【3GPP 6G】3GPP 6G 场景与需求研究报告 (TR 38.914) 深度解析

一、 报告背景与核心愿景2023年6月ITU-R WP5D 制定完成了 ITU-R M.2160 建议书中的“6G 框架”相比 IMT-2020该框架提出了全新及扩展的使用场景与网络能力。为了响应 ITU-R 对 IMT-2030 无线接口技术最低技术性能要求TPR的征集3GPP 启动了关于 6G 场景与需求的研究项目并形成了 TR 38.914 技术报告。该报告不仅将作为 3GPP RAN 工作组技术研究的指南还将作为提交给 ITU-R 的官方建议基线。5G 极大地改变了社会的连接方式但也暴露出系统复杂性较高、迁移选项过多等教训。因此6G 的愿景是在 2030 年代及未来以安全、有韧性、环境与经济可持续的方式为社会带来价值。除了提供多样化和新颖的 6G 服务外降低资本支出与运营成本CAPEX/OPEX、提升 3GPP 系统整体性能、并确保从 5G 的平滑演进与互操作是 6G 研发的核心考量。关键技术原则为了实现上述愿景3GPP 确立了多项 6G 无线电6GR的关键技术原则系统极简设计确保适当的功能集尽量避免对同一功能采用多种选项减少过度的配置、过度的终端UE能力以及 UE 能力报告实现更高效的小区和终端管理。极致的能效与覆盖在网络和设备双端实现节能减排提高频谱效率并增强整体覆盖范围特别是聚焦小区边缘性能和上行链路UL覆盖。频谱的扩展与复用在 2 GHz 以上尤其是 7 GHz 左右频段支持至少 200 MHz 的更宽信道带宽。同时6G 部署旨在 7 GHz 左右频段复用现有的 5G 中频段约 3.5 GHz站点网格并实现与 5G 中频段相当的覆盖水平。天地一体化融合旨在为地面网络TN和非地面网络NTN及其集成提供统一且和谐的 6G 无线电设计。设备类型的可扩展性采用可扩展且具备前向兼容性的设计以适应未来海量且多样的设备类型。二、 13 大典型部署场景 (Deployment Scenarios)报告详尽定义了 13 种典型且实用的 6G 部署场景用于全面评估 6G RAN 的性能与特性。这些场景涵盖了从载波频率、站间距ISD、用户密度到最高移动速度的各维度参数。1. 室内热点 (Indoor Hotspot)该场景侧重于建筑物内的小范围覆盖、极高的用户密度及一致的室内用户体验。频段与带宽频段跨越 2 GHz、4 GHz、7 GHz、15 GHz 直至 30 GHz系统聚合带宽在 30 GHz 频段下最高可达 1 GHzDLUL。天线与布局采用 120m x 50m 的单层开放办公环境布局站间距为 20 米。基站BS端在 30 GHz 频段下最高可支持 4096 个收发天线阵子。UE 侧最高支持 8 个收发天线阵子FWA 可达 16 个仅接收天线。用户与移动性每 TRxP 设定 10 个全缓冲业务用户100% 为室内用户移动速度为 3 km/h。表 1室内热点场景核心属性属性 (Attributes)核心设定值或假设载波频率约 2 GHz / 4 GHz / 7 GHz / 15 GHz / 30 GHz聚合系统带宽从约 2 GHz 的最高 200 MHz到约 30 GHz 的最高 1 GHz (DLUL)布局与站间距 (ISD)单层室内楼层开放式办公120 m x 50 m站间距 20 米基站 (BS) 天线阵子约 7 GHz最高 2304 个约 30 GHz最高 4096 个终端 (UE) 天线阵子最高 4 或 8 个收发天线FWA (固定无线接入) 最高 16 个接收天线用户分布与速度每 TRxP 10 个用户100% 室内移动速度 3 km/h2. 密集城区 (Dense Urban)聚焦市中心及人口密集区的高流量负载支持室外到室内覆盖为干扰受限场景。频段与布局采用宏基站Macro与微基站Micro的单层或双层宏微协同六边形网格布局。宏基站站间距为 200 米每个宏站下挂 3 个纯室外的微站。移动性分布提供多种评估选项如 80% 室内3 km/h与 20% 室外30 km/h混合或进一步细分为室外静止与室外移动的混合模型。3. 乡村 (Rural)致力于为静止、游牧设备及高速交通工具提供广域连续覆盖。布局与频段宏站布局采用极大的站间距ISD 为 1732 米或高达 5000 米。载波频率多采用 700 MHz、2 GHz、4 GHz 及 7 GHz 的单频或双频聚合。用户速度支持极高的移动性例如 50% 室内3 km/h与 50% 室外高达 120 km/h的混合场景。4. 城区宏站与郊区宏站 (Urban Macro Sub-Urban Macro)城区宏站提供连续无处不在的覆盖站间距为 500 米支持宏微协同。