6G展望：愿景需求、應(yīng)用場景及關(guān)鍵技術(shù)

蔡亞芬，胡博然，郭延?xùn)|

（1.中國信息通信研究院，北京 100191；2.國才（北京）人力資源服務(wù)有限公司，北京 100013）

0 引言

我國2019年實(shí)現(xiàn)了5G預(yù)商用，2020年開始規(guī)模商用。在5G開啟商用之際，業(yè)界對6G進(jìn)行了初步探索。從1G到4G主要改變的是“生活”，5G將改變“社會(huì)”，而6G將相比于5G更大程度地改變“社會(huì)”——萬物互聯(lián)始于5G，進(jìn)一步蓬勃發(fā)展于6G。從而可見，6G的戰(zhàn)略重要性必將甚于5G。本文通過對6G愿景需求的展望，給出了超出當(dāng)今5G系統(tǒng)性能范圍之外的應(yīng)用場景，以及針對這些需求的候選關(guān)鍵技術(shù)。

1 6G愿景需求

到2030年，智能信息社會(huì)將實(shí)現(xiàn)高度數(shù)字化、智能化，并通過近乎即時(shí)且無限的全無線連接實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。6G將成為實(shí)現(xiàn)這一藍(lán)圖的關(guān)鍵推動(dòng)力。它可以連接一切，提供全方位的無線覆蓋，并集成所有功能，包括傳感、通信、計(jì)算、緩存、控制、定位、雷達(dá)、導(dǎo)航和成像，以支持全垂直應(yīng)用。6G將是一個(gè)具有人類智慧和意識的自治生態(tài)系統(tǒng)，它將從以人為中心演變?yōu)橐匀撕蜋C(jī)器為中心，并且將提供多種智聯(lián)方式，例如通過手指、語音、眼睛和腦電波（或神經(jīng)信號）與智能終端進(jìn)行通信和交互。

基于以上6G愿景，6G的通信能力將在5G的基礎(chǔ)上得到進(jìn)一步升級和擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率（5G的10-100倍）、更高的系統(tǒng)容量、更高的頻譜效率、更低的時(shí)延、更廣且更深的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，進(jìn)而支持更高的移動(dòng)速度，服務(wù)于萬物互聯(lián)，并全面支撐泛在智能移動(dòng)產(chǎn)業(yè)（面向智能生活與垂直行業(yè)）的發(fā)展。

2 6G應(yīng)用場景展望

本節(jié)我們描述6G潛在的應(yīng)用場景特征及需求，表1總結(jié)了各個(gè)應(yīng)用場景的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）。

表1 各個(gè)應(yīng)用場景的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）

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（1）大規(guī)模通信：雖然5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)支持超過10萬個(gè)連接，但從2016年到2021年，每平方千米的移動(dòng)通信量將增長3倍，從而將移動(dòng)設(shè)備的數(shù)量推向極端，在密集地區(qū)每平方千米將擁有107臺設(shè)備（5G最大達(dá)到106臺設(shè)備）。估計(jì)到2030年，全球?qū)⒂谐^1，250億個(gè)連接設(shè)備，這將給已經(jīng)很擁擠的網(wǎng)絡(luò)帶來巨大壓力，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法保證所需的服務(wù)質(zhì)量。此外，新5G無線系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)速率可能不符合完全由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、近即時(shí)、超高吞吐量、連續(xù)連接的要求。6G技術(shù)應(yīng)包括擴(kuò)容戰(zhàn)略，以向用戶提供高吞吐量和連續(xù)連接。

（2）全息通信：十年后，人類目前的遠(yuǎn)程互動(dòng)方式將會(huì)過時(shí)，真正的沉浸式交流會(huì)廣泛出現(xiàn)。五維通信和服務(wù)，集成了所有人類感知信息（視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺），有望與全息通信一起出現(xiàn)，從而提供真正的沉浸式全息通信。人類趨向于以越來越高的保真度進(jìn)行遠(yuǎn)程連接的趨勢將給6G網(wǎng)絡(luò)帶來嚴(yán)重的通信挑戰(zhàn)。3D全息顯示的數(shù)據(jù)速率要求將達(dá)到Tb/s，延遲要求將達(dá)到亞毫秒級。此外，為了完全實(shí)現(xiàn)身臨其境的遠(yuǎn)程體驗(yàn)，必須將五種人類感官數(shù)字化并在未來的網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)移，從而提高總體目標(biāo)數(shù)據(jù)速率。

