6G无线接入关键技术

翟立君，王妮炜，潘沭铭，王宣宣

(中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

自20世纪80年代起，移动通信按照10年左右发展一代的速度完成了从1G到4G的演进，2019年起世界各主要国家已陆续开始5G大规模商用部署。根据全球移动通信系统协会(Groupe Speciale Mobile Association, GSMA)官网预测，2025年5G总连接数将达到18亿，其中亚洲地区渗透率将达到50%，北美和欧洲则将分别达到48%和34%[1]。然而，由于5G还难以满足人们生产生活中对未来网络在全地形全时泛在覆盖、精确时间和相位同步、亚米级定位精度和毫秒级定位速度、面向虚拟现实及全息影像的Tbit/s服务速率、确定服务质量以及智能化服务与决策支持等方面的需求[2]，全球兴起了研究6G移动通信技术的热潮。本文首先介绍了国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)、第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)、电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)等组织以及世界各国目前在6G领域开展的工作，阐述了6G愿景和主要性能指标体系，然后针对无线接入这一核心技术环节，介绍了6G阶段新型波形技术、多址接入技术、新型编码技术以及无蜂窝大规模MIMO技术研究和发展的情况，重点叙述了全频谱、全覆盖、内生安全、全应用及人工智能(Artificial intelligence，AI)等6G新范式的内涵、关键技术以及目前研究重点，最后对6G技术的未来发展进行了展望。

1 6G发展现状

1.1 国际组织开展的工作

(1) ITU

ITU于2018年7月成立了ITU-T 2030网络技术焦点组(FG NET-2030)，主要针对2030年网络需求，研究现有技术、平台和标准的差距和挑战，找出IMT-2020技术难以满足的网络需求，并制定网络2030的愿景、需求、架构、用例及评估方法等研究方向。其使命将于2020年结束，输出成果将转入新研究周期的未来网络研究组(SG13)和信令协议研究组(SG11)，并将开始涉及6G相关的技术储备[3]。在2020年2月的第34次ITU-R WP5D会议上，ITU正式启动6G的研究工作，并开始撰写关于5G之后的技术演进方向的“未来技术趋势报告”。此外，ITU还计划于2021年上半年推出“未来技术展望建议书”，并于2021年启动6G愿景研究。

(2) 3GPP

3GPP是全球电信标准的主要制定者。目前，随着R16版本在2020年7月冻结，R17的全面启动，3GPP的5G标准化将日益成熟，其对6G的研究也已经提上日程。根据2019年6月公布的时间表来看，3GPP将于2023年开始对6G的研究，并将在2025年下半年开始6G标准化工作(计划2028年上半年完成)，预计2028年下半年将会有6G设备产品面市。

(3) IEEE

2016年12月，IEEE启动了IEEE 5G Initiative计划，旨在呼吁全球行业领导者、政策制定者和学术界通过一个中立论坛进行合作，推动5G的发展。随后,该计划于2018年8月更名为IEEE Future Networks，主要研究B5G以及6G相关技术。2020年9月，IEEE Future Networks公布了国际网络世代路线图(International Network Generation Roadmap，INGR)第一版[4]，用于指导运营商、监管机构、制造商以及研究人员等参与开发5G以及随后的6G生态系统的相关方。INGR第一版公布了应用与服务、边缘自动化平台、硬件、大规模分布式天线、卫星、毫米波、安全、标准化模块及实验平台等9个关键技术趋势，将影响5G和6G的未来发展。2019年3月，IEEE发起第一届6G无线峰会，共同探讨6G愿景和未来无线网络所面临的研究挑战和技术突破。

1.2 主要国家和地区开展的工作

(1) 美国

美国近年来已将6G放在国家战略的重要位置，以确保美国在未来信息通信领域中重获领导地位。2019年2月，美国总统特朗普在推特上呼吁美国要加快科技发展，通过竞争在5G以及6G领域取得胜利。2019年3月，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)决定开放面向未来6G网络服务的“太赫兹”频谱(95 GHz～3 THz)，以供进行6G实验[5]。美国贝尔实验室已经着手6G研发，建议6G将覆盖扩展到整个地球乃至空间，要更加注重“人类需求”，达到“IoE3”(无物不互联、无人不互联、无地不互联)的愿景。美国纽约大学无线中心及美国加州大学的ComSenTer研究中心等多个研究机构也在积极进行“太赫兹”等6G关键技术的研究。