微站数量增至每个宏站下挂 3 到 6 个。郊区宏站侧重于较大的小区覆盖、节能及定位性能支持步行与中速车辆站间距为 1299 米或 1732 米。室外车辆移动速度评估基准为 40 km/h。5. 高铁 (High Speed Train)针对极高移动性下的轨道交通通信保障乘客体验与关键列车通信的可靠性。布局架构沿铁路线采用专用的线性部署RRH 站点距轨道 100 米通常 8 个 RRH 通过光纤连接到一个 BBU 并共享相同的物理小区 ID 以形成超大宏小区。站间距在 4/7 GHz 下为 500 米或 1732 米。仅宏基站部署-约4 GHz或7 GHz沿铁路线进行专用线性部署如图1所示。-射频拉远头站点至铁路轨道距离100米宏基站中继节点部署-约4 GHz或7 GHz沿铁路线进行如下专用线性部署射频拉远头站点至铁路轨道距离100米-约30 GHz沿铁路线进行如下专用线性部署射频拉远头站点至铁路轨道距离5米极致速度100% 的用户位于列车内系统必须支持高达 500 km/h 的超高移动速度。6. 低密度区域极远距离覆盖 (Extreme long-distance coverage)为荒野、水域、偏远村庄或岛屿等低用户密度区域提供基础数据与语音服务。覆盖半径孤立的宏小区小区覆盖半径通过链路级仿真评估可达 100 公里在某些特殊场景下甚至需要支持 150 到 300 公里的极端范围。7. 海量连接的城区覆盖 (Urban coverage for massive connection)专门针对大规模机器类通信mMTC提供极高的连接密度。配置主要在 700 MHz 和 2 GHz 频段运行评估 80% 室内与 20% 室外车辆最高 100 km/h环境下的小包非全缓冲流量性能。8. 地空通信 (Air-to-Ground)旨在为商业航班提供服务不包括机载基站。极端高度与速度采用向上指向的宏小区工作在 4/7 GHz服务于飞行高度高达 15 公里、巡航速度高达 1500 km/h 的飞机覆盖范围达 100 公里。9. 非地面网络 (Non-Terrestrial Network, NTN)利用卫星等平台解决地面网络无法永久或临时如灾难期间覆盖的区域提升 6G 网络整体的韧性。轨道高度支持从超低地球轨道VLEO300-600 km到地球同步轨道GSO约 35786 km的各类轨道配置。载荷架构与波束同时支持“透明载荷”RAN 位于地面馈电网关与“再生载荷”RAN 部署于卫星星载。卫星天线阵列最高可达 2000 个无线电元件且可支持上千个波束。表 2非地面网络部署场景核心属性属性 (Attributes)核心设定值或假设载波频率约 1.5 GHz / 2 GHz / 11/14 GHz / 20/30 GHz聚合系统带宽最高 MHz (1.5/2 GHz) 至最高 MHz (20/30 GHz) (DLUL)轨道类型从 VLEO (300-600 km) 到 GSO (约 35786 km) 的任意轨道网络架构透明载荷 (Transparent): RAN 位于地面网关再生载荷 (Regenerative): RAN 位于星载节点卫星天线特性最高 个无线电阵子的高级天线阵列10. 城市网格与高速公路 (Urban grid Highway)城市网格模拟复杂的城市交叉路口街区大小约 433m x 250m车辆密集且存在随机转向概率行人与车辆速度分布差异极大3 km/h 至 120 km/h。高速公路重点评估高移动性车辆平均速度 100-200 km/h与频繁切换操作下的系统可靠性与可用性。11. 室内工厂 (Indoor Factory, InF)针对不同规模、杂物密度稀疏 Sparse/密集 Dense及基站高度低 L/高 H的工厂大厅细分为 InF-SL、InF-DL、InF-SH、InF-DH 和 InF-HH 五类子场景。用例目标支持高可靠低延迟通信HRLLC、高精度定位与感知。移动模型包含静止机器0 km/h、室内行人3 km/h以及自动导引车AGV30 km/h等多种终端形态。三、 突破性的关键性能指标 (KPIs)为了满足未来十年的通信需求报告为 6G 定义了极具挑战性的性能指标体系1. 吞吐量与频谱效率峰值数据速率与频谱效率下行DL峰值数据速率待定但峰值频谱效率要求达到 60 bit/s/Hz上行UL峰值数据速率待定峰值频谱效率要求达到 30 bit/s/Hz。5% 边缘用户体验在“密集城区”场景下要求 DL 5% 边缘用户数据速率达到 300 Mbit/sUL 达到 50 Mbit/s。在“室内热点”场景下DL 5% 边缘用户频谱效率需达 0.9 bit/s/HzUL 为 0.63 bit/s/Hz。