（3）高精度制造：6G將推動(dòng)以5G為起點(diǎn)的工業(yè)4.0革命，即通過網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。打破物理工廠和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算空間之間的界限，從而使基于互聯(lián)網(wǎng)的診斷、維護(hù)、操作和直接機(jī)器間通信具有成本效益、靈活性和高效率。自動(dòng)化在可靠性和同步通信方面的要求，6G將通過太赫茲通信等技術(shù)來解決。諸如VR/AR應(yīng)用之類的工業(yè)控制需要實(shí)時(shí)操作并保證微秒的延遲抖動(dòng)和Gb/s峰值數(shù)據(jù)速率。

（4）電子健康：6G將徹底改變醫(yī)療保健行業(yè)，例如，通過遠(yuǎn)程手術(shù)消除時(shí)間和空間的障礙，并保證醫(yī)療保健工作流程的優(yōu)化。除了高昂的成本外，當(dāng)前阻礙通信技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的主要是缺乏實(shí)時(shí)觸覺反饋。此外，電子健康服務(wù)的激增將挑戰(zhàn)滿足其嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量要求的能力，即持續(xù)的連接可用性（可靠性為99.99999%），超低延遲（亞毫秒）和移動(dòng)性支持。由于毫米波信道固有的可變性和擁塞，5G系統(tǒng)不太可能實(shí)現(xiàn)電子健康服務(wù)。6G將通過移動(dòng)邊緣計(jì)算、虛擬化和人工智能等創(chuàng)新，釋放電子健康應(yīng)用的潛力。

（5）智能城市：6G將加快智能城市解決方案的采用，目標(biāo)是改善生活質(zhì)量、環(huán)境監(jiān)測、交通控制和城市管理自動(dòng)化。這些服務(wù)建立在傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)之上，這些傳感器能夠有效地相互作用，并與周圍環(huán)境進(jìn)行交互。目前的蜂窩系統(tǒng)主要是為寬帶應(yīng)用而開發(fā)的，對M2M流量有特殊配置。6G將無縫支持以用戶為中心的機(jī)對機(jī)通信，以經(jīng)濟(jì)高效的方式為智能城市提供本地支持。6G還將結(jié)合能量收集方法延遲電池壽命，這是5G及前幾代通信迄今為止忽視的一項(xiàng)研究。

（6）無人駕駛：6G將向完全自主交通系統(tǒng)的發(fā)展提供更安全的出行、改進(jìn)的交通管理和對信息娛樂的支持，市場規(guī)模高達(dá)萬億美元。連接自主車輛需要前所未有的可靠性和低延遲（即高于99.99999%和低于1毫秒），即使在超高機(jī)動(dòng)性情況下（高達(dá)1，000千米/小時(shí)），也必須要保證乘客安全，這是現(xiàn)有技術(shù)難以滿足的要求。此外，每輛車上傳感器數(shù)量的增加所要求的數(shù)據(jù)速率超過當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)容量。另外，飛行器在各種情況下（如建筑、急救人員）都具有巨大的潛力。成群結(jié)隊(duì)的無人機(jī)將需要提高容量，以擴(kuò)大互聯(lián)網(wǎng)連接。從這個(gè)角度來看，6G將通過硬件、軟件和新連接解決方案的進(jìn)步為連接車輛鋪平道路。

3 6G關(guān)鍵技術(shù)預(yù)測

3.1 突破性的通信技術(shù)

為了滿足上節(jié)6G應(yīng)用場景需求，預(yù)計(jì)6G網(wǎng)絡(luò)除了采用傳統(tǒng)頻譜（即sub-6GHz和毫米波），也依賴于尚未考慮用于蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的頻帶，即太赫茲頻帶和可見光通信。