(2) 欧盟

欧盟于2017年开始研发6G技术，希望在下一代移动通信关键技术领域取得领先地位。欧盟设想6G的峰值速率要在100 Gbit/s以上，实现1 GHz的单信道带宽，并使用高于275 GHz的太赫兹频段进行通信。欧盟于2017年9月启动6G基础技术研究项目，探索面向6G网络的下一代纠错编码、高级信道编码及调制技术，预计3年完成。在Horizon 2020 ICT-09-2017资助下，欧盟和日本开展了一个名为“超越5G的网络研究”项目，主要研究使用100～450 GHz太赫兹频谱的可能性。通信巨头诺基亚与奥卢大学、芬兰国家技术研究中心投入巨资开展“6Genesis—支持6G的无线智能社会与生态系统”项目[5]，研究6G技术组件演进方向，探索可能的6G标准。2019年3月，奥卢大学与IEEE发起了首届全球6G峰会，基于大会专家意见拟定了全球首份6G白皮书[6]。

(3) 韩国

得益于5G时代扎实的技术基础，韩国希望在6G时代能够继续保持优势，成为全球首个推出商业服务的国家。2018年10月，SK电讯ICT研发中心的专家提出了太赫兹、无蜂窝架构和非地面无线网络的未来6G网络三大使能技术。韩国在国家层面非常重视6G技术的研究，韩国通信与信息科学研究院于2019年4月召开6G论坛并成立研究小组，总统文在寅在6月出访欧洲诸国过程中多次与各国首脑商讨6G领域的合作，并与芬兰总统Sauli Niinisto签订联合开发6G的协议。2020年年初，韩国政府宣布与企业共同投资9 760亿韩元，将于2028年在全球率先商用6G[5]。2020年7月14日，三星发布《下一代超连接体验》6G白皮书[7]，宣称6G将达到太级的传输速率和微秒级的时延，并通过AI等技术实现真正的通信与计算融合，使用户可以自由地使用网络中的计算能力。白皮书还提出实现6G服务须满足性能、架构和可信度三类要求，并通过沉浸式扩展现实、全息图和数字孪生等6G服务将“下一代超连接体验”带入生活的每一个角落[7]。

(4) 日本

2005年，日本政府已将万亿赫兹(太赫兹)检测分析技术确定为“国家支柱技术十大重点战略目标”中优先开发事项。经过多年发展，日本电报电话公司(Nippon Telegraph and Telephone，NTT)于2018年7月宣布成功开发出了面向6G的太赫兹通信技术，其设备技术实验室研发的磷化锢(InP)化合物芯片完成了300 GHz的高速传输实验，当采用16QAM调制时单载波可达到6G的峰值速率100 Gbit/s，未来将拓展到多载波，通过多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)和OAM等空间复用技术，将支持超过400 Gbit/s的大容量无线传输。此外，NTT公司已在超低能耗的光电子融合芯片技术方面取得进展，使超长待机的6G设备成为可能。日本政府于2020年1月成立了6G技术研究会，负责制订6G方面的性能指标及国家发展战略，并计划投入2 200亿日元用于6G研究[5]。2020年4月8日，日本总务省宣布计划于2025年完成6G主要技术研发，于2027年开始进行实验，并在2030年启用6G技术。此外，日本计划成立由信息通信研究机构、政府、企业和高校组成的6G组织，提高日本6G通信基站在世界市场份额中占比，并主导6G国际标准的制定。

(5) 中国

我国的移动通信技术从1G空白，2G跟随，3G同步，到4G突破，经过多年的积累和发展在5G时代已处于引领地位。2019年12月，西班牙锡切斯举行的3GPP RAN第86次全会上，3GPP公布的5G R17阶段23个标准立项中近一半由中国企业牵头，包含5G需求和核心网设计等多个重要的标准化研究课题。我国同样很早已开始布局6G研究，工业和信息化部部长苗圩在2018年3月表示我国已着手研究6G。2019年11月3日，科技部会同相关部委在京召开6G技术研发工作启动会，宣布国家6G技术研发推进工作组(政府部门组成)和总体专家组(研究机构、大学和公司组成)成立。2019年，中国华为公司在加拿大渥太华成立了6G研发实验室，目前正处于早期研发阶段。中国三大运营商均已开启6G研发，中国移动已和清华大学达成合作，面向6G技术等重点领域进行研究；中国电信已启动主频为毫米波、次频为太赫兹的6G技术研究；中国联通成立了毫米波太赫兹联合创新中心，开展B5G和6G通信技术的研究[5]。此外，2019年4月26日，我国毫米波太赫兹产业发展联盟在北京成立，开始布局太赫兹通信技术领域。

