6G愿景及潛在關鍵技術分析
http://m.sharifulalam.com 2022-10-18 10:39 來源：中國信息通信研究院
0 引言
面向2030年及未來，人類社會將進入智能化時代。社會服務均衡化、高端化，社會治理科學化、精準化，社會發展綠色化、節能化將成為未來社會的發展趨勢[1]。移動通信的代際躍遷不僅深刻變革了人們的生活方式，更將成為社會經濟數字化和信息化水平加速提升的新引擎。
當前，全球主要國家已啟動了面向新一代移動通信系統（6G）的研究，業界正在積極探索未來IMT系統的應用場景和主要性能指標，并開展潛在關鍵技術預研。國際電信聯盟無線電通信部門5D工作組（ITU-R WP5D）在2022年6月份第41次會議期間完成了《未來技術趨勢研究報告》[2]，并計劃將于2023年6月完成《未來IMT愿景需求建議書》[3]。
本文結合當前國內外研究進展，在6G總體愿景的基礎上，重點提出了未來6G典型應用場景和主要能力指標，并對業界重點關注的創新型潛在關鍵技術進行了分析。
1 6G總體愿景
面向2030年及未來，在社會宏觀發展進步、經濟高質量提升以及環境可持續發展等因素的共同驅動下，人類社會將進入智能化時代，全新的場景及應用需求將極大拓展移動通信網絡服務的能力邊界，6G將有效服務智能化生產與生活，助力構建智能普惠的人類社會。6G將與人工智能、大數據、云計算等新一代網絡信息技術加速融合；將充分利用低中高全頻譜資源，滿足不同場景及業務應用需求；將實現空天地一體化的全球無縫立體覆蓋，隨時隨地滿足安全可靠的“人機物”無限連接需求。6G將為沉浸式云XR、全息通信、感官互聯、智慧交互、通信感知、普惠智能、數字孿生、全域覆蓋、精密機器控制等5G網絡難以實現的全新業務應用提供能力支撐，助力實現真實環境中物理實體的數字化和智能化，并滲透至生產生活及社會治理的方方面面，實現世間萬物“萬物智聯、數字孿生”的總體愿景[1]。
2 6G的5個典型場景
增強型移動寬帶、超可靠和低延遲通信、大規模機器類型通信是5G的三大典型場景，預計面向2030年及以后的6G將在三大典型場景基礎上不斷擴展（見圖1）。6G不僅將提供以人為中心的沉浸式交互體驗和高效可靠的物聯網場景，服務范圍也將擴展至全球立體覆蓋。此外，6G還將超越傳統通信的能力邊界，擴展感知服務和智能化服務的新場景[4]。面向2030年及以后，6G的典型場景描述如下。
圖1 從5G到6G的典型場景演進
2.1 超級無線寬帶
超級無線寬帶將是5G增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）的演進和擴展，不僅將極大提升以人為中心的沉浸式通信體驗，也將在全球任意地點實現無縫覆蓋。超級無線寬帶場景將廣泛應用于生活、生產、工作、教育、娛樂等多個領域，提升人們的生活質量和社會效率。
以人為中心的通信（如沉浸式XR、通感互連、全息通信和遠程操控）以及以機器為中心的通信（如視頻監測控制和工業機器人觸覺反饋等）在熱點部署的場景下將對峰值速率、用戶體驗速率、系統容量提出更高的要求。同時，還需要時延的降低和穩定性的提升以獲得更好的用戶體驗。全域覆蓋意味著全時全地域的寬帶接入能力，在空天地一體化三維立體網絡中提供無縫切換、高移動性和高質量用戶體驗。此外，超級移動寬帶也需要提供更高的頻譜效率，在移動高清視頻直播、飛機、輪船或高鐵等高移動性場景下保證高質量的用戶體驗。
2.2 極其可靠通信
極其可靠通信將在5G低時延高可靠通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）的基礎上進一步增強能力。典型應用包括智能化工業領域的機器人協作、無人機群和各種人機實時交互操作，智能交通系統中的全功能自動駕駛，精準醫療中的個性化“數字人”及遠程醫療手術，以及智慧能源、智能家居領域的應用等。
