導讀：全球范圍內(nèi)5G在商業(yè)化的同時，學術界和工業(yè)界已經(jīng)按計劃開展了6G研究。聚焦移動通信系統(tǒng)在覆蓋范圍、容量、用戶數(shù)據(jù)速率、移動速度等方面的挑戰(zhàn)，對6G進行了較全面的討論，提出6G愿景，并描述了6G網(wǎng)絡的使用場景和要求。提出了集成空天地海的3D智能網(wǎng)絡體系結構，以提供無處不在的無線智能連接。通過廣泛調(diào)研分析，梳理了包括空天地海一體化、人工智能、太赫茲等12項6G網(wǎng)絡潛在關鍵技術及其與使用場景、性能要求間的關系。

0 引言

隨著5G系統(tǒng)的全面部署，針對6G移動通信系統(tǒng)的研究也已經(jīng)開始。由于每十年左右就出現(xiàn)新一代移動通信系統(tǒng)，公眾期望6G系統(tǒng)在2030年之前得到商業(yè)化部署。新技術從誕生到商用通常需要十多年的時間，因此當下亟需開展6G新技術研究。5G的推動力來自消費者不斷增長的流量需求，以及垂直行業(yè)的生產(chǎn)力需求。據(jù)ITU預測，2030年的需求流量數(shù)是當前的100倍，而即將到來的應用（如全息通信、電子醫(yī)療保健、自動駕駛和高精度工業(yè)控制）對吞吐量、延遲和定位精度等要求更加嚴格，預計十年左右將達到5G網(wǎng)絡的極限。另外，最初只定義為地面移動通信系統(tǒng)的5G無法實現(xiàn)全球覆蓋，而且5G垂直行業(yè)應用具有長期性和艱巨性。這些都限制了5G最初的萬物互聯(lián)目標。因此，亟需一個顛覆性6G無線系統(tǒng)，其設計適合萬物互聯(lián)應用的性能要求及其伴隨的技術趨勢。為更好地理解和研究6G，本文討論6G的一系列關鍵問題，包括愿景和要求、應用場景、網(wǎng)絡架構、技術趨勢等。

1 愿景需求及應用場景

1.1 愿景及需求

全球業(yè)界對于6G的愿景開始趨于一致。首先，需要打通虛實世界。例如，諾基亞貝爾實驗室認為“6G將統(tǒng)一物理、數(shù)字、生物世界的體驗”，中興通訊認為“6G將整合物理和數(shù)字世界”。其次，對于泛在智能，“泛在”表明6G服務將無縫覆蓋全球用戶，“智能”體現(xiàn)AI互聯(lián)網(wǎng)［1］。最后，滿足人類解放自我的需求。基于6G愿景和5G的發(fā)展，6G將得到進一步升級和擴展，以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率（5G的10 ~ 100 倍）和頻譜效率、更大的系統(tǒng)容量、更低的時延、更廣且更深的網(wǎng)絡覆蓋，進而支持于更快的移動速度、服務于更全的萬物互聯(lián)，并全面支撐泛在智能移動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.2 應用場景及性能

有了上述6G愿景及需求，6G應用場景將比5G更為廣泛，對傳統(tǒng)的eMBB、mMTC、uRLLC場景進行融合，將涵蓋如下場景：極高吞吐和極低延遲需求的全息通信及擴展現(xiàn)實（Extended Reality，XR）體驗；超高實時性及可靠性需求的人體數(shù)字孿生；超高移動性及全覆蓋需求的空中高速上網(wǎng)；智能超連通性、內(nèi)生智慧及安全需求的新型智慧城市；基于AI自主運行需求的聯(lián)網(wǎng)無人駕駛；超高帶寬、超低時延和超可靠等需求的高精度智能工業(yè)；全覆蓋需求的全域應急通信搶險。為達到6G的愿景需求和應用場景需求，相較于5G性能指標，預計6G的數(shù)據(jù)速率、連接密度、能效將提高10倍；移動性和頻譜效率將提高約3倍；時延有望降低到1 ms以下。此外，6G可以將覆蓋率從目前的70%提高到99%，可靠性從目前的99.9%提高到99.999%，定位誤差從當前的“米級”降低到“厘米級”等。

圖1 6G網(wǎng)絡的核心能力

2 網(wǎng)絡架構

基于6G愿景、需求、應用場景及性能，預計6G網(wǎng)絡將在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)社會無縫的無線連接，融合通信、計算、導航、感測，并具有智能自主運營維護的空天地海一體化3D及AI網(wǎng)絡，可提供超高容量、近乎即時、可靠且無限的智能超連通性［14］。