2 6G的愿景和性能指标

未来，远程医疗、自动驾驶、远程全息显示、触觉互联网、数字孪生、智慧城市以及工业4.0等被大家广泛期待的新服务需要依靠近乎实时的全球无线连接和更加智能的6G网络来支持。目前各组织机构还没有给出6G的明确定义，荷兰奥卢大学公布的6G白皮书中将6G愿景描述为“泛在无线智能(Ubiquitous Wireless Intelligence)”[6]，而ITU Network 2030则将愿景定义为“新媒体、新服务和新基础设施”[8]。我国的研究者则主要将6G愿景归纳成“空天地海一体化网络”“从Sub-6GHz、毫米波、太赫兹到光频段的全频谱”“AI和大数据支持下的全应用”“强安全”等几个方面[2]。5G与6G技术指标对比如表1所示。

表1 5G与6G技术指标对比Tab.1 Comparison of 5G and 6G technical indicators

当前，一些主流机构和厂商已经发布了6G技术指标的初始草案，均认为6G与5G相比，要在大多数技术领域保持10～100倍的增长，即6G需要达到1 Tbit/s的峰值速率，能为特定用例(如工业控制、自动驾驶)提供低于1 ms的时延，拥有不高于十亿分之一错误位的高可靠传输能力，且可为海量物联网业务提供大于每平方千米107个节点的连接密度。

3 无线接入关键技术

3.1 新型波形技术

一般的，波形设计需考虑整个通信系统，同时也需要对相关参数进行设置，比如在5G NR系统所涉及的滤波系数、帧长、单位时隙内的符号数以及子载波间隔等。对于6G通信系统来说，单个波形将包含比在5G NR系统中更多的配置参数，因此需要研究不同的波形处理方法和对新参数的优化方法[9]。

在6G通信系统中，不仅参数配置的方法和处理难度增加，且在单帧中可能有多个波形共存，从而带来干扰问题[10]。此外，波形处理技术需进一步提高。在5G NR系统中提出不同数术法对波形进行处理，通过对波形参数的优化配置来实现数据传输。6G系统需要更多不同的数术法来进一步提高参数配置的灵活性，除了已有的窗口法、滤波法等波形处理技术外[11]，文献[12]面向5G演进以及6G通信系统，提出了一种非正交波形设计方法，以提高系统的频谱效率。

为求得最优的波形参数，需要将波形参数配置和资源分配进行联合处理。当波形参数配置单元和资源分配单元进行交替优化时，利用机器学习，在波形参数配置之间可以建立起有用且隐匿的关系，而不需要启发式的工程设计和理论分析。同时，该方法也可以提高优化的性能。由于6G通信系统会涉及很多潜在的新波形参数，因此在参数优化配置过程中，如何基于机器学习的方法进行有效的数据训练和制定相应的学习规则对6G的波形设计来说也是一个重要的挑战[10]。它不仅需要考虑多波形之间的干扰因素，也需要探索能同时满足干扰管理机制且兼顾新的波形处理技术和配置参数优化的新框架。

如前所述，未来6G网络的峰值速率有望达到100 Gbit/s～1 Tbit/s。正交时间频率空间调制技术(Orthogonal Time Frequency Space Modulation, OTFS)是一种新型的将数据符号调制到时延-多普勒域的二维调制技术，它将信号调制到时延-多普勒域，将时延多径信道转换到时延-多普勒域，可以有力地支持未来无线通信系统中高移动性的场景。它比传统的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术的复杂度低，可以作为6G中高速移动通信场景下的候选方案。OTFS可以看作是在收发端进行了一系列的转换，其详细的调制方法如图1所示[13]。

