6G與AI開啟沉浸式通信新時(shí)代

作者：是德科技6G解決方案負(fù)責(zé)人Hwee-Yng Yeo

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

有知覺能力的機(jī)器人并非一個(gè)新概念，早在1992年，它們就以《星際迷航》中的Exocomps形象進(jìn)入大眾視野。這些服務(wù)型機(jī)器人能在危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行維修，其AI隨時(shí)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(shí)——自主機(jī)器人已在礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、安保及遠(yuǎn)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(shí)世界日益融合，AI與下一代6G通信技術(shù)將在實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、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(jìn)，整合數(shù)字、人類和現(xiàn)實(shí)世界，為沉浸式通信開辟新應(yīng)用場(chǎng)景。（圖片來源：AI和6G的融合）

從5G躍升至6G，奏響通信新強(qiáng)音

目前，5G專網(wǎng)已通過混合現(xiàn)實(shí)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(xì)的3D全息圖，這些全息圖可放大、縮小、靈活移動(dòng)，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(zhǔn)地規(guī)劃手術(shù)流程，可能縮短麻醉后恢復(fù)時(shí)間，并助力患者康復(fù)。

圖2：先進(jìn)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(shí)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(xùn)練，從警察應(yīng)對(duì)武裝嫌疑人沖突，到配備5G連接的救護(hù)車讓急救人員（paramedic）能和遠(yuǎn)程臨床醫(yī)生聯(lián)系上，而后者可在救護(hù)車送醫(yī)途中指導(dǎo)急救人員進(jìn)行搶救操作。2024年，關(guān)于遠(yuǎn)程手術(shù)（telesurgery）的報(bào)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(shí)現(xiàn)連接。

盡管5G技術(shù)已能支持部分此類新型體驗(yàn)，但研究人員正推動(dòng)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(shí)延與高可靠性，支持實(shí)時(shí)觸覺反饋與擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）

6G旨在實(shí)現(xiàn)亞毫秒級(jí)時(shí)延和近乎完美的可靠性，從而支持實(shí)時(shí)觸覺反饋、遠(yuǎn)程觸覺體驗(yàn)以及逼真的擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)交互。AI可進(jìn)一步動(dòng)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(jì)算（MEC）正推動(dòng)5G時(shí)延向1毫秒目標(biāo)邁進(jìn)，但當(dāng)前5G實(shí)施的時(shí)延通常在1至10毫秒之間。觸覺物聯(lián)網(wǎng)和自主機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)者正借助6G力圖實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延，以消除5G時(shí)延導(dǎo)致的抖動(dòng)和掉幀問題，從而提升用戶體驗(yàn)。6G的超低時(shí)延將能支持以毫米級(jí)精度追蹤細(xì)微動(dòng)作，并能將此類動(dòng)作數(shù)據(jù)與觸覺系統(tǒng)共享，從而實(shí)現(xiàn)更靈敏、更精細(xì)的沉浸式體驗(yàn)（見圖3）。

未來6G網(wǎng)絡(luò)中的AI將通過預(yù)測(cè)用戶意圖、優(yōu)化信號(hào)路由及借助邊緣計(jì)算降低時(shí)延，助力實(shí)現(xiàn)反應(yīng)超靈敏的觸覺反饋。機(jī)器學(xué)習(xí)模型研究表明，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整觸覺數(shù)據(jù)的壓縮與編碼，可確保實(shí)時(shí)、高保真的觸覺感知。

圖3：恰到好處的力度，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間，恰當(dāng)?shù)奈恢茫�或許還帶著精準(zhǔn)的36.9°C的溫度。通過6G和AI驅(qū)動(dòng)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(yàn)，氣味和味道數(shù)字化成為新方向。想象一下，當(dāng)用戶在元宇宙中醒來，微風(fēng)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(dān)心攝入多余的卡路里。

實(shí)現(xiàn)多感官輸入的實(shí)時(shí)同步對(duì)沉浸式體驗(yàn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(xiàng)挑戰(zhàn)。

