纵横多维 以人为本——6G通信网络展望

[

1 引言

第一代移动通信系统（1G，the first generation mobile communication system）解决了移动语音通信问题 （中心元素是“音”）成为移动通信系统从无到有的里程碑，并拉开了移动通信系统的演进序幕。伴随着数字技术的成熟，第二代移动通信系统（2G，the second generation mobile communication system）完成了从模拟体制向数字体制的全面过渡，短信（中心元素是“文”）成为杀手级应用。在日益丰富的业务需求驱动下，第三代移动通信系统（3G，the third generation mobile communication system）采用了全新的码分多址接入方式，完善了对移动多媒体业务的支持（中心元素可以说是“图”）。以多入多出（ MIMO ，multipleinput multiple-output）和正交频分多址接入（OFDM，orthogonal frequency division multiple access）为核心技术的第四代移动通信系统（4G，the fourth generation mobile communication system）不仅获取了频谱效率和支撑带宽能力的进一步提升，还成为了移动互联网的基础支撑，中心元素是视频服务（“视”）。在4G 获得巨大商业成功的同时，第五代移动通信系统（5G，the fifth generation mobile communication system）逐渐渗透到垂直行业，把支持的传统增强移动宽带业务（eMBB，enhance mobile broadband）场景延拓至海量机器类通信（mMTC，massive machine type of communication ）场景和超高可靠低时延通信（uRLLC，ultra reliable and low latency communica-tion）场景，中心元素是物联网的“物”。

然而，2030年及以后的市场需求里，新的应用会有更严格的要求（高可靠性，巨大容量，能效和低延迟）。这些要求可能会使采用传统技术的无线系统能力饱和。而6G将有助于填补这一空白。

具体而言，6G的新技术主要包括以下特点。

（1）颠覆性通信技术。尽管5G网络已经在非常高的频率（毫米波频带）上运行，6G网络仍然可以采用更高的频谱，太赫兹波和可见光波通信将得到应用。

（2）创新的网络架构。虽然5G网络已经努力达到更有效的网络设置，未来网络应用的异质性要求还是提出了更高的紧密协调的新架构要求。因此在不同的通信技术中，需要考虑网络设备的分解和虚拟化以及接入网和骨干网的集成。

（3）在网络中整合智能。我们期望6G网络中各个网元——无论是集中计算单元还是边缘的每个终端——都能集成智能计算能力。通过共享用户间或者运营商之间的信息，无监督的机器学习将通过预测促进实时网络决策。

因此，本文基于6G 业务需求框架提出新的通信中心元素——人。根据人的需求分析潜在场景，并在此基础上通过多个维度讨论一些新兴技术。这些技术在今天的网络中也许还不可用，但对未来6G系统发展会有所帮助。

2 潜在场景 以人为本

5G技术着重在以下诸方面取得合适的均衡：网络延迟、功耗、部署成本、硬件复杂性、吞吐量、端到端的可靠性和通信的适应性。与此形成对照的是，2030年及以后的市场需求将引入新的应用，有更严格的要求（高可靠性、巨大容量、高能效和低延迟）。所述需求虽然种类繁多，但可以概括为三类：覆盖人的环境（室内覆盖、智慧城市、深海深空等极端环境），增强人的感受（大规模高速通信、虚拟现实、全息传输等），提高人生质量（电子医疗、工业4.0和机器人、无人驾驶的机动性等）。从中不难看出，6G通信的中心元素是“人”。

2.1 覆盖人的环境

2.1.1 室内覆盖

80%的移动流量是在室内生成的，因此蜂窝网络的室内覆盖一直存在不少挑战。而在毫米波频谱中运行的5G无线信号，其覆盖能力受建筑物穿透损耗的影响尤为明显。通过毫微微蜂窝基站或分布式天线系统（DAS）进行5G密集化，一定程度上弥补了5G室内覆盖的缺陷，但为运营商带来了可扩展性、高部署等方面的问题，以及管理成本的上升。6G针对成本感知和高效的室内连接提出解决方案，可由终端用户自主部署并由网络运营商管理，例如通过超高容量无线中继与可见光谱室内通信相结合[1]。

