6G技术挑战、创新与展望

xingozd

方敏/FANG Min1,2, 段向阳/DUAN Xiangyang1,2, 胡留军/HU Liujun1,2

（1. 中兴通讯股份有限企业，广东 深圳 518057；

2. 移动网络与移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518057）

摘要

随着中国及全球5G网络的规模商用，6G研究创新窗口悄然而至。梳理了全球6G技术研究现状，初步预估了6G需求、技术与标准研究工作路标，分析了面向6G网络的未来业务发展趋势和典型服务用例，构建了6G网络服务愿景、基本性能需求，以及基于架构、链路、空域、流域、推理与计算维度的6G使能技术框架。认为6G潜在使能技术包括自治自动网络、智能三维连接、智能大规模天线阵、按需网络拓扑与计算、超硅计算与通信。重点先容了中兴通讯服务架构无线接入网络（SBA-RAN）、平滑虚拟小区技术（SVC）、智能反射表面MIMO技术（IRS-MIMO）与增强多用户共享接入（eMUSA）等6G创新技术实例，揭示了决定6G相对5G是“演进”还是“革命”网络的决定要素是维持摩尔定律可持续发展的超硅计算技术，并展望了5G演进网络中将广泛应用的Pre6G创新技术。

关键词：6G；智能无线电；服务架构无线接入网；三维连接；App定义空口；App定义无线信道；智能反射表面；平滑虚拟小区；增强多用户共享接入

6G网络是指2030年将要商用的移动通信网络。1980-2020年移动通信网络“十年一代”的发展历程，见证了3G移动用户超越固定用户的“辉煌十年”，体验了4G移动互联改变生活的“美好十年”，开启了5G万物互联改变社会的“创新十年”。未来“创新十年”中，5G商用网络将在业务与网络技术方面不断演进，并最终向6G网络过渡；因此6G也是5G长期演进网络。

1 6G全球研究现状

随着5G网络成功规模商用，全球产学研已在2019年正式启动6G潜在服务需求、网络架构与潜在使能技术的研究工作。

1.1欧盟

欧盟企业技术平台NetWorld2020在2018年9月发布了《下一代因特网中的智能网络》白皮书。在此基础上，欧盟将在2020年第三季度制定2021-2027年产学研框架项目下的6G战略研究与创新议程（SRIA）与战略开发技术（SDA），并在2021年第一季度暨世界移动通信大会上正式成立欧盟6G伙伴合作项目，在2021年4月开始实行第一批6G智能网络服务产学研框架项目。

1.2芬兰6G旗舰项目

芬兰政府在2018年5月率先成立了芬兰奥鲁大学牵头管理的6G旗舰项目，项目成员以芬兰企业、高校与研究所为主，该项目计划在2018-2026年投入2.51欧元用于6G研发。芬兰奥鲁大学每年3月牵头组织召开了两届6G无线峰会，主要厂家与运营商均发表了6G技术峰会演讲，并在会上与会下技术讨论基础上于2019年9月发布了《面向6G泛在无线智能的驱动与主要研究挑战》白皮书。

目前6G无线峰会正在起草12个技术专题的6G技术白皮书，最快在2020年下半年发布若干技术白皮书，包括6G驱动与联合国可持续发展目标、垂直服务验证与试验、无线通信机器学习、B5G联网、宽带连接、射频（RF）技术与频谱、偏远地区连接、6G商务、6G边缘计算、信任安全与隐私、6G关键与大规模机器通信、定位与传感。

1.3 美国

美国联邦通信委员会（FCC）在2018年启动了95 GHz～3 THz频率范围的太赫兹频谱新服务研究工作，从2019年6月开始发放为期10年、可销售网络服务的试验频谱许可。其频谱研究主要问题包括：1）95～275 GHz频段政府与非政府共享使用；2）275 GHz～3 THz不干扰现有频谱使用；3）非许可频谱合计21.2 GHz带宽，包括116～123 GHz、174.8～182 GHz、185～190 GHz、244～246 GHz。

