面向數(shù)字孿生時(shí)代的6G網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵技術(shù)分析

王祎冰，徐 瑤，王 玢

（國家無線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041）

0 引言

1 數(shù)字孿生與6G技術(shù)的重要性

數(shù)字孿生是一種集成多物理、多尺度、多學(xué)科屬性，具有實(shí)時(shí)同步、忠實(shí)映射、高保真度特性，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與信息世界交互與融合的技術(shù)手段[1]。真實(shí)呈現(xiàn)物理與生物世界的“數(shù)字孿生”將會(huì)成為未來新數(shù)字業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)平臺(tái)。想要對(duì)物理世界的每一個(gè)時(shí)空瞬間實(shí)現(xiàn)真實(shí)、完整的重現(xiàn)，要求網(wǎng)絡(luò)具備超大的容量和極低的時(shí)延，使人類能夠在物理、生物和數(shù)字三者之間，完成實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，就掌握在6G的手中。在第六代移動(dòng)通信系統(tǒng)（the Sixth Generation Mobile Communication System，6G）中，網(wǎng)絡(luò)與用戶將以一個(gè)統(tǒng)一的整體出現(xiàn)。用戶的智能需求將被進(jìn)一步挖掘與實(shí)現(xiàn)，甚至在人工智能理論、新興材料和集成天線等相關(guān)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，構(gòu)建新的世界[2]。如圖1所示。

圖1 基于6G的物理世界、數(shù)字世界與生物世界的實(shí)時(shí)互聯(lián)

2 探索6G的6大關(guān)鍵性技術(shù)

支持和驅(qū)動(dòng)新一代通信系統(tǒng)的支柱，無疑將來自一系列新穎的、核心的基礎(chǔ)性技術(shù)。這些顛覆性創(chuàng)新技術(shù)從被提出到落地實(shí)用，往往需要10年甚至更久的時(shí)間。因此，當(dāng)下無疑是啟動(dòng)面向6G的顛覆式創(chuàng)新技術(shù)概念定義、探討和研究的最佳時(shí)機(jī)。下面將討論和界定有望塑型6G系統(tǒng)的6大關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)。

2.1 AI/ML賦能6G空口設(shè)計(jì)

人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）尤其是深度學(xué)習(xí)（DL)，在過去10年中取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，其在圖像識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮了前所未有的推動(dòng)力量， AI/ML涉足無線系統(tǒng)的案例近年來已大量涌現(xiàn)。因此，我們可以預(yù)測(cè)，在未來幾年之內(nèi)，AI/ML將從更卓越的性能指標(biāo)、更低的復(fù)雜度，解決網(wǎng)絡(luò)部署的優(yōu)化問題，以及和現(xiàn)有的5G技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一系列的應(yīng)用突破等層面，深刻影響5G系統(tǒng)的演進(jìn)，并在6G系統(tǒng)中發(fā)揮更加基礎(chǔ)性的作用。在未來的6G系統(tǒng)中，AI/ML將不再作為網(wǎng)絡(luò)的功能增強(qiáng)或單點(diǎn)技術(shù)補(bǔ)充，而是根本性地成為新空口技術(shù)設(shè)計(jì)范式，在實(shí)時(shí)根據(jù)環(huán)境、硬件條件深度自優(yōu)化的收發(fā)機(jī)、頻譜共享、情境感知等諸多方面成為核心技術(shù)。

2.2 探索新頻段

隨著未來對(duì)峰值速率和系統(tǒng)容量的需求持續(xù)增長(zhǎng)，移動(dòng)通信系統(tǒng)將持續(xù)采用更豐富的頻譜資源，探索更高的頻段。如圖2所示，114 GHz至300 GHz的亞太赫茲（subTHz）頻段最有可能在蜂窩通信的某些特定場(chǎng)景中使用。

圖2 6G的頻譜范圍

目前，大量用來提升毫米波系統(tǒng)性能的研究成果都可演進(jìn)到亞太赫茲系統(tǒng)，最初的亞太赫茲產(chǎn)品也將沿用毫米波系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。隨著毫米波、厘米波頻譜的大規(guī)模使用，當(dāng)前所謂的“高頻”在未來的6G頻譜中將被定義為“中頻”。未來厘米波將成為6G的最低頻段，大規(guī)模MIMO技術(shù)的適用性會(huì)逐漸受到天線尺寸的制約。然而相比于亞太赫茲頻段，低頻頻段有著廣域覆蓋的天然優(yōu)勢(shì)，其路徑損耗和材料穿透特性更佳，因此，低頻頻段在6G中會(huì)繼續(xù)扮演重要的角色。