除了要求更低的時延和更高的可靠性之外，也將新增抖動等確定性要求。此外，某些情景下還需要同時具備高速數據傳輸和超高精度定位的能力。
2.3 超大規模連接
超大規模連接將在5G大規模機器類型通信的基礎上，拓展新的應用領域和能力邊界。超大規模連接的對象將包括智慧城市、智慧生活、智慧交通、智慧農業和智能制造中部署的各類設備。典型應用有遠程抄表、環境監測、智能燈桿互連等。此外，未來數字孿生世界將通過部署大量傳感器實現，通過日常生活中的各類設備采集并傳送豐富信息，數字孿生城市將廣泛具備海量數據采集、高精度圖像構建、高清視頻監控的應用。
超大規模連接的場景特點是連網設備數量巨大，但多數可能僅產生零星散發的流量。與5G中僅支持大規模設備的低速率傳輸相比，6G超大規模連接設備的傳輸速率可能從低到高不等。數據包的傳遞頻次根據具體應用也存在較大差異，從一天一次到幾毫秒一次。不同采集能力的傳感器，其壽命也會存在較大差異。同時，這一場景在某些用例下也需要支持高精度定位、高可靠性和低時延能力。
2.4 普惠智能服務
普惠智能服務是6G的新增典型場景，通過網絡為需要進行高效分布式AI學習或推理的智能化服務提供集成化的通信和AI計算能力。它不僅將服務于特定應用，還將服務于未來整個通信系統，以提高網絡整體的性能和效率。在這個典型場景中，網絡中的大量智能體將聯合執行復雜的AI訓練和推理任務，從而充分利用移動邊緣（包括設備中）的智能算力，使社會各個角落享受到快捷和靈活的智能服務。此場景的典型應用包括數字孿生數據訓練和推理過程中的圖像識別、生成和預測，執行復雜任務的機器人協作，以及智能交互中人類和機器之間知識傳遞和技能模式積累。
普惠智能服務以提供AI學習和推理為目標，除了通信方面的大容量和低時延要求外，此場景還需要一組與AI計算性能直接相關的能力指標，如收斂時間、聯合通信和計算的能效、訓練效率和準確性、推理效率和準確性等。此外，實現原生可信的網絡安全和數據隱私保護也是此場景的重要條件。
2.5 通信感知融合
通信感知融合是6G新增典型場景。感知和通信的集成將提供成像、制圖和定位等超越傳統通信的能力，極大促進超高分辨率和精度的應用需求，如超高精度定位、高分辨率實時無線地圖構建、基于設備甚至無設備的被動目標定位、環境重建和監控、手勢和動作識別、產品缺陷監控、訪客識別等。此外，通信感知融合也將有助于提高通信的性能和效率，例如，通過考慮用戶移動軌跡和環境變化來優化無線資源利用率。通信感知融合可以廣泛應用于很多領域，為車聯網、智能工廠等提供更好的服務。
這一場景增加了新的性能維度要求，如（范圍、速度、角度）的感知分辨率和感知精度、檢測概率、高精度定位等，其要求因應用而異。對于定位和重建功能，需要超高精度和分辨率；對于成像功能，超高分辨率是關鍵；對于手勢和活動識別，檢測概率是首要因素。綜上所述，未來6G的5個典型場景及其特征性業務如圖2所示。
圖2 6G五大典型場景
3 主要能力指標
為了支撐并實現未來6G的五大場景，未來IMT系統的主要能力指標可以看作是在5G指標體系基礎上的進一步增強和擴充。6G能力既有傳統通信性能指標方面的提升，提供更高速率、更多連接、更低時延、更高精度、更廣覆蓋、更高可靠性，也有在傳統移動通信基礎能力之外新增添的感知和人工智能等新的能力維度，以支持通信感知融合和普惠智能這兩個新典型場景的應用需求?？紤]到我國ICT技術賦能減排，預計2040年6G網絡的能量效率相比2022年移動通信網絡需提升約20 倍[4]。在網絡建設維護成本和安全方面，也將有更高的要求。
6G的主要指標體系，可看作由可量化指標（如峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、連接數密度、區域流量密度、覆蓋范圍、移動性、時延和抖動、可靠性、能量效率、AI能力相關指標、感知/定位能力相關指標等）和非量化指標（如成本控制、可信度等）共同構成。
