无处不在的无线智能 6G的关键驱动与研究挑战

2019年9月，芬兰奥卢大学与70位世界顶尖通信专家共同发布了全球首份6G白皮书《无处不在的无线智能——6G的关键驱动与研究挑战》，对6G进行了系统阐述。在未来的6G时代，边缘计算将盛行，信任模型必须嵌入其中，隐私保护将成为关键的应用驱动要素。

从历史上看，移动通信大约每十年就会出现一次更新换代，通过引入新兴技术实现频谱效率和容量的提升，为新业务、新业态培育提供基础。5G新无线电（NR）的第一个版本已于2018年准备就绪，在诸多领域已展现出提高生产力的潜能，且有望成为引领许多领域长期发展、融合发展和自主应用的关键技术。与5G相比，6G会采用新技术、新模式，能满足并超越5G所需的通信要求，加速经济和社会的数字化。从之前移动通信技术更新换代的时间、路径来看，现在是研究6G通信需求、性能要求、系统和传输面临的挑战以及技术路线选择等核心问题的最佳时机。

第一届6G无线峰会于2019年3月在芬兰列维举行，来自29个国家的近300名与会者参加了会议，包括了主要基础设施制造商、运营商、监管机构和学术界的核心人员。该活动的6G愿景宣言抓住了6G的本质，即“无处不在的无线智能”。“无处不在”指服务与用户随时随地进行无缝对接;“无线”意味着无线连接是关键基础设施的一部分;“智能”意味着为人类和非人类用户提供情景感知的智能服务和应用程序。峰会结束后，组织者举办了研讨会并起草了第一份6G白皮书《无处不在的无线智能——6G的关键驱动与研究挑战》（以下简称“白皮书”），白皮书确定了与6G相关的主要驱动因素、研究要求、挑战和基本研究问题，并指出了6G的主要驱动力：可持续发展、社会、生产力和技术。此白皮书每年都会在年度6G无线峰会结束后进行更新。

2016年，联合国发布了2030年议程的17个可持续发展目标（SDG），有望推动政策并影响许多经济体的政府支出，从而创造出新的全球需求。到2030年，全球人口将增长到85亿，预计世界上将有43个人口超过1000万的特大城市，其中大多数位于发展中地区。城市化要求在整个社会范围内提供超高效、自动化、无时无刻、无处不在的信息与通信技术服务，从而提高生产率、减少碳排放、节省公共支出。

同时，未来城市地区开发的服务需要转变为满足偏远地区、贫困地区的需要，以便实现联合国的可持续发展目标。在6G时代，随着社会与信息通信技术的融合愈发紧密，将出现更多的数据安全问题，如何应对这一难题、做好风险防范将成为6G技术不容忽视的重点。

6G的社会和商业驱动力

5G能够为更多种类的设备和用户提供更快的数据传输速率，满足消费者预期的容量增长需求以及行业的生产力需求，随着5G的发展，物联网（IoT）等领域的重要性正在不断凸显。与5G相比，6G的定义不能仅仅考虑其商业价值，更需要全面的定义来满足社会对未来通信的要求，包括从通信技术角度确定未来社会面临的趋势、需求、挑战以及塑造未来世界形态的力量。在5G时代，移动网络运营商依然是网络部署的主导者，而6G时代可能会出现由更多市场参与者推动的超高效短距离连接解决方案，在传统移动网络运营之外产生新的生态系统，这也将使6G网络更具包容性。

（一）来自社会的驱动力将塑造6G。從1G到5G，社会和商业驱动因素对移动通信网络的影响愈发深刻，对于6G而言，政治、经济、社会、技术、法律和环境等都是重要的驱动因素。一方面，为了确保智能城市服务和城市化的红利得到充分共享且具有包容性，政策要着重关注城市贫困人口和其他弱势群体对生活保障的需求。另一方面，无处不在的系统化、自动化的小工具和传感器将对网络的可靠性和鲁棒性提出更高要求。预计6G“无处不在”的特性将大大扩张信息与通信技术涵盖的范围，释放更多社会经济价值和机会。与此同时，高效节能也是6G的关键性需求，在整个网络产品使用周期中对材料进行选择、使用、重复使用和回收利用，可以降低网络建设、使用的成本，有助于将网络连接扩展到更多偏远地区，以持续、高效、绿色的方式提供无线网络。此外，6G对人体健康的影响也是关注的重点，新型6G技术的引入需要启动科学审查，发现并确认需要开展的研究，以便填补健康风险评估上的理论空白。