2.3 定位與感知技術(shù)

5G系統(tǒng)本身支持定位功能，從而實(shí)現(xiàn)了一整套工業(yè)自動(dòng)化通信系統(tǒng)，可以同時(shí)滿足低時(shí)延、高可靠性和高精度定位。面向6G，我們期望通信網(wǎng)絡(luò)除了能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的定位，還能執(zhí)行各種感知任務(wù)。在視距傳播受限的室內(nèi)通信場(chǎng)景中，可以通過增強(qiáng)定位方案獲取大范圍的厘米級(jí)精度。此外，可以通過潛在的技術(shù)手段，包括大規(guī)模天線陣列技術(shù)、基于人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）的信道檢測(cè)技術(shù)，以及基于射頻信號(hào)、圖像和其他傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，在可見接入點(diǎn)受限的條件下提高網(wǎng)絡(luò)的感知精度。

因此，在6G系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮優(yōu)化通信功能，還需要考慮如何支持感知功能。例如，適用于感知的波形（如線性調(diào)頻信號(hào)）可以與優(yōu)化的通信波形實(shí)現(xiàn)復(fù)用；伴隨著大規(guī)模MIMO天線陣列的實(shí)現(xiàn)，可以形成窄波束，使用這些波束進(jìn)行周期掃描以實(shí)現(xiàn)感知；利用多個(gè)收發(fā)端協(xié)同進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的感知能力；隨著6G通信系統(tǒng)向亞太赫茲和太赫茲頻段演進(jìn)，信號(hào)頻帶相對(duì)變寬，可以帶來更高的感知精度，使得未來網(wǎng)絡(luò)以更直觀的方式與物理世界進(jìn)行交互。

2.4 極致網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

5G系統(tǒng)依靠超低延遲高可靠技術(shù)（URLLC，即在1 ms的空口延時(shí)內(nèi)達(dá)到99.999%的傳輸可靠性）對(duì)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的一些基本應(yīng)用提供了支持。然而對(duì)有些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，1 ms的空口延時(shí)仍然不足以滿足所需的要求，當(dāng)嚴(yán)苛的性能要求超出了5G網(wǎng)絡(luò)能力時(shí)，就需要新的6G極致網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。

五分鐘后，值班經(jīng)理給我們安排了位置，并送上精美果盤致歉。喬振宇悶悶地沒吃幾口菜，習(xí)慣性掛在嘴邊的那句抱怨也沒說出口。我一碗石鍋拌飯還沒吃完，他就借口跟哥們兒聊點(diǎn)兒事撇下我先走了！

6G系統(tǒng)將采用合理高效的設(shè)計(jì)來滿足這些極致的性能需求。比如，一些測(cè)量結(jié)果顯示，毫米波信號(hào)在工廠室內(nèi)環(huán)境下的衰減和阻塞現(xiàn)象并沒有預(yù)期那樣嚴(yán)重，同時(shí)考慮到毫米波頻段具有更寬的可用帶寬，因此，6G系統(tǒng)可基于毫米波傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)極致低時(shí)延下的高速率傳輸。為了實(shí)現(xiàn)極致高可靠性，一方面，通過冗余的多路徑（可能包括多跳）并行協(xié)同傳輸，可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；另一方面，AI/ML技術(shù)也會(huì)對(duì)可靠性的提升起到幫助。

此外，6G中另一種值得期待的極致網(wǎng)絡(luò)形式是零能耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。例如，在橋梁或隧道等建筑物監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，無線傳感器設(shè)備完全內(nèi)嵌在建筑物中，在沒有任何人為干預(yù)下，可以持續(xù)工作數(shù)百年。實(shí)現(xiàn)零能耗設(shè)備的潛在解決方案包括低功耗通信、極低空載電流技術(shù)、能量收集（從通信網(wǎng)絡(luò)中收集）、存儲(chǔ)技術(shù)，以及它們的聯(lián)合使用。

