6G愿景及潛在關(guān)鍵技術(shù)分析

6G愿景及潛在關(guān)鍵技術(shù)分析摘要繼5G規(guī)模商用之后,世界主要國家和地區(qū)均已啟動6G研發(fā)布局,搶奪下一代移動通信發(fā)展主導(dǎo)權(quán)。目前業(yè)界正在熱烈探討6G愿景需求及關(guān)鍵技術(shù),但尚未形成最終結(jié)論。闡述了未來6G可能提供的五大典型場景、預(yù)期具備的主要技術(shù)能力指標(biāo),以及支撐典型場景和能力指標(biāo)實現(xiàn)需要重點考慮的關(guān)鍵技術(shù)方向。重點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(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等業(yè)界重點關(guān)注的創(chuàng)新型潛在技術(shù)進行了分析,提出未來的研究方向供業(yè)界參考。關(guān)鍵詞：

6G;

典型場景;

主要技術(shù)指標(biāo);

人工智能與無線通信的融合;

感知通信融合;

智能超表面等;

太赫茲通信;

無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(wù)均衡化、高端化,社會治理科學(xué)化、精準(zhǔn)化,社會發(fā)展綠色化、節(jié)能化將成為未來社會的發(fā)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(jīng)濟數(shù)字化和信息化水平加速提升的新引擎。當(dāng)前,全球主要國家已啟動了面向新一代移動通信系統(tǒng)(6G)的研究,業(yè)界正在積極探索未來IMT系統(tǒng)的應(yīng)用場景和主要性能指標(biāo),并開展?jié)撛陉P(guān)鍵技術(shù)預(yù)研。國際電信聯(lián)盟無線電通信部門5D工作組(ITU-RWP5D)在2022年6月份第41次會議期間完成了《未來技術(shù)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(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外研究進展,在6G總體愿景的基礎(chǔ)上,重點提出了未來6G典型應(yīng)用場景和主要能力指標(biāo),并對業(yè)界重點關(guān)注的創(chuàng)新型潛在關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。16G總體愿景面向2030年及未來,在社會宏觀發(fā)展進步、經(jīng)濟高質(zhì)量提升以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等因素的共同驅(qū)動下,人類社會將進入智能化時代,全新的場景及應(yīng)用需求將極大拓展移動通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的能力邊界,6G將有效服務(wù)智能化生產(chǎn)與生活,助力構(gòu)建智能普惠的人類社會。6G將與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)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(yè)務(wù)應(yīng)用需求;將實現(xiàn)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(lián)、智慧交互、通信感知、普惠智能、數(shù)字孿生、全域覆蓋、精密機器控制等5G網(wǎng)絡(luò)難以實現(xiàn)的全新業(yè)務(wù)應(yīng)用提供能力支撐,助力實現(xiàn)真實環(huán)境中物理實體的數(shù)字化和智能化,并滲透至生產(chǎn)生活及社會治理的方方面面,實現(xiàn)世間萬物“萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生”的總體愿景[1]。26G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(guī)模機器類型通信是5G的三大典型場景,預(yù)計面向2030年及以后的6G將在三大典型場景基礎(chǔ)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(lián)網(wǎng)場景,服務(wù)范圍也將擴展至全球立體覆蓋。此外,6G還將超越傳統(tǒng)通信的能力邊界,擴展感知服務(wù)和智能化服務(wù)的新場景[4]。圖1圖1

