6G无线系统的愿景需求及应用场景

导读：全球范围内5G在商业化的同时，学术界和工业界已经按计划开展了6G研究。聚焦移动通信系统在覆盖范围、容量、用户数据速率、移动速度等方面的挑战，对6G进行了较全面的讨论，提出6G愿景，并描述了6G网络的使用场景和要求。提出了集成空天地海的3D智能网络体系结构，以提供无处不在的无线智能连接。通过广泛调研分析，梳理了包括空天地海一体化、人工智能、太赫兹等12项6G网络潜在关键技术及其与使用场景、性能要求间的关系。

0 引言

随着5G系统的全面部署，针对6G移动通信系统的研究也已经开始。由于每十年左右就出现新一代移动通信系统，公众期望6G系统在2030年之前得到商业化部署。新技术从诞生到商用通常需要十多年的时间，因此当下亟需开展6G新技术研究。5G的推动力来自消费者不断增长的流量需求，以及垂直行业的生产力需求。据ITU预测，2030年的需求流量数是当前的100倍，而即将到来的应用（如全息通信、电子医疗保健、自动驾驶和高精度工业控制）对吞吐量、延迟和定位精度等要求更加严格，预计十年左右将达到5G网络的极限。另外，最初只定义为地面移动通信系统的5G无法实现全球覆盖，而且5G垂直行业应用具有长期性和艰巨性。这些都限制了5G最初的万物互联目标。因此，亟需一个颠覆性6G无线系统，其设计适合万物互联应用的性能要求及其伴随的技术趋势。为更好地理解和研究6G，本文讨论6G的一系列关键问题，包括愿景和要求、应用场景、网络架构、技术趋势等。

1 愿景需求及应用场景

1.1 愿景及需求

全球业界对于6G的愿景开始趋于一致。首先，需要打通虚实世界。例如，诺基亚贝尔实验室认为“6G将统一物理、数字、生物世界的体验”，中兴通讯认为“6G将整合物理和数字世界”。其次，对于泛在智能，“泛在”表明6G服务将无缝覆盖全球用户，“智能”体现AI互联网［1］。最后，满足人类解放自我的需求。基于6G愿景和5G的发展，6G将得到进一步升级和扩展，以实现更高的数据速率（5G的10 ~ 100 倍）和频谱效率、更大的系统容量、更低的时延、更广且更深的网络覆盖，进而支持于更快的移动速度、服务于更全的万物互联，并全面支撑泛在智能移动产业的发展。

1.2 应用场景及性能

有了上述6G愿景及需求，6G应用场景将比5G更为广泛，对传统的eMBB、mMTC、uRLLC场景进行融合，将涵盖如下场景：极高吞吐和极低延迟需求的全息通信及扩展现实（Extended Reality，XR）体验；超高实时性及可靠性需求的人体数字孪生；超高移动性及全覆盖需求的空中高速上网；智能超连通性、内生智慧及安全需求的新型智慧城市；基于AI自主运行需求的联网无人驾驶；超高带宽、超低时延和超可靠等需求的高精度智能工业；全覆盖需求的全域应急通信抢险。为达到6G的愿景需求和应用场景需求，相较于5G性能指标，预计6G的数据速率、连接密度、能效将提高10倍；移动性和频谱效率将提高约3倍；时延有望降低到1 ms以下。此外，6G可以将覆盖率从目前的70%提高到99%，可靠性从目前的99.9%提高到99.999%，定位误差从当前的“米级”降低到“厘米级”等。

图1 6G网络的核心能力

2 网络架构

基于6G愿景、需求、应用场景及性能，预计6G网络将在全球范围内实现社会无缝的无线连接，融合通信、计算、导航、感测，并具有智能自主运营维护的空天地海一体化3D及AI网络，可提供超高容量、近乎即时、可靠且无限的智能超连通性［14］。

2.1 空天地海一体化网络当前地面网络无法扩大通信范围的广度和深度，同时在全球范围内提供连接的成本非常高昂，为了支持系统全覆盖和用户高速移动，6G将优化空天地海网络基础设施，集成地面和非地面网络以提供完整的无限覆盖范围的空天地海一体化网络。

图2 6G空天地海一体化网络

基于卫星通信的空间网络通过密集部署轨道卫星为无服务和未被地面网络覆盖的地区提供无线覆盖。空中网络低空平台可以更快地部署，更灵活地重新配置以最适合通信环境，并在短距离通信中表现出更好的性能。空中网络高空平台可以作为长距离通信中的中继节点，以促进地面和非地面网络的融合。地面网络将支持太赫兹频段，其极小网络覆盖范围将达到系统容量提高的极限，“去蜂窝”和以用户为中心的超密集网络的网络架构［13］将应运而生。水下网络将为军事或商业应用的广海和深海活动提供覆盖和互联网服务，但关于水下网络是否能够成为未来6G网络的一部分，存在争议。