图1 OTFS调制方法流程图Fig.1 OTFS madulation method flow chart

3.2 多址接入技术

多址接入技术是移动通信系统的核心技术之一，通过使多个用户接入并共享相同的时频资源来提高频谱效率。前几代移动通信系统已经分别提出了不同的多址接入技术，比如时分多址(Time Division Multiple Address，TDMA)、频分多址(Frequency Division Multiple Address，FDMA)、码分多址(Code Division Multiple Address，CDMA)及空分多址(Space Division Multiple Address，SDMA)等。由于这些技术分别是在时/频/码/空域内给接收端用户进行正交地分配通信资源，因此容易造成资源浪费，难以满足6G通信中超大容量、超低时延和超连接的性能需求[14]。

当前，非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)技术被业界看作是后5G和6G无线通信网络的潜在多址接入技术，该技术是以正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)技术为基础，通过功率复用或者特征码本设计，使多个用户占用相同的时间、空间及频谱等资源，从而显著提升频谱效率[15]。文献[15]研究了复杂度受限下NOMA设计的理论模型，并考虑NOMA与MIMO技术相结合的系统，同时给出该系统发送端和接收端的设计方案。文献[16]面向5G和未来6G通信系统，考虑将NOMA与毫米波通信技术相结合，以进一步提升系统的通信容量。文献[17]面向6G感知物联网通信系统，提出了一种基于非正交多址技术的复合频谱感知方法。

极化码是一种可达信道容量的高性能编码，已被看作是未来6G通信中信道编码的重要候选方案，因此将极化编码技术引入6G无线通信系统，研究面向6G的极化编码NOMA技术也得到了关注。文献[18]提出了面向6G的极化编码NOMA技术框架，通过理论分析和方针验证指出极化编码NOMA技术可以以一种“智简”的方式应对在6G多样化场景下所面对的超高可靠性、超高频谱效率、超大连接的技术挑战，是满足未来6G移动通信需求的重要候选方案。文献[19]将极化码与NOMA技术结合，介绍了极化编码NOMA的系统架构，提出了提高6G系统容量的基本方案。

可以说NOMA是下一代6G移动通信的代表性多址技术。文献[20]提出了6G无线通信系统的3种典型的应用场景。未来需要针对6G不同的场景需求，对NOMA的总体架构及其相关技术进行深一步的研究和优化处理。

3.3 新型编码技术

信道编码，也就是差错控制编码，通过在发送端增加与原数据相关的冗余信息，再在接收端利用此相关性进行检测和纠正传输过程中产生的错误，从而对抗传输过程中的干扰。基于信道编码可以实现无线传输的误比特率。为了满足更高可靠性、更低的时延和更高吞吐量的需求，探索新型的信道编码技术对6G移动通信来说极其重要。目前业界已经对此展开了大量的研究。

在过去的几十年里，随着对Turbo码、LDPC码和极化码的不断研究，很多以此为基础的信道编码方法也得到了广泛关注。它们不仅可以无限逼近于香农极限，并且在纠错能力、码率和码字长度重构、支持混合自动重传请求的能力以及复杂性方面都取得了很好的特性。特别是LDPC码，由于其在编码速率、编码长度和译码时延方面的灵活性以及可以方便地支持混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ)的能力，已经被用于保护5G标准里制定的增强移动宽带(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)应用场景下的数据信道。在5G标准里，也将BC-LDPC(Block Code LDPC)码用于数据信道，将极化码用于控制信道。但BC-LDPC码在码长较短和码率较低时的性能比较差，而极化码在码长较长时的译码复杂度比较高。

考虑到6G更高传输速率、更低时延和更高吞吐量的需求，基于LDPC编码的CC-LPDC(Conventional Code LDPC)则具有很大的潜在性。CC-LDPC的编码结构与卷积码非常相似[21]。与BC-LDPC码相比，CC-LDPC能够实现较低的误码率、更低的译码时延，同时具有更低的译码复杂度，可以更好地应用于6G无线移动通信[22]。