從5G到6G的典型場景演進面向2030年及以后,6G的典型場景描述如下。2.1超級無線寬帶超級無線寬帶將是5G增強型移動寬帶(EnhancedMobileBroadband,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(xiàn)無縫覆蓋。超級無線寬帶場景將廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、工作、教育、娛樂等多個領(lǐng)域,提升人們的生活質(zhì)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(yuǎn)程操控)以及以機器為中心的通信(如視頻監(jiān)測控制和工業(yè)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(tǒng)容量提出更高的要求。同時,還需要時延的降低和穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)中提供無縫切換、高移動性和高質(zhì)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(zhì)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-ReliableandLowLatencyCommunications,URLLC)的基礎(chǔ)上進一步增強能力。典型應(yīng)用包括智能化工業(yè)領(lǐng)域的機器人協(xié)作、無人機群和各種人機實時交互操作,智能交通系統(tǒng)中的全功能自動駕駛,精準(zhǔn)醫(yī)療中的個性化“數(shù)字人”及遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù),以及智慧能源、智能家居領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸和超高精度定位的能力。2.3超大規(guī)模連接超大規(guī)模連接將在5G大規(guī)模機器類型通信的基礎(chǔ)上,拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域和能力邊界。超大規(guī)模連接的對象將包括智慧城市、智慧生活、智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)和智能制造中部署的各類設(shè)備。典型應(yīng)用有遠(yuǎn)程抄表、環(huán)境監(jiān)測、智能燈桿互連等。此外,未來數(shù)字孿生世界將通過部署大量傳感器實現(xiàn),通過日常生活中的各類設(shè)備采集并傳送豐富信息,數(shù)字孿生城市將廣泛具備海量數(shù)據(jù)采集、高精度圖像構(gòu)建、高清視頻監(jiān)控的應(yīng)用。超大規(guī)模連接的場景特點是連網(wǎng)設(shè)備數(shù)量巨大,但多數(shù)可能僅產(chǎn)生零星散發(fā)的流量。與5G中僅支持大規(guī)模設(shè)備的低速率傳輸相比,6G超大規(guī)模連接設(shè)備的傳輸速率可能從低到高不等。數(shù)據(jù)包的傳遞頻次根據(jù)具體應(yīng)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(wù)普惠智能服務(wù)是6G的新增典型場景,通過網(wǎng)絡(luò)為需要進行高效分布式AI學(xué)習(xí)或推理的智能化服務(wù)提供集成化的通信和AI計算能力。它不僅將服務(wù)于特定應(yīng)用,還將服務(wù)于未來整個通信系統(tǒng),以提高網(wǎng)絡(luò)整體的性能和效率。在這個典型場景中,網(wǎng)絡(luò)中的大量智能體將聯(lián)合執(zhí)行復(fù)雜的AI訓(xùn)練和推理任務(wù),從而充分利用移動邊緣(包括設(shè)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(wù)。此場景的典型應(yīng)用包括數(shù)字孿生數(shù)據(jù)訓(xùn)練和推理過程中的圖像識別、生成和預(yù)測,執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的機器人協(xié)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(wù)以提供AI學(xué)習(xí)和推理為目標(biāo),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(guān)的能力指標(biāo),如收斂時間、聯(lián)合通信和計算的能效、訓(xùn)練效率和準(zhǔn)確性、推理效率和準(zhǔn)確性等。此外,實現(xiàn)原生可信的網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)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(tǒng)通信的能力,極大促進超高分辨率和精度的應(yīng)用需求,如超高精度定位、高分辨率實時無線地圖構(gòu)建、基于設(shè)備甚至無設(shè)備的被動目標(biāo)定位、環(huán)境重建和監(jiān)控、手勢和動作識別、產(chǎn)品缺陷監(jiān)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(huán)境變化來優(yōu)化無線資源利用率。通信感知融合可以廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域,為車聯(lián)網(wǎng)、智能工廠等提供更好的服務(wù)。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(yīng)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(guān)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(yè)務(wù)如圖2所示。圖2圖2