2.1 空天地海一體化網(wǎng)絡當前地面網(wǎng)絡無法擴大通信范圍的廣度和深度，同時在全球范圍內(nèi)提供連接的成本非常高昂，為了支持系統(tǒng)全覆蓋和用戶高速移動，6G將優(yōu)化空天地海網(wǎng)絡基礎設施，集成地面和非地面網(wǎng)絡以提供完整的無限覆蓋范圍的空天地海一體化網(wǎng)絡。

圖2 6G空天地海一體化網(wǎng)絡

基于衛(wèi)星通信的空間網(wǎng)絡通過密集部署軌道衛(wèi)星為無服務和未被地面網(wǎng)絡覆蓋的地區(qū)提供無線覆蓋。空中網(wǎng)絡低空平臺可以更快地部署，更靈活地重新配置以最適合通信環(huán)境，并在短距離通信中表現(xiàn)出更好的性能。空中網(wǎng)絡高空平臺可以作為長距離通信中的中繼節(jié)點，以促進地面和非地面網(wǎng)絡的融合。地面網(wǎng)絡將支持太赫茲頻段，其極小網(wǎng)絡覆蓋范圍將達到系統(tǒng)容量提高的極限，“去蜂窩”和以用戶為中心的超密集網(wǎng)絡的網(wǎng)絡架構［13］將應運而生。水下網(wǎng)絡將為軍事或商業(yè)應用的廣海和深海活動提供覆蓋和互聯(lián)網(wǎng)服務，但關于水下網(wǎng)絡是否能夠成為未來6G網(wǎng)絡的一部分，存在爭議。

2.2 趨向智能化網(wǎng)絡為了實現(xiàn)6G智慧內(nèi)生網(wǎng)絡的愿景［5］，6G架構的設計應全面考慮人工智能（AI）在網(wǎng)絡中的可能性，使其成為6G的內(nèi)在特征。近年來，AI及機器學習（ML）受到了業(yè)界廣泛關注，初始智能已應用于5G蜂窩網(wǎng)絡的許多方面，包括物理層應用（如信道編碼和估計）、MAC層應用（如多路接入）、網(wǎng)絡層應用（如資源分配和糾錯）。但是，AI在5G網(wǎng)絡中的應用僅限于傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構的優(yōu)化，并且由于5G 網(wǎng)絡在架構設計之初未曾考慮AI，因此很難完全實現(xiàn)5G時代AI的潛力。

圖3 6G智能網(wǎng)絡結構

最初的智能是感知性AI的一種實現(xiàn)，無法響應意外情況。隨著服務需求的多樣化和連接設備數(shù)量的爆炸性增長，網(wǎng)絡發(fā)展成為一個極其復雜的異構系統(tǒng)，因此迫切需要一種具有自我感知、自我適應、自我推理的新型AI網(wǎng)絡。它不僅需要在整個網(wǎng)絡中嵌入智能，還需要將AI的邏輯嵌入到網(wǎng)絡結構中，這樣感知和推理以系統(tǒng)的方式進行交互，最終使所有網(wǎng)絡組件能夠自主連接和控制，并能夠識別并適應意外情況。智能網(wǎng)絡的最終期望是網(wǎng)絡的自主發(fā)展。集中式AI、分布式AI、邊緣AI、智能無線電（Intelligent Radio，IR）的聯(lián)合部署，以及智能無線傳感、通信、計算、緩存和控制的融合，為6G的智能網(wǎng)絡提供有力保障。

3 6G潛在關鍵技術

通過對來自中興通訊、中國移動、中國電科、中國信息通信研究院、東南大學、上海交大、成都電子科技大學、北京郵電大學、賽迪智庫無線電所、芬蘭奧盧大學、貝爾實驗室、美國麻省理工學院及紐約大學等國內(nèi)外機構的28篇重點文章［1-28］所涉及的潛在關鍵技術進行調(diào)查、統(tǒng)計、篩選和總結，得出關注度最高、詞頻最多的12個潛在關鍵技術，同時對各關鍵技術相應的關鍵優(yōu)點和挑戰(zhàn)進行分析、凝練和總結，詳情見表1。表1 潛在關鍵技術調(diào)查