为了进一步提高频谱有效性，在6G无线通信中，将已有的信道编码方法与高阶调制相结合的方法也值得进一步关注。文献[23]基于非二进制LDPC信道编码，在8QAM和32QAM调制基础上，研究了一种新颖的时序共享混合概率映射方法，并通过仿真结果证明该方法的可靠性高、灵活性好，可以应用于6G无线通信。与文献[24]类似，文献[25]基于非二进制LDPC信道编码，进一步研究了128QAM的时序共享混合概率映射方法，并通过仿真验证其特性，表明其应用于6G无线通信的潜在性。文献[26]通过介绍满足6G通信传输需求的极化编码原理与传输技术，展望了极化码在6G数据信道中的应用前景，并提出了极化处理的基本框架。

此外，当前业界的普遍观点是智能化将贯穿6G网络的每个环节，以实现一个全自动化的网络体系，因此需要基于现有的信道编码理论，综合考虑6G通信场景中更为复杂的信息传输特性，在已有的信道编码方法上，结合相关的AI关键技术，研究新的智能信道编码机制[25]。

3.4 无蜂窝大规模MIMO技术

MIMO技术目前已被广泛应用，通过部署多根天线，极大提升了无线链路传输的有效性和可靠性，但是随着运营商和用户需求的急剧增加，频谱资源显得尤为匮乏。相较于传统多用户多天线技术，大规模MIMO技术[27]主要特征是在基站配置大量数目天线(几十、几百甚至上千)且同时为多个用户服务，理论结果表明，当天线数目增大到无穷时，大规模 MIMO 具有信道硬化效应，能够大幅度提升系统的频率效率、能量效率和可靠性，成为未来通信中革命性技术之一。

随着一代代通信系统的更迭，基站部署越来越密集，导致基站小区间干扰和频繁越区切换等问题越来越严重，使得系统性能的提升遇到瓶颈。为解决这些瓶颈问题，T. L. Marzetta和E. G. Larsson等学者提出了无蜂窝大规模MIMO技术[28]，即在一个较大区域内随机放置大量的低发射功率的接入点(Access Points，APs)，且配置一根或多根天线，APs通过回程链路将数据传输到中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，并利用相同的时频资源为多个用户提供服务。无蜂窝大规模MIMO综合了分布式天线系统和集中式大规模MIMO的优点，相较于分布式天线系统，无蜂窝大规模MIMO回程开销小，不需要基站间协作所需的额外导频资源、复杂预编码设计及调度等，且对时间同步要求不高；而相较于集中式大规模MIMO，无蜂窝大规模MIMO覆盖范围大，越区切换频率低。无蜂窝大规模MIMO采用“以用户为中心”的思想，通过减少APs和用户间的距离，降低路径损耗，获得空间分集增益；同时，利用大量APs的传播减少用户干扰，大幅提升用户体验，研究表明，128×128配置的无蜂窝大规模 MIMO在100 MHz带宽下可实现 10 Gbit/s数据速率[29]。

虽然无蜂窝大规模MIMO可在一定程度上降低小区间干扰，但用户间干扰仍然不可忽视。为降低复杂度，一般采用简单的共轭波束赋形(Conjugate Beamforming，CB)和迫零(Zero Forcing，ZF)算法，CB算法实现简单且具有很小的回程要求，但会带来更多的用户间干扰；而ZF算法回程要求高且实现复杂度高，当用户采用完全正交的导频序列时，ZF算法可以提升无蜂窝大规模MIMO系统性能，降低用户间干扰[30]。通过对导频信号进行下行波束赋形，可以提升系统下行性能[31]。所有上述工作基于APs配置单天线，如果APs配置多根天线，可以增加分集和阵列增益，同时降低回程要求。

无蜂窝大规模MIMO系统对回程链路有更多要求，这无形中增加了总功率消耗，可能带来频谱效率增益的降低。随着无线网络规模迅速扩大，为满足越来越高的数据速度需求，网络能量效率已经变得越来越重要，因此，能量效率也是6G通信系统的重要性能，无蜂窝大规模MIMO的能量有效性研究至关重要。文献[32]提出在不需要额外增加频率带宽的情况下，采用最大-最小功率控制方法可有效节省无蜂窝大规模MIMO系统的能量；文献[33]基于一种创新分析模型得到无蜂窝大规模MIMO系统的下行性能闭式解，并当APs服从泊松分布时，在频率效率和发射功率受限情况下，基于随机几何得到系统最大能量效率及其最优解；无蜂窝大规模MIMO系统的下行非理想传输中，考虑单用户服务质量(Quality of Service，QoS)和单AP传输功率受限情况下，文献[34]提出一种基于ZF预编码的低复杂度功率控制技术，在提高能量效率的同时降低用户间干扰。众所周知，能量效率会受到信道估计、功率控制、AP选择策略、硬件及回程功率损耗等多方面影响，如何优化设计这些因素来降低无蜂窝大规模MIMO能量效率还有待进一步研究。