6G五大典型場景

3主要能力指標(biāo)為了支撐并實現(xiàn)未來6G的五大場景,未來IMT系統(tǒng)的主要能力指標(biāo)可以看作是在5G指標(biāo)體系基礎(chǔ)上的進一步增強和擴充。6G能力既有傳統(tǒng)通信性能指標(biāo)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(tǒng)移動通信基礎(chǔ)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(yīng)用需求。考慮到我國ICT技術(shù)賦能減排,預(yù)計2040年6G網(wǎng)絡(luò)的能量效率相比2022年移動通信網(wǎng)絡(luò)需提升約20倍[4]。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)維護成本和安全方面,也將有更高的要求。6G的主要指標(biāo)體系,可看作由可量化指標(biāo)(如峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、連接數(shù)密度、區(qū)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(guān)指標(biāo)、感知/定位能力相關(guān)指標(biāo)等),和非量化指標(biāo)(如成本控制、可信度等)共同構(gòu)成。6G可量化指標(biāo)的初步考慮以及與5個典型場景的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。圖3圖3

6G可量化指標(biāo)取值范圍與典型場景的對應(yīng)關(guān)系在非量化指標(biāo)方面,信息技術(shù)的跨界融合和服務(wù)場景多樣化對網(wǎng)絡(luò)安全提出新的挑戰(zhàn),需要從設(shè)計初始就構(gòu)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(wǎng)絡(luò)。此外,構(gòu)建低成本的柔性、至簡、孿生自治網(wǎng)絡(luò)是6G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的目標(biāo)[5],6G研發(fā)的過程中需要考慮網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本、運營成本和維護成本,把低成本也作為設(shè)計目標(biāo)之一。46G主要關(guān)鍵技術(shù)舉例為滿足面向2030年未來6G網(wǎng)絡(luò)性能需求,需要傳統(tǒng)無線空口技術(shù)的持續(xù)演進以及新技術(shù)維度的突破。從2022年6月ITU完成的未來技術(shù)趨勢研究[2]來看,目前業(yè)界重點關(guān)注的6G潛在使能技術(shù)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu),以及傳統(tǒng)的無線空口技術(shù)的持續(xù)增強。本文選取了具有發(fā)展?jié)摿Φ闹攸c技術(shù),舉例分析6G關(guān)鍵技術(shù)特征及未來探索方向。在這些關(guān)鍵技術(shù)能力的支持下,未來6G網(wǎng)絡(luò)能力將得到極大提升,支撐典型場景及業(yè)務(wù)體驗的實現(xiàn)。4.1人工智能與無線通信的融合通信技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合將成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢,人工智能技術(shù)在建模與學(xué)習(xí)、信道預(yù)測、智能信號生成與處理、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)跟蹤與智能調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署等諸多方面具有重要的應(yīng)用潛力,催生未來通信范式的演變和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革。面向2030年及以后IMT系統(tǒng)的架構(gòu)、協(xié)議和算法設(shè)計將深入挖掘并充分利用無線大數(shù)據(jù)的信息。同時,隨著移動通信基站、邊緣服務(wù)器和智能設(shè)備的廣泛部署,移動通信網(wǎng)絡(luò)將為數(shù)據(jù)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(xié)作式的人工智能應(yīng)用。在空口技術(shù)方面,發(fā)送和接收端將直接通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)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(gòu)過程,聯(lián)合優(yōu)化通信系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機。智能空口技術(shù)有待進一步研究的方向包括:人工智能/機器學(xué)習(xí)在信號檢測、編解碼、波束選擇、天線配置方面的設(shè)計和應(yīng)用,智能化信道估計,跨層協(xié)作的算法設(shè)計,基于人工智能的無線資源管理訓(xùn)練和推理等。在無線接入架構(gòu)方面,人工智能原生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將支持網(wǎng)絡(luò)提供自動化和智能化服務(wù),網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)特定要求/目標(biāo)/命令或環(huán)境變化進行自動優(yōu)化和調(diào)整。