（1）太赫茲通信（THzcommunication）。太赫茲通信的工作頻率為0.1–10 THz，這一波段介于微波和紅外之間，兼有微波和光波的特性，具有極高的高頻連接潛力、低量子能量、大帶寬、良好的穿透性等特點(diǎn)，可用于超分辨率感測和高精度定位等，是大容量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無線傳輸最有效的技術(shù)手段，符合最苛刻的6G要求。當(dāng)前有兩種太赫茲通信系統(tǒng)，包括基于混頻機(jī)制的固態(tài)太赫茲通信系統(tǒng)以及把基帶信號直接調(diào)制為連續(xù)太赫茲載波的空間直接調(diào)制太赫茲通信系統(tǒng)。當(dāng)前，阻止太赫茲鏈路在商業(yè)系統(tǒng)中采用的主要問題是傳播損耗、分子吸收、高穿透損耗以及天線和射頻電路的工程挑戰(zhàn)。最后，在室內(nèi)通信場景下，這種高頻率可以用于射頻和天線的超小型電子封裝解決方案。

（2）可見光通信（VLC）。可見光通信系統(tǒng)可利用室內(nèi)照明設(shè)備（如LED燈）代替無線局域網(wǎng)基站發(fā)射信號，其通信速度達(dá)每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆，未來傳輸速度還可能超過光纖通信。利用專用的、能夠收發(fā)信號功能的電腦以及移動(dòng)信息終端，只要在室內(nèi)燈光能照到的地方就可以長時(shí)間高速通信。該系統(tǒng)還具有高安全性的特點(diǎn)。用窗簾遮住光線，信息就不會(huì)外泄至室外，同時(shí)使用多臺電腦也不會(huì)影響通信速度。但VLC具有有限的覆蓋范圍，需要光源并且易遭受來自其他光源（例如太陽）的散粒噪聲，因此主要在室內(nèi)使用。

3.2 創(chuàng)新性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

為了滿足上節(jié)應(yīng)用場景需求，6G將提供面向萬物的卓越的網(wǎng)絡(luò)功能。未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的異構(gòu)性和全覆蓋的需求，需要基于不同通信技術(shù)緊密集成的新型無蜂窩架構(gòu)，以及具有虛擬化、軟件化及切片化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。另外，人工智能（AI）深度融入6G系統(tǒng)，將在高效傳輸、無縫組網(wǎng)、內(nèi)生安全、大規(guī)模部署、自動(dòng)維護(hù)等多個(gè)層面得到實(shí)際應(yīng)用。

（1）無蜂窩多連接網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無蜂窩網(wǎng)絡(luò)將確保無縫的移動(dòng)性支持，而不會(huì)因切換而造成開銷，并將提供與6G設(shè)想的最具挑戰(zhàn)性的移動(dòng)性要求相符的服務(wù)質(zhì)量保證。6G將支持設(shè)備的異構(gòu)性，這些設(shè)備將能夠在不同的異構(gòu)鏈路（例如sub-6 GHz、毫米波、太赫茲或可見光通信）之間無縫過渡，而無需人工干預(yù)或配置。最后，根據(jù)特定的使用場景，用戶還可以同時(shí)使用不同的網(wǎng)絡(luò)接口來利用這些異構(gòu)鏈路的互補(bǔ)特性，例如，sub-6 GHz鏈路用于信令控制傳輸，太赫茲鏈路用于數(shù)據(jù)傳輸。

（2）天地一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。5G只提供基本二維空間的連接性，即部署了網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)以提供與地面設(shè)備的連接性，所以無法滿足所有垂直應(yīng)用需求，未來需根據(jù)不同的應(yīng)用場景重新定義網(wǎng)絡(luò)能力的適配性。因此，考慮未來需要無所不在全覆蓋網(wǎng)絡(luò)，除了地面網(wǎng)絡(luò)，6G還需要基于衛(wèi)星、氣球和無人飛行器的基礎(chǔ)設(shè)施來滿足覆蓋和容量需求，形成天地一體的立體三維（3D）網(wǎng)絡(luò)。而在將飛行平臺有效用于無線網(wǎng)絡(luò)之前，仍需要解決各種挑戰(zhàn)，例如空對地信道建模、拓?fù)浜蛙壽E優(yōu)化、資源管理和能源效率。

