礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、安保及遠程醫(yī)療等眾多領(lǐng)域落地部署。

隨著數(shù)字、人類和現(xiàn)實世界日益融合，AI與下一代6G通信技術(shù)將在實現(xiàn)擴展現(xiàn)實、觸覺通信和全息通信方面發(fā)揮關(guān)鍵作用（見圖1）。

圖1：6G正在演進，整合數(shù)字、人類和現(xiàn)實世界，為沉浸式通信開辟新應(yīng)用場景。（圖片來源：AI和6G的融合）

從5G躍升至6G，奏響通信新強音

目前，5G專網(wǎng)已通過混合現(xiàn)實應(yīng)用為外科醫(yī)生提供支持。軟件將患者的CT或MRI掃描結(jié)果（如腫瘤或血管阻塞）轉(zhuǎn)換為詳細的3D全息圖，這些全息圖可放大、縮小、靈活移動，甚至直接疊加在患者身上。這些能力可以幫助外科醫(yī)生更精準地規(guī)劃手術(shù)流程，可能縮短麻醉后恢復(fù)時間，并助力患者康復(fù)。

圖2：先進的5G/6G無線通信正在變革醫(yī)療行業(yè)，低延遲和高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸時間為手術(shù)流程提供關(guān)鍵的高保真信息。

5G還被用于為應(yīng)急響應(yīng)人員開展沉浸式模擬訓練，從警察應(yīng)對武裝嫌疑人沖突，到配備5G連接的救護車讓急救人員（paramedic）能和遠程臨床醫(yī)生聯(lián)系上，而后者可在救護車送醫(yī)途中指導(dǎo)急救人員進行搶救操作。2024年，關(guān)于遠程手術(shù)（telesurgery）的報道也開始引起關(guān)注，外科醫(yī)生與患者相隔數(shù)千公里，通過5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)連接。

盡管5G技術(shù)已能支持部分此類新型體驗，但研究人員正推動6G和AI領(lǐng)域的研究，以克服5G存在的一些局限性：

1.超低時延與高可靠性，支持實時觸覺反饋與擴展現(xiàn)實（XR）

6G旨在實現(xiàn)亞毫秒級時延和近乎完美的可靠性，從而支持實時觸覺反饋、遠程觸覺體驗以及逼真的擴展現(xiàn)實交互。AI可進一步動態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，確保在變化的條件下維持服務(wù)質(zhì)量。盡管無線電接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）和多接入邊緣計算（MEC）正推動5G時延向1毫秒目標邁進，但當前5G實施的時延通常在1至10毫秒之間。觸覺物聯(lián)網(wǎng)和自主機器人技術(shù)的開發(fā)者正借助6G力圖實現(xiàn)超低時延，以消除5G時延導(dǎo)致的抖動和掉幀問題，從而提升用戶體驗。6G的超低時延將能支持以毫米級精度追蹤細微動作，并能將此類動作數(shù)據(jù)與觸覺系統(tǒng)共享，從而實現(xiàn)更靈敏、更精細的沉浸式體驗（見圖3）。

未來6G網(wǎng)絡(luò)中的AI將通過預(yù)測用戶意圖、優(yōu)化信號路由及借助邊緣計算降低時延，助力實現(xiàn)反應(yīng)超靈敏的觸覺反饋。機器學習模型研究表明，通過動態(tài)調(diào)整觸覺數(shù)據(jù)的壓縮與編碼，可確保實時、高保真的觸覺感知。

圖3：恰到好處的力度，在恰當?shù)臅r間，恰當?shù)奈恢�，或許還帶著精準的36.9°C的溫度。通過6G和AI驅(qū)動的觸覺技術(shù)模擬人類的觸感。

2.大帶寬支持多感官媒體

近年來，多感官媒體（mulsemedia）一詞日益受到關(guān)注。隨著沉浸式通信超越單純提升數(shù)字世界中的聽覺、視覺和觸覺體驗，氣味和味道數(shù)字化成為新方向。想象一下，當用戶在元宇宙中醒來，微風輕拂，在按需提供香氛服務(wù)的支持下，家中彌漫著咖啡與新鮮面包的香氣，也無需擔心攝入多余的卡路里。

實現(xiàn)多感官輸入的實時同步對沉浸式體驗至關(guān)重要。觸覺應(yīng)用需要超過1 kHz的刷新率（即每毫秒刷新一次）以實現(xiàn)實時觸覺反饋。盡管5G支持此類刷新率，但要在多用戶環(huán)境和不同網(wǎng)絡(luò)條件下持續(xù)保持這一性能仍是一項挑戰(zhàn)。

當前B5G的研究正推動太赫茲（THz）頻率和大帶寬技術(shù)的應(yīng)用，以支持多感官數(shù)據(jù)（包括空間音頻、氣味和觸覺），而AI可實時對這些數(shù)據(jù)流進行壓縮、重建和個性化，從而打造感官體驗豐富的虛擬環(huán)境。行業(yè)需要新的研究測試平臺來驗證6G與AI的融合，以克服當前5G和B5G面臨的諸多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括受多感官數(shù)據(jù)大帶寬需求驅(qū)動的有限數(shù)據(jù)速率、時延限制和能效與頻譜利用率低下，以及機器學習需要處理和學習大量感官輸入以優(yōu)化觸覺響應(yīng)的需求。

此外，AI可有效支持6G多感官應(yīng)用中的缺失數(shù)據(jù)補全。先進AI技術(shù)（尤其是生成式AI和機器學習）可用于估計或合成缺失數(shù)據(jù)點，提升6G網(wǎng)絡(luò)中多感官數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)健性和準確性。