2.1.2 智慧城市

6G将加速智能城市解决方案的采用，目标是改善生活质量、环境监测、交通控制和城市管理自动化[2]。 这些服务建立在低成本和低能耗传感器生成的数据基础之上，这些传感器可以有效地相互影响并与周围环境相互作用。

目前的蜂窝系统主要是为宽带应用而开发的，具有用于M2M业务的ad hoc配置。相反，6G将无缝地实现以用户为中心的机器到机器的通信，以经济有效的方式为智能城市提供本地支持。6G还将推动超长电池寿命与能量收集方法相结合，这是一直以来5G及其前身所面临的巨大挑战。

2.1.3 极端环境通信

今后，由5G系统开启的通信信息交互，无论是空间范围还是交互类型都将极大地扩展。物联设备的活动范围将会极大扩展通信接入的地理空间，包括布置于深地、深海或深空的无人探测器，中高空有人/无人飞行器，深入恶劣环境的自主机器人，以及远程遥控的智能机器设备等。

另外，随着宇航、深海探测等领域的科学技术快速发展，在一些极端自然环境下的生存能力提升，人类自身的活动空间也在快速扩展。例如，2030～2040 年，也许会有更多人有机会进入外太空，则卫星与地面、卫星之间及与航天器之间的通信需求会更普遍，将不仅仅局限于少数专业的科学探索领域的特殊通信需求。人类在地面的活动踪迹也将不断扩大，更多地出现在无人岛屿、极地、沙漠腹地等区域。上述通信场景构成十年后（2030年～）更为广泛的“随时随地”连接需求。

2.2 增强人的感受

2.2.1 大规模高速通信

移动设备的增长会超过网络能力的增强。例如，2021年的移动流量预计会增长到2016年的3倍[3]。本来已经压力巨大的5G网络预计很难保证所需的服务质量（QoS）。而且，在一个完全由数据驱动的社会里，对于用户而言，要求的是近乎即时的超高吞吐量连接，以及随时随地的完整服务，即使民用通信基础设施受到损害（例如，在自然灾害之后）。因此，6G技术应包括容量扩展提供高吞吐量和持续连接。

2.2.2 增强现实（AR）和虚拟现实（VR）

无线上的AR和VR将成为各种使用情况的关键应用，包括但不限于教育和培训、工作空间通信、游戏和娱乐。VR/AR应用将在提高沉浸质量，亚毫秒延迟和统一的体验质量方面面临前所未有的挑战。移动边缘，云和雾计算技术将为最终用户带来智能，支持高效的数据传播，同时满足网络的异构需求和回程/前传限制。6G将沿着这些方向发展。

2.2.3 全息传输

高精度的数字远程连接将在下一代网络基础设施中带来严峻的通信挑战。[4]的作者探索了3D全息显示及其数据传输要求：原始全息图、没有任何优化或压缩、带颜色、全视差和30 fps，以及挑战想象力的Tbit/s数量级的数据速率。在[4]中，根据系统参数计算出的最大带宽要求是614 Gbit/s，如系统性能进一步增强（如更大的3D重建对象尺寸、更大的视角、更多的颜色和视差效果等），每个对象帧的全息图有效像素数进一步增加，则带宽要求会更高。此外，延迟要求将达到亚毫秒级，并且需要数千个同步视角，远非4K/8K HD音频/视频所需的2个图块、VR/AR所需的12个图块。最后，为了完全实现身临其境的远程体验，所有5种人类感官都必将在未来的网络中进行数字化和传输，从而进一步提高整体目标数据速率需求。

2.3 提高人生质量

2.3.1 电子医疗

6G将彻底改变医疗保健行业，例如通过远程手术消除时间和空间障碍，并保证医疗工作流程的优化。除了高成本之外，阻碍当前通信技术在医疗保健中应用的主要限制是缺乏实时触觉反馈[5]。此外，由于毫米波通道固有的可变性和拥塞的增加，5G系统不太可能共同实现对电子医疗服务的QoS期望（即持续连接可用性，超低数据传输延迟，超高可靠性和移动性支持）。6G增强功能将通过移动边缘计算，虚拟化和人工智能等创新释放电子卫生保健应用的潜力。