2.5 6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)新概念

2.5.1 子網(wǎng)（Sub-Network）

5G之前的蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要是為將語音和數(shù)據(jù)互聯(lián)業(yè)務(wù)拓展到個(gè)人和移動(dòng)端點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。5G是第一個(gè)為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，通過新的架構(gòu)方面的演進(jìn)，如支持時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）橋接功能等，來滿足各種工業(yè)場(chǎng)景的不同應(yīng)用需求。未來6G將在5G的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展，真正實(shí)現(xiàn)將無線技術(shù)應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)景并取代當(dāng)前廣泛采用的有線連接。

為確保時(shí)間和空間上的高可靠性（Reliability）和高確定性（Determinism），有必要引入具有半自治（Semi-Autonomous）能力的6G子網(wǎng)，當(dāng)這個(gè)子網(wǎng)與外部廣域網(wǎng)絡(luò)之間的連接質(zhì)量較差甚至中斷時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保該子網(wǎng)內(nèi)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)持續(xù)不中斷。另外，為進(jìn)一步保證超高可靠性，將需要為終端同時(shí)提供多條網(wǎng)絡(luò)連接或終端間的直接通信連接，上述這些從事實(shí)上形成一個(gè)無蜂窩的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2.5.2 超級(jí)定制化的網(wǎng)絡(luò)切片

除了將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓展到子網(wǎng)和多種連接場(chǎng)景，未來網(wǎng)絡(luò)也將在切片和虛擬化方面進(jìn)一步演進(jìn)。針對(duì)不同的業(yè)務(wù)流，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片中獨(dú)立的軟件棧將提供專屬功能，從而實(shí)現(xiàn)高度定制化，如圖3所示。

圖3 6G架構(gòu)組成

2.5.3 接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的融合

5G RAN將傳統(tǒng)基站分割為分布式單元（DU）和集中式單元（CU）。分布式單元包括用戶面和控制面協(xié)議棧的低層協(xié)議處理，主要處理物理層（即層1）功能和實(shí)時(shí)性要求高的介質(zhì)訪問控制層（即層2）功能；集中式單元主要處理非實(shí)時(shí)的層2功能和層3功能。在未來6G網(wǎng)絡(luò)中，預(yù)計(jì)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的融合將用一套簡(jiǎn)約的功能集合來實(shí)現(xiàn)，特別是在用戶面，最終將形成一個(gè)“去核心的RAN”（Coreless RAN）。

2.6 新的安全、隱私和信任范式

6G網(wǎng)絡(luò)要達(dá)到有線網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性要求，這意味著必須設(shè)計(jì)新的安全和隱私機(jī)制。首先，在網(wǎng)絡(luò)中融入子網(wǎng)需要新的鑒權(quán)策略：鑒權(quán)不再由網(wǎng)絡(luò)而是由子網(wǎng)提供。由于不同的子網(wǎng)可能屬于沒有信任關(guān)系的實(shí)體，為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全，要求子網(wǎng)之間以及子網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)之間清晰分離。將子網(wǎng)作為一個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，授權(quán)作為鑒權(quán)方并負(fù)責(zé)子網(wǎng)的資產(chǎn)管理非常重要。由于設(shè)備加入/離開子網(wǎng)是動(dòng)態(tài)的，在6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中維持子網(wǎng)隱私性和匿名性是需要解決的另一個(gè)挑戰(zhàn)。

其次，當(dāng)物理和生物世界高精度映射在數(shù)字世界中，真實(shí)對(duì)象和虛擬對(duì)象的鏡像融合到數(shù)字混合現(xiàn)實(shí)世界時(shí)，用戶的隱私解決方案也將面臨挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)中的信任和安全對(duì)6G成功至關(guān)重要。

3 結(jié)束語

4G開啟了低成本的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)元年，5G在此基礎(chǔ)上演化出了可支持高可靠、低延時(shí)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，而6G則將在更大的縱深、廣度和跨度上滲透和影響垂直行業(yè)。本文提出了實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)的6個(gè)潛在的關(guān)鍵技術(shù)方向，相信隨著6G所支持和使能的應(yīng)用場(chǎng)景越來越多，屆時(shí)6G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)朝著平臺(tái)化和生態(tài)化方向發(fā)展，更靈活地適應(yīng)和滿足不同的定制化的需求。■