平均频谱效率在“室内热点”场景下系统下行平均频谱效率需达到 27 bit/s/Hz/TRxP上行为 20.25 bit/s/Hz/TRxP。区域流量容量在“室内热点”场景下要求下行网络区域流量容量达到 40 Mbit/s/m²。表 35% 边缘用户数据速率部署场景下行 5% 边缘用户速率 (Mbit/s)上行 5% 边缘用户速率 (Mbit/s)密集城区 (Dense Urban)30050表 45% 边缘用户频谱效率部署场景下行 (bit/s/Hz)上行 (bit/s/Hz)室内热点 (Indoor Hotspot)0.90.63密集城区 (Dense Urban)0.6750.45乡村 (Rural)0.360.135表 5系统平均频谱效率部署场景下行 (bit/s/Hz/TRxP)上行 (bit/s/Hz/TRxP)室内热点 (Indoor Hotspot)2720.25密集城区 (Dense Urban)23.416.2乡村 (Rural)9.94.82. 极致的低延迟与高可靠性用户面延迟针对沉浸式通信IC单向用户面延迟需降至 4 ms而对于高可靠低延迟通信HRLLC则需达到惊人的 1 ms。控制面延迟从最节能的待机状态过渡到连续数据传输活动状态的时间不得超过 20 ms。可靠性在“室内工厂”覆盖边缘的信道质量下假设传输包含 20 字节应用数据及协议开销的 32 字节 L2 PDU要求在 1 ms 内传输成功的概率达到 1 - 10^-5即 99.999%。3. 连接、移动性与新型能力连接密度针对海量连接场景要求每平方公里能够支持 10^6一百万个设备的并发连接。移动性支持与中断时间移动性类别被细分为静止0 km/h、步行0-10 km/h、车载10-120 km/h、高速车载120-500 km/h以及飞机级别500-1000/1200 km/h。至少在单一基站的不同 TRxP 之间切换时系统必须实现 0 ms 的移动性中断时间以保障无缝的应用程序体验。系统带宽为实现上述高容量6G 的最大聚合系统带宽要求至少达到 400 MHz。定位精度定义了水平和垂直双向的定位精度指标均基于 90% 的置信度评估适用于室内工厂及城区宏站等场景。4. 6G 独有复合指标网络综合性能 (Composite requirement)这是 6G 引入的一个全新复合衡量标准要求网络同时满足特定的数据速率、延迟、数据包成功率以及单位 TRxP 下的用户数量要求。例如在“密集城区”场景下系统必须支持至少 6 个并发用户/TRxP且保证其中 90% 的用户能同时达成下行 30 Mbps、上行 10 Mbps 数据速率下行 10 ms、上行 30 ms 延迟以及高达 99% 的数据包传输成功率。表 6综合性能要求部署场景数据速率 (Mbit/s)延迟 (ms)数据包成功率用户数量 (/TRxP)密集城区DL 30 / UL 10DL10 / UL30 (或总计40)99%65. 原生通信感知一体化 (Sensing-related requirements)6G 创新性地引入了原生环境感知能力。系统将被要求能够检测并追踪未接入网络的“无源目标”如无人机 UAV、行人、车辆和 AGV。关键性能评估维度包括检测概率在目标存在时正确探测的概率例如“城区宏站”目标为 95%。虚警概率无目标时发生误报的概率目标为 5%。定位与速度精度基于 90% 的累积分布函数CDF置信度点要求绝对水平定位误差在 5 米或 10 米以内并对垂直定位及速度精度提出了严苛要求。表 7感知相关要求感知性能指标室内工厂 (Indoor Factory)城区宏站 (Urban Macro)检测概率 (Detection Probability)待定[95%]虚警概率 (False Alarm Probability)待定[5%]水平定位精度 (Horizontal Accuracy)待定[5m 或 10m]6. 覆盖增强与能效 (Coverage Energy efficiency)覆盖 (内部 KPI)在将 6G 部署于约 7 GHz 频段时目标是能完全复用现有的 5G 中频段约 3.5 GHz站点网格并确保初始接入阶段与 5G 具有完全相同的覆盖范围在数据信道上达到与 5G 相当的覆盖性能。能效被视为可持续发展的重要基石。6GR 必须具备在多种负载水平如空载 0%以及 0-15%、15-30%、30-50% 负载下保持极低相对能耗的能力。四、 架构要求与网络演进策略6G RAN 的设计不仅在射频指标上实现了飞跃其系统架构的灵活性与演进路线也设定了极高的标准1. 