2.3.2 工业4.0和机器人

6G将促进从5G开始的工业4.0革命，即通过网络物理系统（CPS）和物联网（IoT）服务进行制造的数字化转型。特别是，CPS将打破物理工厂维度和网络计算空间之间的界限，从而实现基于互联网的诊断、维护、操作和直接机器到机器（M2M）通信，提升成本效益和灵活性[6]。自动化在可靠和同步通信方面具有其自身的一系列要求[7]，6G将定位于通过新的半导体和集成电路（IC）创新来解决，例如开发太赫兹规模的电子封装。

2.3.3 无人驾驶的机动性

汽车行业正在迅速发展为全自动运输系统，提供更安全的旅行、改进的交通管理以及对信息娱乐应用的支持，市场估计大约为7万亿美元[8]。连接和自动驾驶车辆（CAV）的设计和部署仍然具有挑战性：乘客的安全性受到威胁，前所未有的通信可靠性水平和低端到端延迟（分别高于99.9999%和低于1毫秒）。此外，汽车将配备越来越多的传感器，对数据速率提出更高的要求（每小时数据数为TB）[9]。此外，飞行器（例如，无人机）在建筑、农业和即时响应等领域将得到广泛应用，市场潜力巨大。而成群的无人机，对扩展互联网的连接能力提出了要求。从这个角度来看，6G将通过硬件和软件的进步以及开创性的连接解决方案，为即将到来的无人驾驶时代铺平道路。

总之，上述三类要求可能会使采用传统技术的无线系统能力饱和，而6G将有助于填补这一空白。

3 通信技术 纵横多维

新一代移动网络的特征，通常在于一组新颖的通信技术，这些技术提供了前所未有的性能。相比现有的通信网络，6G的通信技术可以从下面3个维度来描述。

（1）资源利用技术。大规模多输入多输出（MIMO）和毫米波通信都是5G网络的关键推动因素。为了满足这些要求，预计6G网络将依赖于传统频谱（即6 GHz以下和毫米波），而且还依赖于尚未考虑用于蜂窝标准的频段，即太赫兹频段和可见光通信（VLC）。

（2）网络架构维度。太赫兹通信的密度和高接入数据速率将对底层传输网络产生约束，要求其提供比现今的回程网络更多的光纤接入点和更高的容量。 此外，各种可用的通信技术将增加网络的异构性，这都需要进行管理。因此网络架构技术也是6G考虑的维度之一。

（3）人工智能维度。6G通信技术和网络部署的复杂性可能会阻碍闭环形式的优化和手动优化。人工智能技术在蜂窝网络中的应用已经在5G领域进行了讨论。预计6G部署将更加密集（例如在接入点和用户数量方面），异构（例如在不同技术的集成方面），性能要求也会更严格。人工智能将在6G网规网优中发挥更突出的作用，其难度也会超越5G系统中的同类应用。

3.1 资源利用维度

6G中最突出的资源特征是太赫兹波和可见光波。

太赫兹波是指频谱在0.1～10 THz之间的电磁波，波长为30至3000微米，频谱介于微波与远红外光之间，低波段与毫米波相邻，高波段与红外光相邻，位于宏观电子学与微观光子学的过渡区域。太赫兹波作为一个介于微波与光波之间的全新频段尚未被完全开发。太赫兹通信具有频谱资源丰富、传输速率高等优势，是未来移动通信中极具优势的宽带无线接入（Tbit/s级通信）技术。为支持太赫兹通信，如下几方面需要进一步深入研究：（1）半导体技术，包括 RF、模拟基带和数字逻辑等；（2）低复杂度、低功耗的高速基带信号处理技术和集成电路设计方法，太赫兹高速通信基带平台；（3）调制解调，包括太赫兹直接调制、太赫兹混频调制和太赫兹光电调制等；（4）波形、信道编码；（5）同步机制，例如，高速高精度的捕获和跟踪机制、数百量级天线阵子的同步机制；（6）太赫兹空间和地面通信的信道测量与建模。上述几方面技术问题研究需要综合兼顾，以便在太赫兹通信的性能、复杂性和功耗之间取得平衡。