6G可量化指標的初步考慮以及與5個典型場景的對應關系如圖3所示。在非量化指標方面，信息技術的跨界融合和服務場景多樣化對網絡安全提出新的挑戰，需要從設計初始就構建一張能夠滿足安全泛在、持久隱私保護、智能韌性的可信網絡。此外，構建低成本的柔性、至簡、孿生自治網絡是6G網絡建設的目標[5]，6G研發的過程中需要考慮網絡的建設成本、運營成本和維護成本，把低成本也作為設計目標之一。
圖3 6G可量化指標取值范圍與典型場景的對應關系
4 6G主要關鍵技術舉例
為滿足面向2030年未來6G網絡性能需求，需要傳統無線空口技術的持續演進以及新技術維度的突破。從2022年6月ITU完成的未來技術趨勢研究[2]來看，目前業界重點關注的6G潛在使能技術主要包括人工智能與無線通信的融合、感知通信融合、新維度無線通信（智能超表面等）、太赫茲通信、無線網絡架構，以及傳統的無線空口技術的持續增強。本文選取了具有發展潛力的重點技術，舉例分析6G關鍵技術特征及未來探索方向。在這些關鍵技術能力的支持下，未來6G網絡能力將得到極大提升，支撐典型場景及業務體驗的實現。
4.1 人工智能與無線通信的融合
通信技術與人工智能技術的結合將成為未來網絡發展的重要趨勢，人工智能技術在建模與學習、信道預測、智能信號生成與處理、網絡狀態跟蹤與智能調度、網絡優化部署等諸多方面具有重要的應用潛力，催生未來通信范式的演變和網絡架構的變革。面向2030年及以后IMT系統的架構、協議和算法設計將深入挖掘并充分利用無線大數據的信息。同時，隨著移動通信基站、邊緣服務器和智能設備的廣泛部署，移動通信網絡將為數據收集、存儲、交換和計算提供強大的平臺，進一步支撐移動分布式和協作式的人工智能應用。
在空口技術方面，發送和接收端將直接通過神經網絡實現通信信號的處理和傳輸，物理層通信將被看作一個端到端的信號重構過程，聯合優化通信系統的發射機和接收機。智能空口技術有待進一步研究的方向包括：人工智能/機器學習在信號檢測、編解碼、波束選擇、天線配置方面的設計和應用，智能化信道估計，跨層協作的算法設計，基于人工智能的無線資源管理訓練和推理等。
在無線接入架構方面，人工智能原生網絡架構將支持網絡提供自動化和智能化服務，網絡可以根據特定要求/目標/命令或環境變化進行自動優化和調整。未來的無線接入網絡還將通過監控和跟蹤網絡狀況，以自動化的方式診斷和修復出現的問題，實現全生命周期的自主性管理。可能的研究方向涉及高層協議、網絡架構和網絡技術，例如：智能數據獲取和管理、用戶反饋引入網絡的決策過程、控制面和用戶面設計支持普適計算節點、分布式人工智能系統的中心控制、按需提供的能力、自適應解決方案等。
4.2 感知通信融合
在未來的通信系統中，更高的頻段（例如從毫米波到太赫茲）、更寬的帶寬、更密集的部署、更大的天線陣列，以及人工智能和通信節點之間的協作，都為在通信系統中集成無線感知能力提供了可能。感知通信一體化系統的設計理念，是讓無線感知和無線通信兩個功能在同一系統中實現且互惠互利。
在一體化設計中，技術發展可以分為通信和感知從松耦合到完全一體化的幾個不同階段[7]。作為起點，通信和感知系統共享頻譜和硬件等資源，在感知和通信模塊之間開發有效的調度和協調算法以最大限度地減少相互干擾是一個關鍵問題。隨著進一步的發展，通信和感知將協同工作以提高整體系統的性能。信號處理的集成，例如時域、頻域和空間域的處理技術，可以為感知和通信服務進行聯合設計。這一階段的潛在技術方向將包括基于聯合波形的空口設計、統一的波束賦形方案等，這對于提高一體化系統的效率至關重要。邁向成熟階段，通信和感知將在頻譜、硬件、信令、協議、組網等多個維度上協同優化，實現相互促進、互利共贏。進一步結合人工智能、網絡協同和多節點協同感知等技術，通信感知一體化系統將提升整體系統性能和成本、降低系統的尺寸和功耗。
