6G万网互联的场景和需求研究

［吕振华 朱晓洁 马金兰］

1 引言

回顾移动通信的发展历史，从最初的概念研究到网络真正全面应用大约需要十年的时间，也就是说，当一代移动网络进入商用阶段，下一代网络就逐步开始进入概念研究。随着5G标准的初步完善和商用部署的逐步推进，移动网络的发展全面跨入了一个新的时代，5G网络的成熟标志着移动通信网络发展逐步适应数字化社会，并在网络延迟、数据速率、移动性和连接数量方面都有长足的进步，但是，随着人类社会化、智能化的需求不断提升和增强，5G网络的瓶颈也开始显现，6G网络的研究也逐步提上了议事日程，相对5G网络来说，6G网络将比我们迄今所看到的任何东西更深入地渗透到社会和人们的生活中，它不仅仅通过技术手段提供了强大的通信连接能力和传送效率，而且还通过附加的数据收集、处理和无所不在的智能全面增强了用户的体验，未来十年6G网络的技术目标是：

（1）超高数据速率（高达1 Tbit/s）和超低延迟

（2）空天地海一体化的网络覆盖

（3）整个系统的可靠智能连接

2019年3月，第一届6G无线峰会于在芬兰举办，多个国家的研究机构、运营商、设备制造商参与的会议，目前，中国、欧盟、美、韩、日等多个国家都着手对6G进行战略布局，各国均表示将在2028年前后实现6G商用。

2 万网互联的研究进展

2018年7月，ITU-T第13研究组在日内瓦举行的会议上成立了网络2030技术焦点组(FG NET-2030)，旨在探索面向2030年及以后的新兴ICT业务网络需求以及IMT-2020(5G)系统的演进，包括新的媒体数据传输技术、新的网络服务和应用及其使能技术、新的网络架构及其演进。目前焦点组对网络2030提出了三方面的目标：超大容量（VLC）与极小距离通信（TIC）、超越“尽力而为”（BBE）的高精度通信（HPC）以及融合多类异构网络（ManyNets）也就是文中提出的支撑万网互联的网络。而目前，焦点组已经发布了“网络2030设计蓝图”2和“网络2030愿景与驱动力”3两份技术报告，提出了网络2030的驱动力、典型业务场景、关键网络能力要求及技术发展趋势。

ITU在最新的研究报告中明确指出：“万网互联（ManyNets）是异构网络基础设施的无缝共存，总体而言，网络不仅处于边缘，而且在技术、所有权和最终用户参与方面变得越来越丰富。网络很可能不会只有一个，而是有许多公共互联网连接而成。”

同时在ITU-R M.2083建议书“IMT愿景——2020年及以后IMT未来发展的框架和总体目标”中也提出了“下一代移动通信网应满足用户能随时随地访问服务”的需求，并针对上述需求，在卫星接入技术领域开展了一系列标准的研究，内容包括：卫星网络的功能和应用、卫星网络的典型应用场景、未来卫星网络的关键技术等多方面，为未来的空天地海一体化的网络覆盖奠定了基础。

3 万网互联的主要应用场景

如上所述，6G网络有望实现全球范围内的社会无缝无线连接，万网互联也因此成为6G需求的一个重要组成部分，智能手机推动了移动互联网的发展，推进4G网络的成功，5G则在个人应用层面和工业应用层面提出了人联网和物联网的概念，6G网络则能够通过有效的方式将二者有机结合具体体现在下面几个方面。

3.1 面向天地海一体化的智能网络互连

未来的6G网络将提供更加丰富的网络接入方式以完成更加广泛的业务连接，6G网络将包含多样化的接入网，如移动蜂窝、卫星通信、无人机通信、水声通信、可见光通信等多种接入方式。 从网络覆盖范围看，6G将构建跨地域、跨空域、跨海域的空—天—海—地一体化网络，实现真正意义上的全球无缝覆盖并提供无缝的接入服务。同时，通过智能化的引入，将网络和用户统一成一个整体，AI在赋能6G网络的同时，与用户的智能需求相结合，大幅度地提升用户体验。