3.情境感知與智能通信

在科學與知覺交匯的未來時代，6G下的AI將實現(xiàn)情境感知、自適應(yīng)通信系統(tǒng)——支撐安卓機器人包背后的網(wǎng)絡(luò)與算法可以理解人類用戶的意圖、情感及環(huán)境。在另一個并非遙不可及的場景中，想象一下穿上配備10萬個傳感器并集成觸覺技術(shù)的全息夾克。這種實時全息投影可以跨越時空阻隔，讓遠在異國工作的父親能夠“擁抱”并感知他剛剛誕生的孩子的全息數(shù)字孿生，或者讓身處遠方的家屬與臨終親人作最后的告別。

當前，5G技術(shù)對內(nèi)容仍基本保持“不可知”狀態(tài)，且邊緣側(cè)缺乏深度AI集成。因此，其無法根據(jù)人類用戶上下文動態(tài)調(diào)整體驗質(zhì)量，導(dǎo)致復(fù)雜沉浸式場景下的性能表現(xiàn)欠佳。在全息通信等沉浸式通信場景中，除高帶寬和數(shù)據(jù)負載能力外，0.1毫秒的超低時延及定位精度至關(guān)重要（見表1）。當前5G advanced的最佳定位精度為0.3米，而6G則為1厘米。實現(xiàn)毫米級精度對空間敏感的機器人化和全息應(yīng)用（如遠程手術(shù)）至關(guān)重要。

創(chuàng)建全息數(shù)字孿生需要實時映射、預(yù)測人類世界實體狀態(tài)，并再現(xiàn)三維空間信息。AI將在基于集成感知與通信（ISAC）技術(shù)生成的全息數(shù)字孿生智能層中發(fā)揮關(guān)鍵作用。AI將實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、超分辨率及預(yù)測建模。

AI的深度學習能力將驅(qū)動多種模型，從基于transformer的網(wǎng)絡(luò)，到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）及圖卷積網(wǎng)絡(luò)（GCN），從海量傳感器數(shù)據(jù)中提取洞察。這將實現(xiàn)多節(jié)點傳感數(shù)據(jù)（如點云和無線電回波）的處理與集成，提升環(huán)境模型分辨率并填補數(shù)據(jù)空白。該層還執(zhí)行語義壓縮和聯(lián)邦學習，以高效傳輸并持續(xù)優(yōu)化全息模型，實現(xiàn)現(xiàn)實世界的高精度實時數(shù)字副本。

面向互聯(lián)世界的關(guān)鍵6G使能技術(shù)

盡管6G與AI有望大幅提升沉浸式通信能力，但它們背后的使能技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。例如，先進感知通信基于反射測量技術(shù)，而大多數(shù)傳統(tǒng)無線通信則采用前向通信。

在6G網(wǎng)絡(luò)中，反射測量與超表面技術(shù)的集成是實現(xiàn)先進感知和沉浸式通信的關(guān)鍵。反射測量通過分析反射的電磁信號來檢測和表征環(huán)境。在6G中，它用于環(huán)境感知、物體定位和運動檢測，甚至是在非視域（NLoS）條件下。使用工程二維材料的可編程超表面可動態(tài)操控電磁信號——調(diào)整相位、方向和幅度——以增強信號覆蓋、實現(xiàn)精準定位并支持NLoS感知。

與AI集成后，反射測量技術(shù)與超表面可實現(xiàn)波傳播的實時適應(yīng)，從而提供高分辨率環(huán)境感知，通過緊密耦合感知與數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)逼真的沉浸式通信。

6G沉浸式通信的各種技術(shù)和概念背后，針對理想頻段的研究正引發(fā)關(guān)注，研究者稱之為“6G的適宜頻譜”（Goldilocks Spectrum for 6G）——即7.125 GHz至24.25 GHz的FR3頻段。

對FR3頻段的研究表明，該頻譜保持合理的傳播特性，提供適中的傳播損耗，可利用現(xiàn)有無線基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)廣泛的城市和郊區(qū)覆蓋。其窄角度覆蓋為精準感知和物體檢測帶來優(yōu)勢。即便研發(fā)工作正努力滿足新興的6G標準，FR3信道建模與仿真在開發(fā)6G原型機中仍然非常重要。

根據(jù)無線通信標準組織3GPP，Release 19中的兩項研究為ISAC信道建模與FR3信道建模建立了直接關(guān)聯(lián)，為后續(xù)技術(shù)研究和規(guī)范制定工作奠定了必要基礎(chǔ)。6G FR3系統(tǒng)和設(shè)備的模擬、仿真與測試是開啟未來時代的關(guān)鍵一步。在該時代，沉浸式通信將實現(xiàn)數(shù)字、人類和現(xiàn)實世界的全方位融合。

如圖4所示，全球研究人員正在探索眾多其他6G技術(shù)驅(qū)動因素，目標是在2030年前將具體6G應(yīng)用場景推向市場。盡管質(zhì)疑者認為全息通信等能力僅存在于電影特效中，但回想2010年首次通過Facetime實現(xiàn)的視頻通話——短短15年內(nèi)，無線通信技術(shù)已跨越時空限制，使視頻通話變得無處不在且價格實惠。

圖4：6G背后的技術(shù)驅(qū)動力

6G的研發(fā)不僅是技術(shù)突破，更是為未來互聯(lián)世界構(gòu)建智能、響應(yīng)迅速且負責任的基礎(chǔ)的契機。