4 6G新范式

4.1 全频谱

继Sub-6GHz以及24.25～52.60 GHz的毫米波频段在5G阶段分别列为可用FR1、FR2频段后，6G开始探索更高频率太赫兹频段的应用。太赫兹是指频率范围0.1～10 THz频段、波长3 mm～30 μm的电磁波[21]，其具有可用带宽大、可穿透沙尘、烟雾和跟踪相对激光通信更为简单的特点，在与毫米波和激光通信竞争中获得了极大的比较优势，是下一阶段支撑100 Gbit/s及以上速率量级通信的主要技术手段。太赫兹在6G中除了应用于终端的无线接入之外，还可用于6G基站的高速无线回程以及机房设备间的高速无线总线场景，具有广阔的应用场景。

目前，太赫兹通信的研究仍处于点到点的实验室研究阶段，大规模工程应用还面临着太赫兹源、功率器件以及天线等一系列制约。在太赫兹信号源和调制方面，目前结合通信应用可分为电子学和光学两个途径。文献[35]提出了一种肖特基二极管的次谐波混频的超外差接收机，通过一个Ka频段的本振源多次倍频后信号作为混频器的输入，然后利用方向并联肖特基二级管的输出电流只有偶次谐波[36]的特点实现2或4倍频太赫兹频段载波信号。这种方案的主要问题在于具有较大的变频损耗，后继需要通过多级的功放实现输出，但其相位噪声等性能明显优于多次倍频直接输出载波方案[37]，且易于QAM、APSK等调制相结合。在光学途径方面，大多是通过改变材料的物理学特点实现调制、可达传输速率较低，例如文献[38]提出了一种利用激光动态改变有机聚合物非线性光学晶体的太赫兹信号透射率方案实现了1.26 MHz的调制。在太赫兹功率器件方面，基于InP工艺的固态功放输出可达50 mW(220 GHz)量级[39]，行波管功放虽然输出可达数W，但存在电源体积大、涉及高压电路且功率效率低等问题，构建高速、远距离传输以及高集成太赫兹通信系统仍然面临较大挑战。由于太赫兹信号波束窄(约为毫弧度量级)，支持波束扫描的相控阵天线、超表面天线[40]和液晶天线[41]也是当前攻关的热点。

作为6G全频谱概念另一个重要组成部分的光通信主要包括自由空间光通信(Free Space Optical Communications, FSO)、可见光通信(Visible Light Communication, VLC)以及光学相机通信(Optical Camera Communication, OCC)，其具有快速安全、健壮高效以及频谱资源比射频高出3个数量级等优势。FSO[42]是以激光为载波来信息传输的方式，由于其存在光波束窄、环境振动和外界扰动明显、易受大气湍流等问题，需要突破激光束准直、精确跟踪控制、高效激光放大以及高效信道编码等关键技术。目前，FSO技术路线主要包括强度调制/直接探测光通信(IM/DD)[43]和相位调制/相干探测光通信系统[44]。前者具有结构简单、成本低廉的优势，后者在相同码速率和误码率条件下较IM/DD可将探测灵敏度提高至少一个数量级，更有利于降低功率需求和终端体积。VLC[45]是一种利用照明发光二极管(Light Emitting Diode，LED) 作为发射光源，并通过光强度调制和直接探测方法实现传输的一种通信方式，其具有兼顾照明和传输、无电磁干扰以及发射功率大等优势。由于照明LED光源的调制带宽较窄，且需要对抗环境复杂性带来的多径传输效应，VLC需要结合OFDM以及MIMO技术来获得较高的频谱效率[46]。OOC[47]是VLC的一个分支，差异在于OCC借助智能手机的摄像系统实现接收，并利用CMOS图像传感器卷帘快门特征实现RGB三色传感器逐行曝光、记录信息来实现接收。

