从愿景到设计目标：IMT-2030技术性能需求

《IEEE Communications Magazine》：From Vision to Design Targets: Technical Performance Requirements for IMT-2030

　　

摘要：2023年，国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）建立了IMT-2030框架，将六类使用场景和十五项能力定义为第六代（6G）移动系统的全球愿景。在IMT-2020及其三类使用场景的基础上，IMT-2030将增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信（URLLC）和海量机器类通信（mMTC）分别演进为沉浸式通信（IC）、超高可靠低时延通信（HRLLC）和海量通信（MC）。此外，IMT-2030还引入了三类新的使用场景：泛在连接（UC）、人工智能与通信（AIAC）以及通信与感知一体化（ISAC）。

该文发表于《IEEE Communications Magazine》，核心任务是阐释IMT-2030最小技术性能需求（Technical Performance Requirements，TPR）的形成逻辑、指标体系及其对6G标准设计目标的牵引作用。研究背景在于，ITU-R已经在2023年提出IMT-2030总体愿景，明确了6G系统面向未来的六大使用场景与十五项能力，但愿景本身仍停留在高层概念层面，尚不能直接支撑无线接口技术（Radio Interface Technology，RIT）或RIT集合（Set of RITs，SRIT）的研发、评价与标准遴选。因此，要将6G从概念愿景推进到标准制定与技术实现阶段，就必须建立一套可量化、可比较、可验证的性能指标体系，作为候选无线接口技术设计、评估和收敛的共同依据。正是在这一背景下，ITU-R第5D工作组（WP 5D）形成了“与IMT-2030无线接口相关的最小技术性能需求”报告，用以规定候选IMT-2030系统必须满足的关键性能指标（KPI）和基本能力边界。论文的意义在于，它并非讨论某一项单独的6G关键技术，而是从标准化顶层设计角度，界定未来6G系统能力包络，为后续标准提交、技术评估和产业协同提供统一坐标系。

从问题导向看，现有IMT-2020框架虽然已经为5G建立了增强型移动宽带、超高可靠低时延通信和海量机器类通信三大场景，但面对6G时代更复杂的沉浸式业务、通信感知融合、人工智能原生网络和广域无缝覆盖需求，原有性能指标体系已难以充分表征新系统能力。传统单一通信性能指标主要聚焦速率、时延、可靠性和连接密度，尚不足以刻画多指标耦合的沉浸式体验，也未覆盖感知能力、定位能力、AI支撑能力、网络韧性与扩展连接能力等新维度。因此，IMT-2030必须在继承IMT-2020已有评估框架的同时，扩展性能指标外延、强化性能目标上限，并引入适配新场景的新型需求项。该研究正是围绕这一问题展开，目的是把6G愿景转换为具有标准约束力的设计目标，并通过统一测试环境和评估方法提高不同候选方案之间的可比性。

在研究内容上，研究人员系统概述了IMT-2030 TPR的结构组成，包括使用场景、测试环境、评估方法、增强型技术性能需求以及新增技术性能需求。文章指出，IMT-2030在使用场景层面共包含六类，即沉浸式通信（IC）、超高可靠低时延通信（HRLLC）、海量通信（MC）、泛在连接（UC）、人工智能与通信（AIAC）和通信与感知一体化（ISAC）。为支撑TPR评估，ITU-R定义了仿真、解析评估和审查三类高层评估方法；其中仿真包括系统级和链路级仿真，解析评估依赖计算与数学分析，审查则聚焦RIT/SRIT功能与参数配置检查。对于基于仿真的评估，以及部分依赖仿真结果的解析评估，报告进一步设定了测试环境（Test Environments，TE），将地理环境与使用场景相组合，以构造具有代表性的参考条件。文中明确列出了七类测试环境：Indoor Hotspot-IC、Dense Urban-IC、Rural-IC、Urban Macro-MC、Indoor Factory-HRLLC、Urban Macro-ISAC和Indoor Factory-ISAC。这种设计的意义在于，无需穷尽所有实际部署条件，也能在典型环境中考察候选技术是否满足最低性能门槛。

用于开展该研究的主要技术方法可概括为三类。其一，采用标准化需求建模方法，将IMT-2030六类使用场景映射为可检验的技术性能需求项；其二，采用仿真、解析评估与审查相结合的评估框架，对无线接口候选方案进行多维性能判定；其三，通过测试环境（TE）构建，将Dense Urban、Urban Macro、Rural、Indoor Hotspot、Indoor Factory等地理环境与具体业务场景耦合，形成七类参考评估场景。该文属于标准需求与评价框架综述，不涉及生物样本、患者队列或实验室培养体系。