從表1中第二列相應技術對應的文章數(shù)量可以看出，空天地海一體化、人工智能和太赫茲通信三大技術將會大概率作為6G關鍵技術。在28篇調(diào)研文章中，涉及這三大技術的文章分別有27篇、26篇和26篇，推斷這三大技術將主要推動6G發(fā)展方向。而可見光通信、動態(tài)智能頻譜共享技術、傳統(tǒng)物理層技術增強、區(qū)塊鏈和能源管理技術的關注度也很高，在6G中將起到非常關鍵中間力量的作用。軌道角動量、新型化材料、量子通信和計算、分子通信關注度相對稍低，但在后期技術挑戰(zhàn)突破和更大需求出現(xiàn)后，潛力巨大。

基于上述潛在關鍵技術，6G網(wǎng)絡能力將得到極大的提升，從而為用戶提供更加豐富的應用和業(yè)務。通過對未來的應用場景、網(wǎng)絡性能指標和潛在關鍵技術之間的關聯(lián)關系進行分析和總結，可以得到相互之間的映射關系（見圖4）。可見，為了達到太比特級的峰值速率需求，需要有太赫茲通信、可見光通信、動態(tài)智能頻譜共享技術、超大規(guī)模天線等關鍵技術的支持等。而太赫茲通信、超大規(guī)模天線、量子通信與計算、人工智能支撐著超低的時延需求等。

圖4 6G網(wǎng)絡潛在關鍵技術的考慮

3.1 新型頻譜資源技術香農(nóng)信息理論仍將是6G的重要設計基礎，它揭示了增加系統(tǒng)容量的兩種主要方法：增加系統(tǒng)帶寬和提高頻譜效率。太赫茲通信、可見光通信、頻譜共享是增加6G頻譜資源的重要技術。

（1）太赫茲通信。太赫茲頻段（0.1 THz ~ 10 THz）高且目前不受監(jiān)管，被認為是可實現(xiàn)超高速率通信的超寬頻譜帶，可減輕當前頻譜稀缺性和容量限制。太赫茲的窄波束和短脈沖極大限制竊聽可能，可實現(xiàn)安全通信和高精度定位。太赫茲波的強穿透性，使其在超高速無線通信和空間通信中具有廣闊的應用前景。但太赫茲通信在高頻硬件組件、信道建模及估計、定向組網(wǎng)等方面仍有技術難題需解決。

（2）可見光通信（Visible Light Communication，VLC）。VLC［30］在400 THz ~ 800 THz的頻率范圍內(nèi)工作，是另一種有望實現(xiàn) 6G的技術，它使用類似發(fā)光體的LED產(chǎn)生的可見光來傳輸數(shù)據(jù)。VLC利用超高帶寬來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，并且廣泛可用，兼具通信、照明、定位等功能，適合于室內(nèi)熱點等場景。但VLC也面臨調(diào)制帶寬限制、非線性補償?shù)忍魬?zhàn)。

（3）動態(tài)智能頻譜共享技術。現(xiàn)有系統(tǒng)專用頻譜分配模式使得頻譜資源被完全占用，利用率低。而動態(tài)智能頻譜共享技術使得未授權用戶可以在時間和地理維度上利用未被主用戶充分利用的頻譜，這將顯著提高頻譜效率。為了管理6G應用中的大規(guī)模連接，需要使用分布式且高效的干擾避免或緩解技術來增強系統(tǒng)性能，區(qū)塊鏈和深度學習技術是動態(tài)智能頻譜共享的有效方法。

3.2 高效無線接入技術3.2.1 傳統(tǒng)物理層技術增強（1）新型編碼調(diào)制。6G的編碼調(diào)制技術需要對其太比特速率吞吐量、超大信道帶寬、太赫茲高頻段、超高的移動性和穩(wěn)定性等復雜的通信應用場景傳輸特性進行有針對性的設計和優(yōu)化。此外，AI技術通過學習、訓練、搜索能找到適合當前系統(tǒng)傳輸環(huán)境的最佳的編碼調(diào)制方式，為新型編碼調(diào)制技術研究提供了一種不依賴傳統(tǒng)理論的解決方案。

（2）超大規(guī)模天線。6G的超大規(guī)模多天線技術通過空分復用可以實現(xiàn)超高頻譜效率，從而顯著提高能源效率并減少延遲，有助于打破小區(qū)的界限，其超高空間分辨率將支撐高精度定位和環(huán)境感知的實現(xiàn)。超大規(guī)模多天線的應用需要突破天線本身的技術，目前大規(guī)模智能反射表面在大規(guī)模天線中的應用受到更多的關注。