（二）数据所有权和合同政策问题需要特别关注。数据访问和使用规则逐渐成为未来创造价值的重要要素，为此，对数据的限制也变成了一种管理手段。创建一个可以改变数据收集、优先级和共享方式的系统可以为更大程度地发挥数据价值提供保障，但也可能导致在数据存储和使用等方面产生严重的隐私及伦理问题。在通信生态系统中，不同参与者对数据的使用权利和义务已有界定，但在6G时代，一个重大挑战是如何将这些权利和义务映射到高度智能的系统或设备中，以便使用数据创建更多未来服务。

（三）6G将推动城市和室内空间的网络共享，“本地运营商”模式将得到推广。在6G时代，定位服务于超高效短距离传输的网络新频段将会开放，各个参与者将在新频段上以垂直行业为目标进行网络部署，以吸引新的参与者、投资者等共同打开市场。以往重叠的超密集网络将不再可行，不同的参与者在一个设施内只部署单个网络来满足多个用户组和服务的需求，参与者将借助软件化、网络功能的虚拟化以及接口的开放来共享网络连接层和数据层。在此背景下，频谱接入权、网络、网络资源、设施和客户的所有权变更将导致多种技术要求和技术架构组合，大大增加网络接入的复杂性。同时，频谱使用的全球协调也需要各方共同努力去推进解决。

长远来看，6G将比任何事物更深入地渗透到社会和人们的生活中，为避免过高的运营成本，6G相关软件都将运行在具有高度自动化水平的云端上，这也将促使责任部门改进监管系统。

6G应用场景和新设备

智能手机已成为我们生活中不可或缺的一部分，但随着新的显示技术、传感和成像设备以及低功耗专用处理器的飞速发展，硬件设备将进入一个新时代。该时代，设备将与感官和运动控制无缝结合在一起。虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）这些技术正在融合到交叉现实（XR）中，该技术包含可穿戴的显示装置以及产生并保持感知错觉的交互机制，提供了更多的可能。

（一）智能手机很有可能被XR眼镜所替代。未来，轻巧的XR眼镜能以其前所未有的分辨率、刷新率和动态范围将图像投射到眼睛上，并通过耳机和触觉界面把反馈提供给其他感官系统。要实现这一体验，必要的配套技术包括：（1）成像设备，例如光场、全景、深度感应和高速的相机;（2）用于监视使用者健康状况的生物传感器;（3）用于计算机图形、计算机视觉、传感器融合、机器学习和人工智能的专用处理器;（4）无线技术，包括定位和传感。

（二）新的技术将使远程呈现成为可能。随着高分辨率成像和传感设备、可穿戴显示装置、移动机器人和无人机、专用处理器以及下一代无线网络等辅助技术的发展，远程呈现最终将成为现实。人物模型可以通过实时捕获、传输和渲染会议中每个参与者的三维全息再现，或者通过图形组合表示（如化身）和传感器捕获的移动数据来实现。XR设备等可以创造感知上的错觉，使地理上分散的一群人相信他们出现在同一个位置。借助这些技术，人们甚至可以影响远程世界的变化，典型的应用包括远程教育、协同设计、远程医疗、远程办公、先进的三维模拟、培训以及国防等。

（三）自动驾驶汽车将成为可能。即使有了远程呈现，人员和货物的流动随着人口增长和全球化推进仍然是一个严峻挑战。畅想在2030年及以后的世界，将会有数百万辆联网的自动驾驶汽车，通过高度协同的系统使运输和物流更加高效。这些汽车包括在家庭、工作场所或学校之间移动的自动驾驶汽车，也包括送货的自动卡车或无人机，这对于提高生产效率、减少化石燃料消耗均具有重要意义。

在6G网络中，每辆车都将配备许多传感器，包括相机、激光扫描仪、可能用于三维成像的太赫兹宽带阵列成像设备、里程表和惯性测量单元。在算法上，自动驾驶必须快速融合多来源数据来决定如何控制车辆，并具有专用的交互界面以提醒乘客或监督员注意潜在风险。在网络上，无线网络除了具有低延迟和高带宽外，还必须有超高可靠性。