4.2 全覆盖

利用卫星、临近空间飞行器(无人机或者飞艇)来拓展覆盖、构造天地融合网络是6G实现全球泛在通信的一个核心技术手段。3GPP从R14阶段就开始关注卫星通信与地面网络融合问题。R16阶段3GPP提交了新提案TR38.821[48]，包括针对典型场景的链路级和系统级性能仿真验证、NTN对5G物理层的影响、层2和层3的可选解决方案以及研究无线接入网的框架和对应的接口协议。在2019年12月西班牙锡切斯举行的会议上，3GPP公布了R17阶段的23个标准立项，其中5G非地面网络由法国公司泰雷兹(Thales)牵头，而NB-IOT与eMTC的非地面网络由台湾公司联发科(Mediatek)和欧洲通信卫星公司(Eutelsat)共同牵头。根据R17的时间表“NR over NTN”将持续到2021年第1季度，“基于非地面网络的窄带物联网(NB-IOT over NTN)”计划于2021年初启动，于2021年6月结束。与此同时，卫星网络自身的发展也非常迅速，作为代表的美国Starlink星座截至2020年10月已经完成了14次发射，在轨卫星数量达到895颗，初步公布服务资费为99美元/月，试验速率达到150 Mbit/s。在临近空间飞行器方面，据报道2020年1月，中国移动联合华为完成全球首个无人机5G高空基站应急通信测试，高空无人机基站飞行200 m高空时覆盖能力超过6.5 km。2017年9月，中科院电光研究院在内蒙古首飞成功一颗超压气球，承重达到150 kg，飞行高度达到25 km，为未来基站长时滞空提供了条件。

天地一体、多维度立体覆盖的主要难点在于相较于地面基站，卫星或者临近空间飞行器具有移动性，网络的拓扑结构、基站的覆盖以及基站间相互的干扰都具有时变特征，且这些平台的供电、载重以及器件处理能力都受到明显的限制。在空中接口设计方面，必须考虑到卫星轨道运动与无人机飞行造成多普勒效应以及动态时变的星地/空地延时[49]对子载波间干扰、同步和HARQ带来的影响，以及更为严格的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)限制。在多址方面，为了支撑物联网海量终端应用，非正交多址在星地链路中的应用得到了重视[50]，但仍需考虑卫星用户间通常无法实现严格同步、同一个波束内的多用户间功率差异小等因素对算法设计的影响，并能与当前卫星广泛采用的跳波束技术[51]结合在一起。干扰是星地协同覆盖必须考虑的另一个重要问题。在宽带卫星通信的场景中，不仅要考虑与其他系统LEO、GEO之间的干扰，还要考虑自身未来多个轨道之间、不同卫星间以及星地的干扰。目前与GSO的干扰协调有效方案是利用NGSO与GSO卫星轨道高度差产生的俯仰渐进隔离角避免干扰[52]，简单地说主要是避免被干扰对象落入卫星与终端之间连线或者连线延长线为轴的圆锥体内，锥体的底半径取决于干扰的门限。这一方法也适用于不同NGSO系统之间以及自身多颗卫星之间的干扰协调，前提是对被干扰卫星的轨道进行精确估计。最后，在架构方面，由于LEO星座的拓扑周期性的变化[53],星载网元与地面网元实体之间的路由变化、支撑虚拟化底层多种处理资源之间互联关系的变化以及用户与网络设施之间的相对位置变化对未来网络架构设计提出了严峻的挑战。

除了使用天基节点满足海洋表面应用需求之外，水声通信[54]在解决水面下覆盖较蓝绿激光通信、中微子通信具有传输距离远、信号下潜深、成本相对较低的突出优势。根据研究，带宽50 kHz的声波在水下衰减为10-2～10-4dB/m，而声速度是温度、深度与盐度的函数[54]，这使声音信号可以传递至数百米深度或者数十千米外的水下目标。目前水声通信的难点在于速率不高，且需要解决水下环境多变、信道条件复杂导致的多径和时变衰落问题。

4.3 内生安全

网络当前的安全性主要依赖于位级加密技术和不同层级的安全协议，这些解决方案采用的都是‘补丁式’‘外挂式’的设计思想[55]。为了解决面临的安全挑战，在系统设计之初就植入防御机制，增强网络机体自身的“免疫力”，物理层安全通信、量子密钥分发以及区块链与通信技术可望成为未来实现6G网络内生安全的有效途径。