在“Evaluation Methods and Test Environments”部分，论文首先说明了IMT-2030技术性能需求并不是抽象列举指标，而是与明确的评估路径绑定。研究人员指出，评估合规性的三种方法分别是仿真、解析评估和审查，这三种方法构成了从数值验证到功能符合性的完整评价体系。进一步地，测试环境被定义为地理环境与使用场景的组合，用以为性能测量提供共同参照框架。研究人员由此得出结论：通过有限而具有代表性的测试环境，可以在现实可行的工作量内实现对候选6G无线接口方案的关键性能检验，并对不同环境下的目标值进行区分设定，使评价结果更贴近实际部署需求。

在“Enhanced Technical Performance Requirements”部分，论文概括了IMT-2030对IMT-2020既有十四项TPR条目的继承与增强。研究人员指出，这些增强型需求主要作用于IC、HRLLC和MC三类场景，其本质是在原有通信指标框架基础上抬升性能目标并扩大适用条件。文章强调，IMT-2030并未放弃传统通信能力指标，而是将其作为下一代系统基线能力的重要组成部分。

在“Requirements Relevant to Immersive Communication”部分，论文围绕沉浸式通信场景展开了多项核心指标说明。首先，在“Peak Spectral Efficiency and Theoretical Peak Data Rate”小标题下，研究人员通过定义峰值频谱效率和理论峰值速率，说明单用户在理想条件下的无线接口极限传输能力。文中给出IC场景下的最低要求：在600 MHz聚合带宽条件下，下行理论峰值速率至少为36 Gbit/s，上行至少为18 Gbit/s。由此可见，IMT-2030对沉浸式业务的数据吞吐能力提出了显著高于既有系统的目标。

其次，在“5th Percentile User Spectral Efficiency and 5th Percentile User Data Rate”小标题下，研究人员说明了5%分位用户频谱效率与5%分位用户速率主要刻画吞吐分布尾部用户体验，通常对应小区边缘等不利条件。Dense Urban-IC测试环境中的最低要求为下行至少300 Mbit/s、上行至少50 Mbit/s。该结果表明，IMT-2030不仅关注峰值能力，也强调弱势用户条件下的服务保障。

再次，在“Average Spectral Efficiency and Area Traffic Capacity”部分，研究人员通过平均频谱效率与区域业务容量两个指标描述系统在多用户和网络部署密度约束下的总体吞吐能力。Indoor Hotspot-IC测试环境中区域业务容量最低要求为40 Mbit/s/m²。这一要求反映出6G在高密度热点场景下需要支撑极高空间吞吐效率。

在“Mobility and Mobility Interruption Time”部分，研究人员指出，系统应支持最高500 km/h用户移动速度下维持服务连续性，并尽量降低移动过程中的中断时间。在同一基站不同TRxP之间切换时，移动中断时间要求为0 ms。该结论体现出IMT-2030对无缝移动性的严格要求，特别适用于高速场景下的连续业务保持。

在“Energy Efficiency for Sustainability”部分，论文将可持续性纳入TPR框架，要求RIT/SRIT具备在至少空载情形（L=0%）和一个低负载情形（0%
在“Requirements Relevant to HRLLC and Massive Communication”部分，论文总结了HRLLC和MC相关指标。在“User Plane Latency and Control Plane Latency”小标题下，研究人员指出用户面时延描述应用层分组在无线接口上的单向传递时延，最低要求为HRLLC场景1 ms、IC场景4 ms；控制面时延描述从最节能状态切换至连续数据传输开始的时间，HRLLC和IC场景均要求20 ms。该部分说明IMT-2030对实时业务的系统响应能力提出了严格门槛。

在“Reliability”部分，研究人员将可靠性定义为给定信道质量下，在最大时延约束内成功传送给定分组的概率。Indoor Factory-HRLLC测试环境中的最低要求为：在1 ms内传输32字节第2层协议数据单元（Layer 2 protocol data unit）时，成功概率达到1?10^?5对应的可靠性目标。该指标表明，工业等关键任务场景仍是6G超可靠设计的重要驱动力。

在“Connection Density”部分，论文指出海量通信场景下连接密度最低要求为10⁶ devices/km²，体现系统对超大规模设备接入的支撑能力。在“Bandwidth”部分，研究人员进一步指出IMT-2030评估所要求的最大聚合系统带宽至少为400 MHz，这为高吞吐与多业务承载能力奠定频谱资源基础。

在“New Technical Performance Requirements”部分，论文强调IMT-2030在继承IMT-2020基础上新增了六项TPR条目，覆盖IC复合需求、ISAC、AIAC和UC相关能力，从而使性能框架突破单一通信KPI范畴，进入通信、感知、AI与泛在连接协同表征的新阶段。