未來的研究方向包括基礎理論、信道模型、一體化信號波形、數據處理算法、聯合定位和感知設計以提高定位和感知精度，以及感知輔助通信等[6]。
4.3 智能超表面
智能超表面（Reconfigurable Intelligence Surface，RIS）通過實時可編程的人工電磁表面來調整電磁波傳播中的相位、幅度、頻率和極化等信道參數，從而實現對無線環境的動態控制。RIS使無線環境從被動變為智能參與者，使得信道“可編程”。此外，還具有成本低、功耗低、易于部署的特點。RIS將挑戰基本的無線系統設計范式，可能影響無線系統架構、接入技術和網絡協議的發展。RIS的適用場景包括：實現NLOS場景下的全復用增益，支持熱點區域，提升小區容量；擴展網絡覆蓋，包括室外下行覆蓋和上行增強、室外到室內覆蓋、航空沿線覆蓋等；提高小區邊緣性能,并幫助減輕多小區同頻干擾。
未來需要研究的內容包括：信道模型；RIS 輔助通信系統的基本限制和潛在收益，以確定RIS相比傳統中繼和不可重構無源反射結構的優勢部署場景；無源波束賦行設計；由于缺少射頻傳輸鏈路，需要考慮新的信道估計方法；材料研究和硬件實現；RIS的實時控制協議和對整體網絡架構的影響等。
4.4 太赫茲通信技術
太赫茲波指位于100 GHz到10 THz頻率范圍內的電磁波，它同時具有微波和光波的通信特征。憑借豐富的頻率資源，太赫茲通信可以支持超高的通信速率，應用于全息通信、中短距無線接入和數據回傳/前傳等具有超高速率傳輸需求的場景，以及微尺寸通信等新型通信應用場景。此外，利用太赫茲通信信號的超大帶寬，高精度定位和高分辨率感知成像也是太赫茲通信的重要應用場景。
在IMT系統中應用太赫茲頻段存在一些眾所周知的挑戰，例如高頻段的高傳輸損耗。此外，太赫茲信號更容易受到不同類型障礙物（例如人、墻、車輛等）的影響。根據文獻[6]中的分析，發展太赫茲技術需要在以下方向進行深入研究。
?。?）超高速基帶信號處理：需要考慮低量化精度信號處理技術，探索新的信號處理體制架構、空口架構和算法、低性能部件的補償算法等。
?。?）超大規模陣列天線技術：發展小型化和陣列化的超大規模太赫茲MIMO。
?。?）信道測量和建模：傳播損耗模型、太赫茲電磁波物理傳播機理、太赫茲信道建模方法等。
（4）太赫茲關鍵電路/器件技術，以滿足低功耗、高效率、長壽命等商用需求。
4.5 無線網絡架構
隨著網絡規模的不斷擴大和復雜性的不斷提高，未來無線網絡將以強化功能、簡化架構、即插即用為設計目標，以基于服務和用戶為中心，提供滿足用戶特定要求的按需能力。網絡中的泛在AI將用于提升網絡性能、降低部署和運維成本、實現資源管理的智能決策和數字化轉型。
空天地一體化網絡也是未來通信網絡發展的重要趨勢，地面網絡與非地面網絡（如高軌衛星網絡、中低軌衛星網絡、高空平臺、無人機等）共同組成多維融合異構網絡，提供全域立體無縫覆蓋?？仗斓鼐W絡的實現需要構建包含統一空口協議和組網協議的服務化網絡架構，滿足不同部署場景和多樣化的業務需求。
網絡安全方面，6G網絡安全愿景將以AI為基礎，具備網絡主動免疫（可信任技術，為基礎設施提供主動防御）、信息虛擬共生（實現物理網絡與數字孿生網絡安全的統一與進化）、能力泛在協同（安全能力動態編排和按需部署，提升網絡韌性）、安全彈性自治（端、邊、網、云協同，準確感知安全態勢，處置安全風險）的四大特征[8]。
5 結束語
繼5G規模商用之后，世界主要國家和地區均已啟動6G研發布局，搶奪下一代移動通信發展主導權。目前，仍然處于6G的早期探索階段，業界正在熱烈探討6G愿景需求及關鍵技術，但尚未形成最終結論。本文詳細討論了未來6G的5個典型場景、預期具備的主要技術能力指標，以及支撐典型場景和能力指標實現需要重點考慮的關鍵技術方向，針對人工智能與無線通信的融合、感知通信融合、智能超表面、太赫茲通信技術、無線網絡架構等業界重點關注的創新型潛在技術進行了分析，并提出未來的研究方向供業界參考。
編輯精選