物理层安全技术源于Wyner提出的窃听信道模型[56]，其模型表示当且仅当窃听者的信道条件较合法接收者差时，可以实现物理层安全，即窃听者无法获取任何有效信息。后面的研究根据这一原理充分利用无线通信中各种因素(噪声、衰落及干扰等)，来构建合法接收者的优势信道，使信道质量差异大于“安全间隙”并结合安全编码[57]等手段实现安全传输。在优势信道构建方面，人工噪声[58]是合法接收者利用一部分功率来注入一个干扰信号，干扰和阻碍窃听接收端的接收。面向波束成型的物理层安全技术是将信号指向合法接收者，例如基于天线阵列空间自由度进行波束赋形[59]。在安全编码方面，因为极化码的编码过程为信道极化过程，与信道特征天然契合(比如可以将保密信息映射到合法接收者质量好而窃听者质量差的输入位)，因而成为当前安全编码研究的热点[60]。

量子密钥分发(Quantum Key Distribution， QKD)是利用量子的不确定性以及不可克隆等特点实现密钥安全分发的通信技术，其原理不依赖于数学复杂性，因而具有极强的安全性。QKD可基于光纤也可以基于无线光通信实施。BB84[61]是QKD最为成熟的分发协议，其利用单光子的偏振现象在量子信道中传递信息。2012年起，为解决针对探测设备的攻击，业界进一步提出了基于时间反演纠缠协议的测量设备无关量子密钥分发协议(Measurement Device Independent QKD,MDI QKD)[62]，后继的实验研究大多是基于MDI-QKD的。目前据报道，2018年底日本已经实现了10 Mbit/s的高速QKD实验。

区块链技术是一种综合分布式存储、点到点传输、新型共识机制及加密算法等多种技术的一种新型技术。区块链利用许多现成的加密机制，加密地将用户伪身份与标记资产交易联系在一起，并创造性地建立一种共识机制，可以在大量无信任节点间提供关于全局分类账-数据状态的共识[63]，具有数据不可篡改、操作受监督及无需高成本处理中心等突出优势，可为6G安全提供支撑。目前区块链在6G中的应用研究主要集中在频谱智能安全共享[64]和在物联网中提供分布式安全机制并设计轻量化的算法[65]。

4.4 全应用和AI

丰富多彩的应用是推动移动信息网络发展的核心动力，未来6G的泛在、高速、低延时以及确定性的服务质量保障可望有效赋能以下领域的发展：① 虚拟现实，包括VR(Virtual Reality)、AR(Augmented Reality)和MR(Mixed Reality)，支撑全息显示应用，研究如何利用云计算解决降低用户使用成本、并解决带来的延时等服务质量问题[66], 2019年中国信息通信研究院联合多家单位共同发布了《5G云化虚拟现实白皮书》[67]；② 工业互联网、智慧城市等, 3GPP组织在R16阶段为垂直行业应用立项了多个标准[68]，后继6G还将根据需求进一步强化对智能制造、社会治理的支撑；③ 车联网，支持可靠的车与万物相连(Vehicle to Everything, V2X)，支持无人机与地面控制器之间的通信，构建新一代智慧交通网络；④ 其他，如AI助理、数字孪生[69]等。智慧内生是支撑未来6G 全频谱、全覆盖、全应用的核心关键要素。目前，在无线接入层面，AI可用于解决大连接场景、复杂信道下频谱共享[70]、自适应传输[71]和优化多址[72]。在网络和应用层面，AI可用于智能QoS保障[73]、资源分配[74]、云计算优化[75]和安全保障[76]。

5 未来展望

如果说5G时代可以实现信息的泛在可得，6G应在5G基础上全面支持整个世界的数字化，并结合AI等技术的发展，实现智慧泛在可得、全面赋能万事万物[77]。随着技术攻关的进展，预计到2030年6G网络可望进入商用阶段，构建起承载下一步人类社会数字发展转型任务的新一代网络基础设施，达到实现全地形、全空域、全时域的低延迟、敏捷按需和可靠安全的服务能力，真正实现泛在随心、智慧随行、万物互联的发展愿景。