3.2 面向智能汽车、智能制造的工业及产业互连

在道路和工业中，无处不在的网络智能车辆和机器人不仅需要超宽带移动网络具有卓越可靠性和超低延迟的无线特性，还需要网络提供人工智能（AI）、机器学习（ML）等能力。

（1）今天的自动驾驶概念车到2030年代实现大众化。除了汽车本身消耗大量数据，如：车辆传感器数据将实时上传到网络，高分辨率地图将被下载，汽车将直接链接到另一个；还能够提供全天候、超宽带的实时服务，如：8K/4K视频、AR/VR云游戏和3D全息视频等。

（2）网联机器人和自制系统将得到普遍的应用，移动机器人群体和各种垂直领域的无人机将大量使用在工业、社会的各个领域，如：生产、接待、救援、医院、物流等领域

3.3 面向个人和家庭网络的消费性互连

在未来的家庭网络中，智能手机而且平板电脑仍会存在，但是通过功能的扩展以及和其他设备的结合，将会带给我们更多的丰富便利的体验。

（1）人体数字孪生：未来可穿戴设备，例如耳塞、手环和嵌入式设备在我们的衣服中会变得很普遍，我们甚至可能会依赖新的大脑传感器驱动机器。我们将有多个可穿戴设备我们随身携带，他们之间将无缝地彼此衔接。卫生保健将发生重大变化，达到24/7监测健康和健康的重要参数通过众多可穿戴设备来生成。健康监控还将包括可进行通讯的体内设备及外部的可穿戴设备，并将数据传输到互联网。

（2）信息交互形式将进一步从AR/VR逐步演变成高保真扩展现实（XR）为主，甚至是全息通信的信息交互。目前我们使用的设备将完全具有上下文感知能力，并能够预测我们的需求。这种上下文意识相结合新的人机界面将使我们的互动物理和数字世界更多直观高效。触摸屏打字可能会过时。打手势或通过交谈与我们周边的任何设备互连将成为常态。

4 万网互联的终端类型变化

由于万网互联需求的不断深入，终端技术将不断发展，终端设备将逐步具有以下特征：

4.1 自组织

可以预见，终端设备的能力将逐步增强，可以等价到一个巨大的移动计算机工作站的计算能力和数据处理能力，并可能最终演变成设备网络或子网。举例来说，我们可以想象一个机器区域网络或一个机器人区域涉及连接多个部分的网络机器，例如控制器及其驱动器。

4.2 智能化

设备在6G时代的另一个标志将是更加智能，在设备人工智能技术的驱动下，未来的移动手机不仅是为个人使用而设计的，但也适用于智能网络。它有助于主动式6G网络管理和自动化网络配置，从而提高体验（QoE）和服务质量（QoS）网络服务。我们将拥有更加直观的界面，依靠终端设备的智能和自我学习完成相关的连接。如：通过打手势而不是打字来访问网络。未来，智能手机很可能会被无处不在的通过轻量级眼镜所替代，该眼镜将图像投射到前所未有的分辨率、帧速率和动态范围，此外，还通过语音、视线甚至意念感知等方式提供便利的人机交互，并通过耳机和触觉接口向其他人提供反馈。

4.3 低功耗

未来的6G终端设备的功率将非常低，可以依靠网络给设备供电。对于物联网设备则可能从低功率变为零能量物联网设备。众所周知的无源射频识别（RFID）标签，带有低成本有源rfid，通常支持传感器电池寿命为3到5年，但是通常限于很短的射程。而未来的应用则需要传感器设备有更大的范围和更长的操作时间，如：桥梁或隧道的施工检查，最好有无线传感器设备完全嵌入施工中没有人为干预的100年。潜力解决方案空间可能包括低功耗的混合通信、极低怠速电流、能量收集（可能来自通信网络），并且可以访问能量储存。

5 万网互联的接入网络构建

在6G网络的构建过程中，由于终端形态和能力演变，如何使其以持续和更具资源效率的方式接入网络对网络的接入技术提出了新的要求。正如上面所述，未来的接入网络采用先进的无线接入技术，能够无缝并且高效的覆盖我们可预见需求的各种区域，可以预见，未来的6G天地一体化网络可以分为多个层面：由卫星接入节点和卫星中继节点组成的宇宙光骨干网络、由空中热点和卫星接入节点组成的空中接入网络、由地面接入网关组成的通用陆地蜂窝移动网络和覆盖海域的接入网络；而涉及到的接入访问链路则需要根据需求动态采用光链路，毫米波链路和光毫米波混合链接。如图1所示。