6G的物理层和无线系统

没有任何一种解决方案可以满足所有垂直应用程序的需求。大规模的宽带（eMBB），超可靠的低延迟通信（URLLC），大规模的机器类通信（mMTC）和极高的用电效率，意味着需要更多的解決方案。解决方案的增多需要逐案优化系统，并且必须重新定义不同应用之间的兼容性。当前的5G新无线电网络尚未能够满足所有苛刻设计需求。因此，我们认为未来物理层和无线系统除了地面网络以外，还需要基于卫星和无人机（或类似的空中平台）的基础设施来满足覆盖范围和能力的需求。此外，当越来越多的数据在微型设备中被存储和处理，能源和电力消耗的问题将会变得越发突出。

（一）人工智能将在6G的链路层和系统层解决方案中发挥重要作用。6G要满足所有已确定的性能要求，就需要具有可配置无线电的超灵活网络。人工智能和机器学习将与无线感测和定位结合，学习了解无线环境的静态和动态构成，用于预测高频下的链路丢失、主动确定密集城市网络中的最佳切换点并确定基站，以及为基站和用户确定最佳的无线资源分配等。

目前来看，开发新的空口需要广泛应用机器学习和人工智能算法，以便改善空中接口的时变性能，语义识别方案可能是重要的解决方向。值得注意的是，在给定环境和特定的需求下，人工智能是否可以被用来做这些设计，其真实使用效果仍值得研究。

（二）新的无授权访问方式对大规模机器类通信至关重要。6G要扩展5G的性能，就必须灵活地开展大规模的机器类通信用例，在实现高频谱使用的同时，还需要支持大量低功耗和低复杂度的设备。因为设备偶尔会生成短数据包，并且资源分配时的消耗可能超过实际的信息交换量，因此物联网对上述指标的要求更加苛刻。为解决这些问题，基于适当协议设计并依靠连续干扰抵消的现代随机访问协议可能会发挥作用，这些标准已经在某些卫星标准中被采用，且被证明可以达到预定的访问性能要求，同时真正实现了无授权访问。此外，现代随机访问协议可以利用物理层和MAC层的联合设计来提高数据吞吐量，这些对于短距离连接解决方案可能是有用的。

（三）信号成形是一种实现高频谱使用效率的方法。为了增强比特率的性能，需要使用非常高阶的星座调制。然而，这些高阶星座调制对传输介质中的非线性非常敏感，用于正交幅度调制3（QAM）的信号成形可能可以克服其中一些困难。信号成形方式有两种：几何成形和概率成形，不论是基于几何成形还是概率成形的正交幅度调制，都有望在光学和太赫兹无线通信系统中实现创纪录的高比特/秒/赫兹/极化。

（四）强大的模拟调制方案对6G至关重要。事实证明，正交频分复用（OFDM）对于宽带连接非常有效。早前，也有人提出了在60GHz下具有大于500兆Hz带宽、超宽带（UWB）系统的多频带正交频复用版本。当传输带宽达到极限，如在数百GHz频段上达到几GHz甚至几十GHz带宽使用率时，传统的收发器设计就会开始出错，并且多载波调制也无法正常工作。因此，6G需要更强大的模拟调制方案。

（五）多种方案可在物理层实现6G的安全保护。未来的光无线通信可能依赖于量子密钥分发（QKD）方案，通过量子力学而不是计算的方法在两个用户之间分发密钥，从而为部分6G应用提供所需的超安全网络。此外，通过使用物理层签名（例如射频指纹）和某些其他技术，如利用MIMO（多输入多输出）传输系数的随机化、编码等进行身份验证的方式可能会在6G中得到应用。

（六）使用射频功率进行连接和计算的反向散射通信可以实现超低功率通信。6G对能效比要求极高，这就需要通过以节能的方式进行编码、调制、发送和接收处理，以实现发射能量和所需处理能量之间的平衡。此外，终端、低功耗物联网节点对节能的要求更高。在设计的过程中，节能的大多数问题可以通过适当的射频和基带硬件设计来实现，但是在低功耗编码、调制和物理层（非正交频分复用）等层面需要更多解决方法。使用射频功率进行连接和计算的反向散射通信可能是实现超低功率通信的有效方法，反向散射通信可以从环境和射频波形中获取能量，这样能够让物联网节点的寿命延长。