2.2 趋向智能化网络为了实现6G智慧内生网络的愿景［5］，6G架构的设计应全面考虑人工智能（AI）在网络中的可能性，使其成为6G的内在特征。近年来，AI及机器学习（ML）受到了业界广泛关注，初始智能已应用于5G蜂窝网络的许多方面，包括物理层应用（如信道编码和估计）、MAC层应用（如多路接入）、网络层应用（如资源分配和纠错）。但是，AI在5G网络中的应用仅限于传统网络架构的优化，并且由于5G 网络在架构设计之初未曾考虑AI，因此很难完全实现5G时代AI的潜力。

图3 6G智能网络结构

最初的智能是感知性AI的一种实现，无法响应意外情况。随着服务需求的多样化和连接设备数量的爆炸性增长，网络发展成为一个极其复杂的异构系统，因此迫切需要一种具有自我感知、自我适应、自我推理的新型AI网络。它不仅需要在整个网络中嵌入智能，还需要将AI的逻辑嵌入到网络结构中，这样感知和推理以系统的方式进行交互，最终使所有网络组件能够自主连接和控制，并能够识别并适应意外情况。智能网络的最终期望是网络的自主发展。集中式AI、分布式AI、边缘AI、智能无线电（Intelligent Radio，IR）的联合部署，以及智能无线传感、通信、计算、缓存和控制的融合，为6G的智能网络提供有力保障。

3 6G潜在关键技术

通过对来自中兴通讯、中国移动、中国电科、中国信息通信研究院、东南大学、上海交大、成都电子科技大学、北京邮电大学、赛迪智库无线电所、芬兰奥卢大学、贝尔实验室、美国麻省理工学院及纽约大学等国内外机构的28篇重点文章［1-28］所涉及的潜在关键技术进行调查、统计、筛选和总结，得出关注度最高、词频最多的12个潜在关键技术，同时对各关键技术相应的关键优点和挑战进行分析、凝练和总结，详情见表1。表1 潜在关键技术调查

从表1中第二列相应技术对应的文章数量可以看出，空天地海一体化、人工智能和太赫兹通信三大技术将会大概率作为6G关键技术。在28篇调研文章中，涉及这三大技术的文章分别有27篇、26篇和26篇，推断这三大技术将主要推动6G发展方向。而可见光通信、动态智能频谱共享技术、传统物理层技术增强、区块链和能源管理技术的关注度也很高，在6G中将起到非常关键中间力量的作用。轨道角动量、新型化材料、量子通信和计算、分子通信关注度相对稍低，但在后期技术挑战突破和更大需求出现后，潜力巨大。

基于上述潜在关键技术，6G网络能力将得到极大的提升，从而为用户提供更加丰富的应用和业务。通过对未来的应用场景、网络性能指标和潜在关键技术之间的关联关系进行分析和总结，可以得到相互之间的映射关系（见图4）。可见，为了达到太比特级的峰值速率需求，需要有太赫兹通信、可见光通信、动态智能频谱共享技术、超大规模天线等关键技术的支持等。而太赫兹通信、超大规模天线、量子通信与计算、人工智能支撑着超低的时延需求等。

图4 6G网络潜在关键技术的考虑

3.1 新型频谱资源技术香农信息理论仍将是6G的重要设计基础，它揭示了增加系统容量的两种主要方法：增加系统带宽和提高频谱效率。太赫兹通信、可见光通信、频谱共享是增加6G频谱资源的重要技术。

（1）太赫兹通信。太赫兹频段（0.1 THz ~ 10 THz）高且目前不受监管，被认为是可实现超高速率通信的超宽频谱带，可减轻当前频谱稀缺性和容量限制。太赫兹的窄波束和短脉冲极大限制窃听可能，可实现安全通信和高精度定位。太赫兹波的强穿透性，使其在超高速无线通信和空间通信中具有广阔的应用前景。但太赫兹通信在高频硬件组件、信道建模及估计、定向组网等方面仍有技术难题需解决。

（2）可见光通信（Visible Light Communication，VLC）。VLC［30］在400 THz ~ 800 THz的频率范围内工作，是另一种有望实现 6G的技术，它使用类似发光体的LED产生的可见光来传输数据。VLC利用超高带宽来实现高速数据传输，并且广泛可用，兼具通信、照明、定位等功能，适合于室内热点等场景。但VLC也面临调制带宽限制、非线性补偿等挑战。

（3）动态智能频谱共享技术。现有系统专用频谱分配模式使得频谱资源被完全占用，利用率低。而动态智能频谱共享技术使得未授权用户可以在时间和地理维度上利用未被主用户充分利用的频谱，这将显著提高频谱效率。为了管理6G应用中的大规模连接，需要使用分布式且高效的干扰避免或缓解技术来增强系统性能，区块链和深度学习技术是动态智能频谱共享的有效方法。