在“Composite Requirement”部分，研究人员提出复合需求用于刻画多项关键性能指标的同时满足能力，而非彼此孤立评估。该指标定义为：在给定速率、时延和分组成功概率条件下，每个TRxP可支持的用户数，且至少90%用户满足规定门槛。在Dense Urban-IC测试环境中，最低要求为每TRxP支持6个用户，同时满足下行30 Mbit/s、上行10 Mbit/s、下行时延10 ms、上行时延30 ms以及99%分组成功概率。该结果说明，沉浸式业务评价已从单指标最优转向多目标协同满足。

在“Requirements Relevant to Integrated Sensing and Communication”部分，论文给出了ISAC新增能力需求。首先，在“Sensing-Related Requirements”小标题下，研究人员用检测概率、虚警概率、水平定位精度、垂直定位精度和速度精度来定义对未连接感知目标的无线感知能力。Urban Macro-ISAC环境下，最低要求包括95%检测概率、5%虚警概率、5 m水平定位精度、8 m垂直定位精度和4 m/s速度精度；Indoor Factory-ISAC环境下，对应要求为95%检测概率、5%虚警概率、2 m水平定位精度和2 m/s速度精度。由此可见，IMT-2030已将无线感知正式纳入标准化性能目标体系。其次，在“Positioning Accuracy”小标题下，论文指出连接设备定位误差的90%分位水平定位精度最低要求为Urban Macro-ISAC中的6 m，以及Indoor Factory-ISAC中的0.75 m，体现出不同部署场景下定位能力要求的层次化。

在“Requirements Relevant to Artificial Intelligence and Communication”部分，研究人员指出AI相关需求主要衡量IMT-2030系统对AI使能应用的支撑能力，以及利用AI增强网络运行的能力。文中要求RIT/SRIT支持一种或多种AI操作相关机制、信令和功能，如数据采集、分布式处理、分布式学习、AI模型训练、AI计算、AI模型推理等。该部分的结论是，AI在IMT-2030中不再只是外部应用，而被纳入无线系统能力设计与评估范围。

在“Requirements Relevant to Ubiquitous Connectivity”部分，论文聚焦泛在连接场景中的韧性与扩展连接能力。研究人员指出，韧性是系统在断电或基础设施中断等扰动期间及之后维持正确运行的能力，扩展连接则关注在地面基础设施缺乏和未覆盖区域提供通信服务。文章要求方案提交者报告支持这些能力的机制，例如高空平台、中继器或转发器、共享网络架构，以及部署在车辆、飞艇或船舶上的移动基站。该部分说明6G标准目标已超越传统蜂窝地面覆盖模式，开始面向更广泛的空间和应急通信需求。

在“Additional Requirements”部分，论文还提出链路距离（Link Distance）要求，用于反映小区覆盖范围与可支持数据速率之间的关系，并要求方案提交者通过链路预算分析给出可满足特定速率的数据链路距离。这一要求补充了速率与覆盖联合设计的考量维度。

在“Summary and Way Forward”部分，研究人员总结认为，IMT-2030 TPR通过对数据速率、频谱效率、移动性、时延、可靠性、连接密度、能效、带宽等通信指标，以及复合需求、感知、定位、AI和泛在连接等新增能力的明确规定，建立了6G标准设计的共同目标集合。论文同时概述了IMT-2030标准化时间表：2024—2026年定义需求与评估准则，2027—2029年由3GPP等标准组织开发并提交IMT-2030（6G）标准，2028—2029年开展RIT/SRIT评估，2030年由ITU-R发布IMT-2030规范。研究人员据此指出，TPR在整个IMT-2030过程中起到了承前启后的作用，是从愿景走向实现的关键制度化环节。

综合讨论部分可见，本文的价值不在于提出某一种具体空口算法或网络架构，而在于构建了未来6G候选技术必须共同面对的性能基准。通过将通信、感知、AI和泛在连接统一纳入一个性能需求框架，IMT-2030 TPR为后续关键技术选择、系统设计权衡和标准化协同提供了统一技术参照。与IMT-2020相比，IMT-2030既抬升了传统通信能力目标，又引入了反映6G新功能角色的新指标维度，使6G标准化从“更强通信系统”扩展为“多功能融合信息系统”的设计范式。

研究结论部分可译为：IMT-2030技术性能需求为未来6G无线接口技术的发展建立了一组共同的设计目标。通过在通信、感知、人工智能和泛在连接等方面定义性能需求，TPR为IMT-2030后续标准化工作提供了技术参考。这些需求通过提供一致的技术基础，将IMT-2030愿景转化为具体设计目标，用以指导关键技术选择和系统设计权衡，并推动研究、技术开发与标准化朝着协调一致的IMT-2030无线接口设计方向发展。