美国电信行业解决方案联盟（ATIS）在2020年5月19日发布了6G行动倡议书，建议政府在6G核心技术突破上投入额外研发资金，鼓励政府与企业积极参与制定国家频谱政策。目前，美国希翼主导的未来5G与6G核心技术包括5G集成与开放网络（ION）、支撑人工智能（AI）的高级网络和服务、先进的天线与无线电系统（例如95 GHz以上太赫兹频段）、多接入网络服务（包括地面与非地面网络、自我感应以支撑超高清定位等应用）、智能医疗保健网络服务（包括远程诊断与手术，利用多感测应用、触觉互联网和超高分辨率3D影像等新功能）和农业4.0服务（支撑统一施用水、肥料和农药）。

1.4 日本与韩国

日本政府将在2020年夏季发布6G无线通信网络研究战略。韩国政府电子与电信研究所（ETRI）在2019年6月与芬兰奥鲁大学签订了6G网络合作研究协议；SAMSUNG自2019年开始重点研究6G、人工智能与机器人技术；LG在2019年1月与韩国科学技术研究所（KAIST）合作建立了6G研究中心；SKT与厂家联合研究6G关键性能指标与商务需求。

1.5 中国

中国工业和信息化部牵头在2019年6月成立了6G推进组（包含需求、频谱、网络、无线技术、标准与国际合作等5个工作组），开展6G标准的可行性研究，并计划在2019-2023年完成6G业务、愿景与使能技术的研究与验证工作。

中国科学技术部牵头在2019年11月启动了由37家产学研机构参与的6G技术研发推进组，开展6G需求、结构与使能技术的产学研合作项目。

1.6 其他

中国移动在2019年11月发布了《6G愿景与需求》、白皮书，日本DoCoMo在2020年1月发布了《B5G与6G无线技术需求》白皮书。国际电联标准化部门（ITU-T）在部分产学研机构驱动下在2018年成立了 6G需求与网络结构的研究项目即IMT-2030焦点组，该研究项目先后发布了《6G技术蓝图、应用与市场驱动》《6G新服务与网络技服务能力》与《代表性用例和关键网络需求》等白皮书或技术研究报告。

2 6G研究与标准工作路标预测

未来10年内ITU、中国6G推进组与3GPP的6G标准工作路标预测，详见图1。相应的基本判断是：

1）2020-2023年是6G业务、愿景、使能技术的可行性研究窗口；

2）2020年是识别6G使能技术的早期阶段。

国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）的WP5D工作组计划[1-2]在2022年6月完成《IMT未来技术趋势》研究报告，在2021年6月-2022年11月完成《IMT-2020之后愿景》研究报告。预计2023年底的世界无线电通信大会（WRC）将讨论6G频谱需求，2027年底的WRC将完成6G频谱分配。

中国IMT-2030暨6G推进组的6G业务、愿景与使能技术的研究和验证，将与ITU-R的6G标准工作计划保持同步。可以预测的是，在2023-2027年中国将完成6G系统与频谱的研究、测试与系统试验。

面向2028-2029年ITU 6G标准评估窗口，3GPP预计需要在2024-2025年即R19窗口正式启动6G标准需求、结构与空口技术的可行性研究工作，并最快在2026-2027年即R20窗口完成6G空口标准技术规范制定工作。此前，3GPP将在2020-2023年完成R17与R18的5G演进标准制定，此阶段可简称为后5G即B5G标准。R17/18 5G演进标准主要功能，包括面向未来演进移动宽带、固定无线接入、工业物联网、车联网、扩展现实、大规模机器通信、无人机与卫星接入等用例的演进空口与增强功能，例如5G高频段空口即NR 52.6～71 GHz、5G非地面网络空口（NR-NTN）与其高频段NTN、蜂窝窄带物联非地面网络（NB-IoT/eMTC-NTN）、面向可穿戴与视频监控等中档终端的5G中档能力空口及其演进功能（NR-RedCap+）、5G多媒体广播与组播服务空口及其演进功能（NR-MBMS+）、接入与回传集成演进功能（IAB+）、5G直传空口及其演进功能（NR-Sidelink+）、5G非许可频段空口及其演进功能（NR-U+）、定位增强功能、智能自组织网络及其演进功能、通信传感集成及其演进功能（ICS+）、网络拓扑增强功能等。