3.2 高效无线接入技术3.2.1 传统物理层技术增强（1）新型编码调制。6G的编码调制技术需要对其太比特速率吞吐量、超大信道带宽、太赫兹高频段、超高的移动性和稳定性等复杂的通信应用场景传输特性进行有针对性的设计和优化。此外，AI技术通过学习、训练、搜索能找到适合当前系统传输环境的最佳的编码调制方式，为新型编码调制技术研究提供了一种不依赖传统理论的解决方案。

（2）超大规模天线。6G的超大规模多天线技术通过空分复用可以实现超高频谱效率，从而显著提高能源效率并减少延迟，有助于打破小区的界限，其超高空间分辨率将支撑高精度定位和环境感知的实现。超大规模多天线的应用需要突破天线本身的技术，目前大规模智能反射表面在大规模天线中的应用受到更多的关注。

3.2.2 轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）OAM多路复用技术通过利用一组正交电磁波的角动量在同一频道上多路复用多个数据流，可以实现更高的频谱效率和系统容量。OAM具有大量可以一起复用/解复用的正交OAM模式，从而为6G网络容量增强带来新途径。但当前OAM在无线通信中应用仍处于探索阶段，有一定研究难度。

3.3 创新基础性技术（1）区块链。区块链基于分布式账本技术，非集中式的防篡改和匿名性等固有功能使区块链成为各种应用的理想选择。它保证了6G网络实体整个通信过程中更强大的安全性。基于区块链的分布式控制机制可以在网络实体之间建立直接的通信链路，从而降低了管理成本。而基于区块链技术的频谱共享系统可以有效提高频谱效率。因此，区块链技术将是保障6G网络安全和隐私最有潜力的技术。

（2）新型化材料。尽管在过去的几十年中无线通信系统取得了巨大的成功，但传统的半导体材料的性能似乎已达到极限，并且迫切需要具有更好的高频和高温特性的材料进行超高速通信。诸如氮化镓、磷化铟、硅锗和石墨烯的新型材料已被用于设计下一代通信设备。而且流体材料被引入频率可重构天线的设计中，以提供更大的灵活性。超材料和超表面可以部署在无线电可控的无线环境中。软件控制的平面超材料可以通过对环境特性的确定性控制来减少干扰。

（3）能源管理。对AI处理的一致性计算需求和物联网设备的日益普及给通信设备的能源效率提出了重大挑战。考虑到6G网络预期的规模，有必要在设计系统时考虑到能源意识。一种选择是使用能量收集电路允许设备自供电，这对于实现离网运行、持久的物联网设备和传感器、很少使用的设备和设备较长的待机间隔至关重要。另外，共生无线电技术和智能能源管理技术提供了可能的解决方案。

3.4 新型通信技术（1）量子通信与计算。6G在各种应用场景中需满足更高的安全性要求。量子通信通过量子密钥可以提供强大的安全性。当窃听者想要在量子通信中进行观察、测量、复制时，量子状态将受到干扰，并且窃听行为可以很容易地被检测到。从理论上讲，量子通信可以实现绝对的安全性。此外，量子理论和AI的结合可以开发出更强大、更高效的AI算法，以满足6G的需求。但是，高速率数据传输和高要求的应用场景对6G中的无线计算提出了挑战。

（2）分子通信。在生物医学中，生物纳米物联网（Internet of Bio-Nano Things，IoBNT）可以使纳米设备（如纳米机器人、可植入芯片和生物传感器）和生物实体得以连接。分子通信是IoBNT的一种使能技术，该技术使用生化分子在纳米设备之间通信和传递信息。此外，IoBNT和人体区域网络的组合是短距离无线网络，由人体内部或身体上的可穿戴监控设备/传感器和传感设备组成，可为6G的电子健康医疗提供全面的解决方案。

4 结束语

无线数据几乎呈指数增长，各种智能设备的迅速普及、各种新型应用的出现及全球万物互联的需求为下一步向6G的无线演进奠定了基础。6G无线网络有望显著提高服务质量，实现未来的可持续发展。本文提出了6G愿景需求，并讨论了6G的应用场景和关键功能。随后，通过两个全新的特性来说明6G新颖的网络架构，包括地面和非地面网络的集成，由AI支持的真正智能连接。最后，通过分析国内外多家著名机构文章，确定12种潜在的关键技术，包括空天地海一体化、人工智能、太赫兹、可见光通信、轨道角动量、区块链技术等，勾勒出应用场景、性能需求和关键技术之间的相互关系。6G预商用网络将在2030年左右投入使用，支撑泛在智能移动社会的发展。

原文标题：技术与标准丨6G愿景需求、网络架构和关键技术展望

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责任编辑：haq