當(dāng)前B5G的研究正推動(dòng)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(shí)時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)流進(jìn)行壓縮、重建和個(gè)性化，從而打造感官體驗(yàn)豐富的虛擬環(huán)境。行業(yè)需要新的研究測(cè)試平臺(tái)來驗(yàn)證6G與AI的融合，以克服當(dāng)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(dòng)的有限數(shù)據(jù)速率、時(shí)延限制和能效與頻譜利用率低下，以及機(jī)器學(xué)習(xí)需要處理和學(xué)習(xí)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(bǔ)全。先進(jìn)AI技術(shù)（尤其是生成式AI和機(jī)器學(xué)習(xí)）可用于估計(jì)或合成缺失數(shù)據(jù)點(diǎn)，提升6G網(wǎng)絡(luò)中多感官數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性。

3.情境感知與智能通信

在科學(xué)與知覺交匯的未來時(shí)代，6G下的AI將實(shí)現(xiàn)情境感知、自適應(yīng)通信系統(tǒng)——支撐安卓機(jī)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(gè)并非遙不可及的場(chǎng)景中，想象一下穿上配備10萬個(gè)傳感器并集成觸覺技術(shù)的全息夾克。這種實(shí)時(shí)全息投影可以跨越時(shí)空阻隔，讓遠(yuǎn)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(yuǎn)方的家屬與臨終親人作最后的告別。

當(dāng)前，5G技術(shù)對(duì)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(dòng)態(tài)調(diào)整體驗(yàn)質(zhì)量，導(dǎo)致復(fù)雜沉浸式場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)欠佳。在全息通信等沉浸式通信場(chǎng)景中，除高帶寬和數(shù)據(jù)負(fù)載能力外，0.1毫秒的超低時(shí)延及定位精度至關(guān)重要（見表1）。當(dāng)前5G advanced的最佳定位精度為0.3米，而6G則為1厘米。實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度對(duì)空間敏感的機(jī)器人化和全息應(yīng)用（如遠(yuǎn)程手術(shù)）至關(guān)重要。

創(chuàng)建全息數(shù)字孿生需要實(shí)時(shí)映射、預(yù)測(cè)人類世界實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、超分辨率及預(yù)測(cè)建模。

AI的深度學(xué)習(xí)能力將驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)傳感數(shù)據(jù)（如點(diǎn)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(bǔ)數(shù)據(jù)空白。該層還執(zhí)行語義壓縮和聯(lián)邦學(xué)習(xí)，以高效傳輸并持續(xù)優(yōu)化全息模型，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的高精度實(shí)時(shí)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(jìn)感知通信基于反射測(cè)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(cè)量與超表面技術(shù)的集成是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)感知和沉浸式通信的關(guān)鍵。反射測(cè)量通過分析反射的電磁信號(hào)來檢測(cè)和表征環(huán)境。在6G中，它用于環(huán)境感知、物體定位和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，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(dòng)態(tài)操控電磁信號(hào)——調(diào)整相位、方向和幅度——以增強(qiáng)信號(hào)覆蓋、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位并支持NLoS感知。

與AI集成后，反射測(cè)量技術(shù)與超表面可實(shí)現(xiàn)波傳播的實(shí)時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)廣泛的城市和郊區(qū)覆蓋。其窄角度覆蓋為精準(zhǔn)感知和物體檢測(cè)帶來優(yōu)勢(shì)。即便研發(fā)工作正努力滿足新興的6G標(biāo)準(zhǔn)，FR3信道建模與仿真在開發(fā)6G原型機(jī)中仍然非常重要。

根據(jù)無線通信標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP，Release 19中的兩項(xiàng)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(cè)試是開啟未來時(shí)代的關(guān)鍵一步。在該時(shí)代，沉浸式通信將實(shí)現(xiàn)數(shù)字、人類和現(xiàn)實(shí)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(dòng)因素，目標(biāo)是在2030年前將具體6G應(yīng)用場(chǎng)景推向市場(chǎng)。盡管質(zhì)疑者認(rèn)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(shí)現(xiàn)的視頻通話——短短15年內(nèi)，無線通信技術(shù)已跨越時(shí)空限制，使視頻通話變得無處不在且價(jià)格實(shí)惠。

圖4：6G背后的技術(shù)驅(qū)動(dòng)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(fù)責(zé)任的基礎(chǔ)的契機(jī)。