6G愿景需求、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)展望*

林德平 彭濤 劉春平

(1.北京郵電大學(xué)，北京 100876；2.中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院，北京 100038)

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(shù)從誕生到商用通常需要十多年的時間，因此當(dāng)下亟需開展6G新技術(shù)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(yù)測，2030年的需求流量數(shù)是當(dāng)前的100倍，而即將到來的應(yīng)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(yán)格，預(yù)計十年左右將達到5G網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(biāo)。因此，亟需一個顛覆性6G無線系統(tǒng)，其設(shè)計適合萬物互聯(lián)應(yīng)用的性能要求及其伴隨的技術(shù)趨勢。

為更好地理解和研究6G，本文討論6G的一系列關(guān)鍵問題，包括愿景和要求、應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)趨勢等。文章的其余部分安排如下，第一節(jié)給出6G愿景、要求和應(yīng)用場景；第二節(jié)描述6G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；第三節(jié)調(diào)研6G潛在關(guān)鍵技術(shù)；第四節(jié)得出結(jié)論。

1 愿景需求及應(yīng)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(rèn)為“6G將統(tǒng)一物理、數(shù)字、生物世界的體驗”，中興通訊認(rèn)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(wù)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(luò)覆蓋，進而支持于更快的移動速度、服務(wù)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(yīng)用場景及性能

有了上述6G愿景及需求，6G應(yīng)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(yīng)急通信搶險。

為達到6G的愿景需求和應(yīng)用場景需求，相較于5G性能指標(biāo)，預(yù)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(dāng)前的“米級”降低到“厘米級”等。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于6G愿景、需求、應(yīng)用場景及性能，預(yù)計6G網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(luò)，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(luò)

當(dāng)前地面網(wǎng)絡(luò)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(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，集成地面和非地面網(wǎng)絡(luò)以提供完整的無限覆蓋范圍的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)。

基于衛(wèi)星通信的空間網(wǎng)絡(luò)通過密集部署軌道衛(wèi)星為無服務(wù)和未被地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)提供無線覆蓋?？罩芯W(wǎng)絡(luò)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?？罩芯W(wǎng)絡(luò)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(luò)的融合。地面網(wǎng)絡(luò)將支持太赫茲頻段，其極小網(wǎng)絡(luò)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(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[13]將應(yīng)運而生。水下網(wǎng)絡(luò)將為軍事或商業(yè)應(yīng)用的廣海和深?；顒犹峁└采w和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，但關(guān)于水下網(wǎng)絡(luò)是否能夠成為未來6G網(wǎng)絡(luò)的一部分，存在爭議。

2.2 趨向智能化網(wǎng)絡(luò)

為了實現(xiàn)6G智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)的愿景[5]，6G架構(gòu)的設(shè)計應(yīng)全面考慮人工智能(AI)在網(wǎng)絡(luò)中的可能性，使其成為6G的內(nèi)在特征。

近年來，AI及機器學(xué)習(xí)(ML)受到了業(yè)界廣泛關(guān)注，初始智能已應(yīng)用于5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的許多方面，包括物理層應(yīng)用(如信道編碼和估計)、MAC層應(yīng)用(如多路接入)、網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用(如資源分配和糾錯)。但是，AI在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用僅限于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化，并且由于5G網(wǎng)絡(luò)在架構(gòu)設(shè)計之初未曾考慮AI，因此很難完全實現(xiàn)5G時代AI的潛力。

最初的智能是感知性AI的一種實現(xiàn)，無法響應(yīng)意外情況。隨著服務(wù)需求的多樣化和連接設(shè)備數(shù)量的爆炸性增長，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成為一個極其復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)，因此迫切需要一種具有自我感知、自我適應(yīng)、自我推理的新型AI網(wǎng)絡(luò)。它不僅需要在整個網(wǎng)絡(luò)中嵌入智能，還需要將AI的邏輯嵌入到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(luò)組件能夠自主連接和控制，并能夠識別并適應(yīng)意外情況。智能網(wǎng)絡(luò)的最終期望是網(wǎng)絡(luò)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(luò)提供有力保障。

3 6G潛在關(guān)鍵技術(shù)

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(xué)、上海交大、成都電子科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、賽迪智庫無線電所、芬蘭奧盧大學(xué)、貝爾實驗室、美國麻省理工學(xué)院及紐約大學(xué)等國內(nèi)外機構(gòu)的28篇重點文章[1-28]所涉及的潛在關(guān)鍵技術(shù)進行調(diào)查、統(tǒng)計、篩選和總結(jié)，得出關(guān)注度最高、詞頻最多的12個潛在關(guān)鍵技術(shù)，同時對各關(guān)鍵技術(shù)相應(yīng)的關(guān)鍵優(yōu)點和挑戰(zhàn)進行分析、凝練和總結(jié)。詳情見表1。

表1 潛在關(guān)鍵技術(shù)的調(diào)查

[*]：指的是傳統(tǒng)物理層技術(shù)增強，包括超高速新型的信道編碼調(diào)制技術(shù)、基于AI的編碼調(diào)制技術(shù)、超大規(guī)模多天線技術(shù)、大規(guī)模智能反射表面、增強的雙工技術(shù)、全息波束賦型等。