未來的無線接入網(wǎng)絡(luò)還將通過監(jiān)控和跟蹤網(wǎng)絡(luò)狀況,以自動化的方式診斷和修復(fù)出現(xiàn)的問題,實現(xiàn)全生命周期的自主性管理?？赡艿难芯糠较蛏婕案邔訁f(xié)議、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),例如:智能數(shù)據(jù)獲取和管理、用戶反饋引入網(wǎng)絡(luò)的決策過程、控制面和用戶面設(shè)計支持普適計算節(jié)點、分布式人工智能系統(tǒng)的中心控制、按需提供的能力、自適應(yīng)解決方案等。4.2感知通信融合在未來的通信系統(tǒng)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(jié)點之間的協(xié)作,都為在通信系統(tǒng)中集成無線感知能力提供了可能。感知通信一體化系統(tǒng)的設(shè)計理念,是讓無線感知和無線通信兩個功能在同一系統(tǒng)中實現(xiàn)且互惠互利。在一體化設(shè)計中,技術(shù)發(fā)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(tǒng)共享頻譜和硬件等資源,在感知和通信模塊之間開發(fā)有效的調(diào)度和協(xié)調(diào)算法以最大限度地減少相互干擾是一個關(guān)鍵問題。隨著進一步的發(fā)展,通信和感知將協(xié)同工作以提高整體系統(tǒng)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(shù),可以為感知和通信服務(wù)進行聯(lián)合設(shè)計。這一階段的潛在技術(shù)方向?qū)ɑ诼?lián)合波形的空口設(shè)計、統(tǒng)一的波束賦形方案等,這對于提高一體化系統(tǒng)的效率至關(guān)重要。邁向成熟階段,通信和感知將在頻譜、硬件、信令、協(xié)議、組網(wǎng)等多個維度上協(xié)同優(yōu)化,實現(xiàn)相互促進、互利共贏。進一步結(jié)合人工智能、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和多節(jié)點協(xié)同感知等技術(shù),通信感知一體化系統(tǒng)將提升整體系統(tǒng)性能和成本、降低系統(tǒng)的尺寸和功耗。未來的研究方向包括基礎(chǔ)理論、信道模型、一體化信號波形、數(shù)據(jù)處理算法、聯(lián)合定位和感知設(shè)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(ReconfigurableIntelligenceSurface,RIS)通過實時可編程的人工電磁表面來調(diào)整電磁波傳播中的相位、幅度、頻率和極化等信道參數(shù),從而實現(xiàn)對無線環(huán)境的動態(tài)控制。RIS使無線環(huán)境從被動變?yōu)橹悄軈⑴c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(zhàn)基本的無線系統(tǒng)設(shè)計范式,可能影響無線系統(tǒng)架構(gòu)、接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展。RIS的適用場景包括:實現(xiàn)NLOS場景下的全復(fù)用增益,支持熱點區(qū)域,提升小區(qū)容量;擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋,包括室外下行覆蓋和上行增強、室外到室內(nèi)覆蓋、航空沿線覆蓋等;提高小區(qū)邊緣性能,并幫助減輕多小區(qū)同頻干擾。未來需要研究的內(nèi)容包括:信道模型;RIS輔助通信系統(tǒng)的基本限制和潛在收益,以確定RIS相比傳統(tǒng)中繼和不可重構(gòu)無源反射結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢部署場景;無源波束賦行設(shè)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(xiàn);RIS的實時控制協(xié)議和對整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響等。4.4太赫茲通信技術(shù)太赫茲波指位于100GHz到10THz頻率范圍內(nèi)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(yīng)用于全息通信、中短距無線接入和數(shù)據(jù)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(yīng)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(yīng)用場景。在IMT系統(tǒng)中應(yīng)用太赫茲頻段存在一些眾所周知的挑戰(zhàn),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(jù)文獻(xiàn)[6]中的分析,發(fā)展太赫茲技術(shù)需要在以下方向進行深入研究。(1)超高速基帶信號處理:需要考慮低量化精度信號處理技術(shù),探索新的信號處理體制架構(gòu)、空口架構(gòu)和算法、低性能部件的補償算法等。(2)超大規(guī)模陣列天線技術(shù):發(fā)展小型化和陣列化的超大規(guī)模太赫茲MIMO。(3)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(guān)鍵電路/器件技術(shù),以滿足低功耗、高效率