（七）6G无线网络或许能自主搭建无线环境。在电磁可调表面（如基于特异材料）革命的推动下，6G将控制来自大型智能表面7（LIS）的信号反射和折射。开放研究的问题涉及从无源反射器和超材料涂层智慧表面的优化部署到可重构大型智能表面的AI驱动操作。为了解大型智能表面和智慧表面在速率、延迟、可靠性和覆盖率方面的性能，需要对其进行基础分析。另一个重要的研究方向是环境AI，智能表面可以通过学习实现自主地重新配置其材料参数，现有挑战包括如何在大型超材料表面上聚焦具有不同入射角的信号，这就需要反射/折射系数的可控性。在移动环境中，由机器学习驱动的智能曲面可能需要连续的再训练，这就需要访问足够的训练数据、高计算能力和有保证的低训练收敛性。

通过使用大型智能表面和类似结构，6G可使全息成像成为可能，全息图像射频通过合成空间光谱全息技术和空间波场来控制整个物理空间和电磁场的完整闭环。这将大大提高频谱效率和网络容量，并有助于集成成像和无线通信。

6G的网络需求

（一）6G需要嵌入信任模型。到2030年，数字世界和现实世界将深度交织，人们的生活将依赖于网络的可靠运行，如果网络出现故障，重要的工业价值将会丧失。在网络物理世界中，有形资产可能会因数字攻击而被窃取、灭失或受到损害，恶意网络活动可能导致财产和生命的损失。

为了解决这个问题，信任模型应当嵌入到网络当中，以提高用户对网络通信的信任度。对于安全、信任和服务来说，网络应提供嵌入的分布式拒绝服务（DDoS）来实现缓解和保护功能，以使其免受其他人的攻击。

（二）6G采用身份与位置分离的方案，主要依靠设备的私有地址。从保障安全上看，将信任关系嵌入网络需要为设备和节点配备一个更稳定的ID，而不仅仅是可转换或动态的地址。每个设备至少应具有一个唯一的名称或多个可由网络随时转换为地址的名称，并且可以将这些名称转换为地址以及根据需要转换回ID，在设备连接后，设备应能够控制其自身的可达性。这种寻址原则的结果是端到端通信“层”与用户的数据包转发是分开的，如同软件定义的OpenFlow网络一样，该网络可以使用多种转发协议，例如IPv4、IPv6、以太网和多种隧道协议等。

（三）6G的隐私保护将是一个关键推动因素。未来，物联网、工业物联网等将产生大量前所未有的私人信息。互联网公司已经证明了私人信息具备使用价值，从现实世界中收集私人信息可能非常敏感，诸多场景私人信息的使用或多或少涉及侵犯私人利益。对于6G而言，要为社会所接受，对私人信息的保护是一个关键推动因素。

（四）6G需要进行网络模式升级。5G采用了网络切片（Networkslicing）方案，为用户直接定制网络资源、容量和功能，通过链接和计算机资源分配以及虚拟网络功能在每个切片中控制和处理流量。网络切片可以为用户提供最好的服务，也可以应用一些服务质量模式来处理数据包。

在6G中，5G范式将得到细化和扩展。一种可能性是虚拟化（关键）设备之间通过移动网络到分组数据网络并直达云端，实现端到端连接。在6G范式下，网络可以通过多种技术手段（智能流量管理、边缘计算、用户主动或流量编排设置等）来最大化用户体验，如通过将用户或运营商设置为一组订阅用户，每個订阅用户在该组中统一进行网络分配。在某种意义上说，网络是中立的，它平等地对待一个切片中的所有应用程序，并且平等对待具有相同订阅类型的所有用户。

在6G时代，网络中立性法规可能会更新，并会强制移动网络运营商向用户提供可在其控制之下的增值安全服务，在这样的规定下，运营商可以向无法保障自己设备安全性的用户收取合理、可接受的费用。与此同时，网络应为服务和应用程序的竞争提供公平的基础，以最大限度增加最终用户的选择权。

6G研究还需要研究私有网络和公共网络之间的责任划分，短程连接解决方案与大覆盖蜂窝系统的无缝集成将会变得更加普遍，并需在开发和标准化方面提供更多的支持。

（五）人工智能和区块链可能在6G网络中扮演重要角色。在6G时代，机器学习和人工智能越来越重要，依赖于挖掘大数据来训练学习，不断增强应对更高传输速率的计算能力，同时通过不断学习获得更多的灵活性。

区块链是另一个备受期待的新技术，该技术在没有中枢机构的情况下，以分布式方式存储和共享不常更改的信息，但变更的完整记录也会被保存。这可能会导致数据市场组织方式的变更，也可能有助于运营商在相互设置网络架构时保持相互信任。