（3）虛擬和軟件化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。6G網(wǎng)絡(luò)軟件、開源和虛擬的特性將更為明顯，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不需要特定的硬件，以使軟硬件換代升級更加便利和高效。6G網(wǎng)絡(luò)的硬件將更為集成化、模塊化和白盒化，軟件將更為本地化、個(gè)性柔性化和開源化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上將更虛擬化，未來網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和優(yōu)化升級將主要依托云存儲資源和軟件升級?；谏鲜霭l(fā)展趨勢，現(xiàn)有虛擬化、軟件化及開源的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將得到持續(xù)發(fā)展，包括大數(shù)據(jù)挖掘及處理、人工智能（AI）、軟件無線電（SDR）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、數(shù)據(jù)云化、虛擬化、切片化、開源分布式網(wǎng)絡(luò)軟件及系統(tǒng)、開源網(wǎng)絡(luò)安全、軟硬件系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)。

（4）人工智能與無線網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)。未來的網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，應(yīng)用越來越多樣化，無線收發(fā)器處理和終端應(yīng)用也越來越復(fù)雜，能耗的挑戰(zhàn)也越來越大。因此，人工智能將在6G無線空口和系統(tǒng)級解決方案中扮演重要角色。比如，人工智能與無線電感測、定位等技術(shù)結(jié)合，可實(shí)時(shí)了解無線環(huán)境，主動(dòng)預(yù)測無線鏈路丟失和最佳切換目標(biāo)，以及主動(dòng)分配最優(yōu)無線資源等，甚至還可根據(jù)特定環(huán)境和業(yè)務(wù)需求，通過AI快速設(shè)計(jì)最佳無線空口。人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）已經(jīng)滲透到許多應(yīng)用程序中，機(jī)器學(xué)習(xí)支持主動(dòng)分配網(wǎng)絡(luò)資源，從而提高性能，特別是在延遲敏感的應(yīng)用中。

3.3 動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)

6G的太赫茲頻率特性使其網(wǎng)絡(luò)密度驟增，動(dòng)態(tài)頻譜共享成為提高頻譜效率、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署的重要手段。動(dòng)態(tài)頻譜共享采用智能化、分布式的頻譜共享接入機(jī)制，通過靈活擴(kuò)展頻譜可用范圍、優(yōu)化頻譜使用規(guī)則的方式，進(jìn)一步滿足未來6G系統(tǒng)頻譜資源使用需求。未來結(jié)合6G大帶寬、超高傳輸速率、空天海地多場景等需求，基于授權(quán)和非授權(quán)頻段持續(xù)優(yōu)化頻譜感知、認(rèn)知無線電、頻譜共享數(shù)據(jù)庫、高效頻譜監(jiān)管技術(shù)是必然趨勢。同時(shí)也可以推進(jìn)區(qū)塊鏈+動(dòng)態(tài)頻譜共享、AI+動(dòng)態(tài)頻譜共享等技術(shù)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)6G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)智能化頻譜共享和監(jiān)管。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了6G潛在的應(yīng)用場景和候選關(guān)鍵技術(shù)，它們應(yīng)該代表了6G通信系統(tǒng)的核心。在物理層，隨著太赫茲和可見光通信技術(shù)的成熟，十年后將為6G的發(fā)展提供強(qiáng)大的推動(dòng)力。同時(shí)，6G也需要更先進(jìn)可靠的多鏈路技術(shù)，以應(yīng)對高頻通信所帶來的挑戰(zhàn)。在更高層次上，全覆蓋和無蜂窩的新架構(gòu)以及大規(guī)模人工智能的引入，將推動(dòng)通信、計(jì)算、緩存和控制資源的大規(guī)模集成和分布式優(yōu)化。