图1 天地海一体化网络接入示意图

未来6G接入会涉及支持海量数据速率传送，太赫兹和超低频部署也将增加节点访问密度，因此，接入网络还需要具备数据的实时处理和回传能力，并具备灵活自主连接到其相邻节点和核心网络的能力。这也对接入网络的自主性配置提出了更高的要求。

考虑到未来的面向智能汽车和智能制造的工业及产业互连以及面向个人和家庭网络的消费性互连，则对接入网络与周边技术的深度结合提出了更高的要求，必要的支持技术包括：

（1）支持远端成像技术诸如全景、深度传感和高速摄像机等设备；

（2）支持生物传感器技术；

（3）支持专用处理器以完成计算机图形学、计算机视觉、机器学习和人工智能的融合；

（4）支持定位和感应技术，遥感和成像设备可以捕捉周围的物理环境，使虚拟世界的保真度不断提高。

6 万网互联对运营商网络能力的要求

从上面的阐述可以看到，万网互联对接入网络提出了新的要求，但接入网络的自组织、智能化也对运营商的骨干网络提出了更高的要求。主要涉及到以下几个方面：

6.1 自组织网络建立的支持

为了适应接入的多样性和智能型，未来的6G网络可能在边缘有多种类型的自组织接入网络，从静态的，隔离设备，到相互关联的本地交互设备，这种半自治6G子网络，需要核心网提供更灵活多样的连接方式，并确保网络的超高数据速率、极低延迟、可靠性和弹性伸缩资源分配；同时，通过优化的切片技术可以保证资源的灵活利用，每个切片可以加载不同的软件栈，用于不同的功能的处理，如：一个人可以在视频服务切片加载特定的视频优化微服务但在其他切片中不需要，类似的，低吞吐量的物联网切片可以允许在无连接访问时合并到其他基于传统访问的切片中。另外，我们灵活定义切片的功能放置，如：网关、中继设备、单元站点、边缘和区域云等不同的硬件平台，并通过编排来创建和管理高度专业化的切片。

6.2 编号和路由

现有的5G核心网是基于设备标识和用户标识的编号方式，未来的6G网中，由于互连设备的多样性和自组织接入网的存在，对网络的编号和路由提出了更灵活的要求，可以预见，未来的6G网络的编号可能根据网络层级的不同划分为多个层面，一个设备可能具有多种网络编号以适配在不同网络中的路由，如：设备可能具有全球唯一的身份编码，同时具备个子网内的属性编码及子网内的身份编码，这些编码可以是复用的，（如：子网身份编码为全球身份标识的一部分）也可以是独立的，其定义规则也不局限于现有的号码或地址形式，而是可以灵活定义并进行相互的转换。

6.3 安全和信任

未来6G网络连接的多样性，对网络的安全性也提出新的要求。以工业制造为例，未来，干扰也可以采取简单的延迟分组的形式只是偶尔产生干扰，但这将会严重影响依赖时间敏感的工业运营网络。6G网络需要考虑各种环境下的安全防护。

同时，子网的定义需要网络更改授权策略。它不仅仅由网络授权，还需要由子网络授权。子网络中的资产属于子网络，因此，授权和资产管理必须在信任边界内处理。网络将连接子网络，不同的子网络可能属于相互不信任的实体，这就要求在网络和子网络之间加以隔离。子网络作为一个独立的网络，授权并负责子网资产管理。

在6G网络中，用户数据安全和隐私也将是一个有待解决的问题。当物理世界以高精度在数字世界中完成镜像，实现真实和虚拟对象的结合时，用户将希望限制其他用户可以体验的和与之分享的内容。简而言之，用户必须能够以简单的方式设置他们希望共享，用户数据应自动确保其安全和隐私性。而分布式网络和区块链技术研究和应用也将为网路层面的安全和信任提供一种可能的解决方案。

7 结束语

文章对6G网络万网互联的应用场景、终端要求、接入网络的构建以及运营商的网络能力要求进行了分析，应该看到，万网互联研究尚处于起步探索阶段，相关应用场景需求还需要进一步研究和挖掘，而基于此的网络能力、网络组织、网络安全、终端能力等各个方面的技术和方案还在不断的发展和演进，未来的还有更多的需求和技术等待我们去探索。