可见光通信通过在广泛采用的发光二极管（LED）光波上附加信息来补充RF通信。这些设备可以在不同的光强度之间快速切换，以调制可以传输到适当接收器的信号[1]。可见光通信的优点是，实验平台的成本较低，对VLC的研究比太赫兹通信更为成熟，以及已定义了VLC的标准（即IEEE 802.15.7）。然而，3GPP从未考虑过将VLC技术纳入蜂窝网络标准，其原因是VLC具有有限的覆盖范围，需要照明光源并遭受来自其他光源（例如太阳）的散粒噪声[1]，此外，它们需要通过RF补充上行链路。尽管如此，VLC可用于在室内场景中引入蜂窝覆盖，可以利用非常大的免许可频段，并且可以在不同房间之间以及相对便宜的硬件之间进行交叉干扰。

在利用资源方面，下列技术是6G考虑的重点。

（1）全自由度双工模式（Free Duplex）。即不再有FDD/TDD 区分，而是根据收发链路间业务需求完全灵活自适应的调度为灵活双工或全双工（Full Duplex）模式，彻底打破双工机制对收发链路之间频谱资源利用的限制。全自由度双工模式通过收发链路之间全自由度（时、频、空）灵活的频谱资源共享，将可以实现更加高效的频谱资源利用，达到提升吞吐量及降低传输时延的目的。

（2）新的信道估计技术。最近，带外估计已经提出了信号的到达方向可以优化波束管理方案。此外，利用压缩感知技术，也有可能利用减少数量的样本获得准确的信道估计结果。

（3）利用网络进行定位。6G网络将利用统一接口进行定位和通信，提供创新的用户服务。

3.2 网络架构维度

网络架构可以从以下几个方面考虑创新。

（1）无蜂窝架构、多种频率和通信技术的紧密集成。6G将打破当前的小区边界，UE作为一个整体连接到网络而不是单个小区。无小区网络程序将保证无缝移动性支持，不会因切换而产生开销，并且即使在诸如车载的移动性场景中也将提供QoS保证。此外，用户将能够在不同的异构链路之间无缝转换，而无需设备中的手动干预或配置，自动选择最佳可用通信技术。最后，根据具体使用情况，UE还可以同时使用不同的网络接口来，发挥它们的互补特性。

（2）三维网络。未来的6G异构架构预期可以提供三维（3D）覆盖，从而补充具有非地面平台（例如，无人机、气球和卫星）的地面基础设施。 此外，还可以快速部署这些网元，以保证无缝的服务连续性和可靠性。

（3）网络的碎片化和虚拟化。部署地面单元将只包含物理天线和可能的最低处理单位数量。此外，虚拟化将发展到极致。6G将虚拟化其组件，例如与MAC和PHY层有关的目前需要专用的硬件实现的部件。虚拟化将降低网络成本设备，使得大规模密集部署经济可行。

3.3 人工智能维度

数据驱动方法可以被视为网络供应商和运营商可以用来满足6G要求的工具。特别是，在6G网络中，将有以下两种人工智能运行机制。

（1）用于实时网络决策的无监督和强化学习技术。无监督和强化学习在网络中的应用仍处于起步阶段，但在复杂的6G网络环境中很有前途。6G网络产生的数据量巨大，因此为监督学习方法标记数据可能是不可行的。另一方面，无监督学习不需要标记，并且可以用于自主地构建复杂网络的表示以执行一般优化，超出监督方法的能力。此外，通过将无监督表示与强化学习方法相结合，可以使网络真正以自主方式运行。

（2）用户跨运营商之间的知识共享。频谱和基础设施共享已被证明在蜂窝网络中是有益的，以最大化多路复用能力。在自主和机器学习驱动的网络域中，运营商和用户也可能有兴趣共享特定网络部署或用例的学习表示，例如加速新市场中的网络配置，或更好地适应网络运营期间新的意外情况。

4 总结

本文创造性地提出了无线通信系统发展过程中心元素（音、文、图、视、物、人）的变化，重点阐述了6G以人为本的应用场景。此外，也从资源利用，网络架构和人工智能三个维度描述了6G相关技术。从场景和技术都可以看出，即使相关内容在5G已经部分存在或者已经针对5G提出规划，但是在6G丰富的用例下，需要从多个维度进行新的架构创新，才能满足“以人为本”的需求。