3.2.2 軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）OAM多路復用技術通過利用一組正交電磁波的角動量在同一頻道上多路復用多個數(shù)據(jù)流，可以實現(xiàn)更高的頻譜效率和系統(tǒng)容量。OAM具有大量可以一起復用/解復用的正交OAM模式，從而為6G網(wǎng)絡容量增強帶來新途徑。但當前OAM在無線通信中應用仍處于探索階段，有一定研究難度。

3.3 創(chuàng)新基礎性技術（1）區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈基于分布式賬本技術，非集中式的防篡改和匿名性等固有功能使區(qū)塊鏈成為各種應用的理想選擇。它保證了6G網(wǎng)絡實體整個通信過程中更強大的安全性。基于區(qū)塊鏈的分布式控制機制可以在網(wǎng)絡實體之間建立直接的通信鏈路，從而降低了管理成本。而基于區(qū)塊鏈技術的頻譜共享系統(tǒng)可以有效提高頻譜效率。因此，區(qū)塊鏈技術將是保障6G網(wǎng)絡安全和隱私最有潛力的技術。

（2）新型化材料。盡管在過去的幾十年中無線通信系統(tǒng)取得了巨大的成功，但傳統(tǒng)的半導體材料的性能似乎已達到極限，并且迫切需要具有更好的高頻和高溫特性的材料進行超高速通信。諸如氮化鎵、磷化銦、硅鍺和石墨烯的新型材料已被用于設計下一代通信設備。而且流體材料被引入頻率可重構天線的設計中，以提供更大的靈活性。超材料和超表面可以部署在無線電可控的無線環(huán)境中。軟件控制的平面超材料可以通過對環(huán)境特性的確定性控制來減少干擾。

（3）能源管理。對AI處理的一致性計算需求和物聯(lián)網(wǎng)設備的日益普及給通信設備的能源效率提出了重大挑戰(zhàn)。考慮到6G網(wǎng)絡預期的規(guī)模，有必要在設計系統(tǒng)時考慮到能源意識。一種選擇是使用能量收集電路允許設備自供電，這對于實現(xiàn)離網(wǎng)運行、持久的物聯(lián)網(wǎng)設備和傳感器、很少使用的設備和設備較長的待機間隔至關重要。另外，共生無線電技術和智能能源管理技術提供了可能的解決方案。

3.4 新型通信技術（1）量子通信與計算。6G在各種應用場景中需滿足更高的安全性要求。量子通信通過量子密鑰可以提供強大的安全性。當竊聽者想要在量子通信中進行觀察、測量、復制時，量子狀態(tài)將受到干擾，并且竊聽行為可以很容易地被檢測到。從理論上講，量子通信可以實現(xiàn)絕對的安全性。此外，量子理論和AI的結合可以開發(fā)出更強大、更高效的AI算法，以滿足6G的需求。但是，高速率數(shù)據(jù)傳輸和高要求的應用場景對6G中的無線計算提出了挑戰(zhàn)。

（2）分子通信。在生物醫(yī)學中，生物納米物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Bio-Nano Things，IoBNT）可以使納米設備（如納米機器人、可植入芯片和生物傳感器）和生物實體得以連接。分子通信是IoBNT的一種使能技術，該技術使用生化分子在納米設備之間通信和傳遞信息。此外，IoBNT和人體區(qū)域網(wǎng)絡的組合是短距離無線網(wǎng)絡，由人體內(nèi)部或身體上的可穿戴監(jiān)控設備/傳感器和傳感設備組成，可為6G的電子健康醫(yī)療提供全面的解決方案。

4 結束語

無線數(shù)據(jù)幾乎呈指數(shù)增長，各種智能設備的迅速普及、各種新型應用的出現(xiàn)及全球萬物互聯(lián)的需求為下一步向6G的無線演進奠定了基礎。6G無線網(wǎng)絡有望顯著提高服務質(zhì)量，實現(xiàn)未來的可持續(xù)發(fā)展。本文提出了6G愿景需求，并討論了6G的應用場景和關鍵功能。隨后，通過兩個全新的特性來說明6G新穎的網(wǎng)絡架構，包括地面和非地面網(wǎng)絡的集成，由AI支持的真正智能連接。最后，通過分析國內(nèi)外多家著名機構文章，確定12種潛在的關鍵技術，包括空天地海一體化、人工智能、太赫茲、可見光通信、軌道角動量、區(qū)塊鏈技術等，勾勒出應用場景、性能需求和關鍵技術之間的相互關系。6G預商用網(wǎng)絡將在2030年左右投入使用，支撐泛在智能移動社會的發(fā)展。

原文標題：技術與標準丨6G愿景需求、網(wǎng)絡架構和關鍵技術展望

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