從表1中第二列相應(yīng)技術(shù)對應(yīng)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(shù)將會大概率作為6G關(guān)鍵技術(shù)。在28篇調(diào)研文章中，涉及這三大技術(shù)的文章分別有27篇、26篇和26篇，推斷這三大技術(shù)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(shù)、傳統(tǒng)物理層技術(shù)增強、區(qū)塊鏈和能源管理技術(shù)的關(guān)注度也很高，在6G中將起到非常關(guān)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(guān)注度相對稍低，但在后期技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)，6G網(wǎng)絡(luò)能力將得到極大的提升，從而為用戶提供更加豐富的應(yīng)用和業(yè)務(wù)。通過對未來的應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)和潛在關(guān)鍵技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行分析和總結(jié)，可以得到相互之間的映射關(guān)系(見圖4)?？梢?，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(shù)、超大規(guī)模天線等關(guān)鍵技術(shù)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。

調(diào)研和分析得到的上述12項潛在關(guān)鍵技術(shù)中，空天地海一體化和人工智能兩技術(shù)在第二節(jié)6G新穎的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中已詳細凝練，下節(jié)將對其他10項關(guān)鍵技術(shù)進行總結(jié)。

3.1 新型頻譜資源技術(shù)

香農(nóng)信息理論仍將是6G的重要設(shè)計基礎(chǔ)，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(shù)。

(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(rèn)為是可實現(xiàn)超高速率通信的超寬頻譜帶，可減輕當(dāng)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(yīng)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(shù)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(shù)，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(shù)

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(shù)使得未授權(quán)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(yīng)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(shù)來增強系統(tǒng)性能，區(qū)塊鏈和深度學(xué)習(xí)技術(shù)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(shù)

3.2.1 傳統(tǒng)物理層技術(shù)增強

(1)新型編碼調(diào)制

6G的編碼調(diào)制技術(shù)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(fù)雜的通信應(yīng)用場景傳輸特性進行有針對性的設(shè)計和優(yōu)化。此外，AI技術(shù)通過學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、搜索能找到適合當(dāng)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(shù)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(shù)通過空分復(fù)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(yīng)用需要突破天線本身的技術(shù)，目前大規(guī)模智能反射表面在大規(guī)模天線中的應(yīng)用受到更多的關(guān)注。

3.2.2 軌道角動量(Orbital Angular Momentum，OAM)

OAM多路復(fù)用技術(shù)通過利用一組正交電磁波的角動量在同一頻道上多路復(fù)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(fù)用/解復(fù)用的正交OAM模式，從而為6G網(wǎng)絡(luò)容量增強帶來新途徑。但當(dāng)前OAM在無線通信中應(yīng)用仍處于探索階段，有一定研究難度。

3.3 創(chuàng)新基礎(chǔ)性技術(shù)

(1)區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈基于分布式賬本技術(shù)，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(yīng)用的理想選擇。它保證了6G網(wǎng)絡(luò)實體整個通信過程中更強大的安全性?；趨^(qū)塊鏈的分布式控制機制可以在網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shù)將是保障6G 網(wǎng)絡(luò)安全和隱私最有潛力的技術(shù)。

(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(dǎo)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(shè)計下一代通信設(shè)備。而且，流體材料被引入頻率可重構(gòu)天線的設(shè)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(shè)備的日益普及給通信設(shè)備的能源效率提出了重大挑戰(zhàn)?？紤]到6G網(wǎng)絡(luò)預(yù)期的規(guī)模，有必要在設(shè)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(shè)備自供電，這對于實現(xiàn)離網(wǎng)運行、持久的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器、很少使用的設(shè)備和設(shè)備較長的待機間隔至關(guān)重要。另外，共生無線電技術(shù)和智能能源管理技術(shù)提供了可能的解決方案。

3.4 新型通信技術(shù)

(1)量子通信與計算。6G在各種應(yīng)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(dāng)竊聽者想要在量子通信中進行觀察、測量、復(fù)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(jié)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(yīng)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(xué)中，生物納米物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Bio-Nano Things，IoBNT)可以使納米設(shè)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(shù)，該技術(shù)使用生化分子在納米設(shè)備之間通信和傳遞信息。此外，IoBNT和人體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的組合是短距離無線網(wǎng)絡(luò)，由人體內(nèi)部或身體上的可穿戴監(jiān)控設(shè)備/傳感器和傳感設(shè)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(jié)束語

無線數(shù)據(jù)幾乎呈指數(shù)增長，各種智能設(shè)備的迅速普及、各種新型應(yīng)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(chǔ)。6G無線網(wǎng)絡(luò)有望顯著提高服務(wù)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(yīng)用場景和關(guān)鍵功能。隨后，通過兩個全新的特性來說明6G新穎的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括地面和非地面網(wǎng)絡(luò)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(gòu)文章，確定12種潛在的關(guān)鍵技術(shù)，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(shù)等，勾勒出應(yīng)用場景、性能需求和關(guān)鍵技術(shù)之間的相互關(guān)系。6G預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)將在2030年左右投入使用，支撐泛在智能移動社會的發(fā)展。