独立组网与互操作性独立架构6G RAN 必须支持独立组网Standalone RAN架构摆脱对旧有网络锚点的依赖。频谱共享与移动性系统须支持 6GR 与 5G NR 之间的“多无线电接入技术频谱共享MRSS”并全面支持两种技术之间的系统间移动性包括空闲态和连接态。2. 多重拓扑与接口开放灵活聚合支持通过多个共址或非共址的传输接收点TRP建立连接并允许在上行和下行链路上进行跨 TRP 的频谱聚合载波聚合。开放解耦3GPP 定义的 6G RAN 接口必须面向多供应商互操作性全面开放。架构明确允许控制面CP和用户面UP的分离并原生支持网络切片以及多运营商之间的 RAN 共享。3. 数据驱动与用户隐私安全AI与感知数据的融合6G RAN 架构被设计为能够高效且在运营商控制下收集和传输标准化的测量数据例如 AI/ML 数据和无线电感知数据以满足日益增长的智能应用需求。严格的隐私保护架构从底层协议设计上就将用户隐私与匿名性作为核心。所有的网络数据收集、传输和操作都必须支持隐私保护机制网络必须能够基于“用户同意User consent”的机制来启动或停止敏感数据的收集。4. 共存与向后兼容6GR 必须支持与现有的低功耗广域物联网技术如 NB-IoT 的所有部署模式以及 eMTC通过半静态配置方式在相同频谱内共存。五、 频谱利用与网络运营要求在网络运营与频谱管理方面6G 系统力求实现空前的灵活性广泛的频段支持针对地面网络TN6GR 将广泛支持从 [410 MHz] 一直到 52.6 GHz 的指定频率范围包括完全兼容现有的 5G NR 运行频段。频段碎片的灵活利用6G 将支持更好的频谱分配可扩展性能够灵活应对和整合那些碎片化、不规则的频谱资源并允许具备不同带宽能力的终端在同一基站和同一频谱块内高效共存。自组织网络 (Self Organization)系统需支持包括自动邻区关系配置ANR和最小化路测MDT数据收集在内的自动化网络配置和优化能力实现网络节点的零人工干预部署。业务感知 (Service awareness)6G RAN 必须具备深度理解应用层流量需求的能力能够自适应调整策略在满足应用性能的同时最大化系统级的无线电资源和能源效率。六、 对全新与现有服务的全面支持在 TR 38.914 报告中6G 系统不仅延续并极大地增强了 5G 的传统服务还从底层协议上为未来十年的新兴垂直行业铺平了道路1. 宽带与沉浸式体验增强型移动宽带 (eMBB)持续提供更高性能的基础宽带数据服务。沉浸式通信 (Immersive Communication)为 XR扩展现实、全息通信等业务提供定制化支持这些业务将严格遵循前文所述的包含极低延迟和超高可靠性的“复合网络指标”。2. 海量通信与万物互联 (Massive IoT)可扩展的底层设计6GR 的基础协议框架应具有高度的可扩展性在优先满足 eMBB 需求的同时天然包容海量物联网场景。性能底线提升即使是针对配置极简的最底层物联网设备例如协议已达成共识仅配备单根接收/发送天线的终端其物理层PHY的最低峰值数据速率也必须达到下行 10 Mbps 及上行 10 Mbps远超目前 NB-IoT 的能力。3. AI、感知与无人机通信人工智能支持6G 将不再仅仅是数据的传输管道6G RAN 架构必须原生支持针对 AI 应用与服务的高效传输机制。全域感知作为前所未有的新特性系统将直接提供对无源目标的雷达级检测与追踪功能。无人机 (UAV)专门为无人机提供三维立体的广域覆盖、高容量连接以及特殊的移动性支持兼容商用专网与公众网络的无人机接入。4. 关键任务与行业级通信车联网 (Vehicular services / V2X)除了通过 Uu基站到终端接口为车辆提供高级服务外6G 将直接、完整地复用 5G NR 强大的直连通信Sidelink技术来保障车与车V2V之间的即时通信。关键任务通信 (Mission Critical)针对公共安全领域的 MCPTT关键任务一键通、MCVideo 和 MCData系统同样将直接复用 5G 中已成熟的广播、多播及直连链路技术确保极高的系统生命周期延续性与可靠性。合规与固定无线接入全面支持各种监管服务需求如 PWS 灾害预警系统、合规定位服务、车联网 eCall 紧急呼叫及灾难漫游等并继续强力支持固定无线接入FWA以替代传统的光纤宽带。语音服务Voice的支持也将与 3GPP SA2 核心网工作组的决策保持高度一致。总结而言3GPP TR 38.914 V0.3.0 报告勾勒出了一幅宏大的 6G 蓝图。未来的 6G 接入网不仅是一次单纯的射频速率升级而是朝着集成了天地一体化通信、厘米级感知、原生 AI 支撑、以及极致节能减排特性的综合性智能基础设施迈出的一大步。