+：演进或增强功能

IAB：接入与回传集成

ICS：通信与传感集成

ITU-R：国际电信联盟无线电通信部门

MBMS：多媒体广播与组播服务

NB-IoT/eMTC-NTN：蜂窝窄带物理网服务非地面网络

NR：5G空口

NR-RedCap：5G中档能力空口

NR-Sidelink：5G直传服务空口

NR-U：5G非许可频段空口

NTN：非地面网络

SON：自组织网络

WRC：世界无线电通信大会

图1 B5G/6G研究与标准工作路标预测

3 6G业务驱动与愿景

用户定义视频（如抖音）上行流量的便捷消费，机器视觉计算（如人脸识别）的广泛应用，扩展现实（XR）、光场与点云等光波全息传送的潜在消费，零距离虚拟现场交互（如异地“真人”二重唱或乐队“云演奏”）的出现，灵巧可靠的数字人/机车/机器人终端集群（如自动驾驶汽车）服务，以及联合国2030年可持续发展目标[1]逐步实施，都预示了人性化、全息交互、群体协作的业务发展趋势。

4G与5G、物联网、云边计算、人工智能（AI）与机器学习（ML）[3-5]、大数据、区块链、卫星火箭、无人机、可穿戴技术、机器人技术、可植入技术、超硅计算与通信技术的快速发展与应用，为业务创新奠定了坚实的技术基础。应用与技术的双重创新驱动，决定5G应用将在未来10年快速成长，并创造出新的生活方式、数字经济和社会结构，例如跨阶层的数字生活、网红经济、数字贵族等。

为顺应人性化、全息交互、群体协作的业务发展趋势，6G时代可能诞生的全新服务将进一步扩展到感知互联网、AI服务互联网与行业服务互联网，呈现出万务智联改变世界的6G愿景，详见图2。

AR：增强现实

VR：虚拟现实

AI：人工智能

CPS：信息物理系统

ML：机器学习

XR：扩展现实

图2 6G业务发展趋势与愿景

4 6G业务需求初步分析

4.1 感知互联网

感知互联网是指视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、情感与意念等全息协作实时交互媒体互联服务。

感知互联网的典型用例“如影随形实时共享感知”是指在预定的持续时间内，经过许可与信任控制，一个人可以通过自己的视觉和或其他感觉，真实地体验另一个人的感觉甚至生活。例如，一位母亲可以真实地体验孩子刚刚穿上新鞋后是否磨脚的个人体验。

4.2 AI服务互联网

AI服务互联网是指未来任何人、机器、组织或行为，都可以享受的协作智能互联服务。

AI服务互联网的典型用例“高速公路无人自动驾驶”是指无人驾驶汽车或车队依据实时导航与定位机器人的最佳路线设计，机智地避免与车外人体或物体的碰撞，以最短时间、最小能耗到达目的地。

4.3 行业服务互联网

行业服务互联网是指跨越任何领域或平台、任何网络物理系统（CPS）或数字孪生服务所需的协作或虚拟孪生感应与实行互联服务。

行业服务互联网的典型用例“触觉反馈机器人手术”是指通过人机协作并借助多路辅助视频[包括增强现实（AR）视频]和触觉反馈的方式远程完成诸如冠状动脉、腹腔镜等无创外科手术。

4.4 6G业务需求

感知互联网侧重于感知全息实时共享，AI服务互联网侧重于泛在智能，行业服务互联网侧重于人机或机器之间的协作自动。

图3列举了上述典型用例的初步连接需求，包括但不限于带宽、延时、同步、抖动、可靠性、高精定位、能耗、算力、生物兼容性等需求，每个典型用例的具体性能指标尚在研究之中。

AI：人工智能， CPS：信息物理系统

图3 感知、AI与行业服务互联网用例与需求

5 6G网络性能指标初步预测

依据3GPP R17 5G新服务需求研究结果[6-13]，结合高清、高自由度、人眼极限视频带宽与可靠性要求[14-15]，以及自动驾驶定位精度要求[16]和非地面网络空中基站移动速度[17]要求等，大家可以初步估计6G时代新型服务的性能指标需求和相对5G网络性能指标的提升倍数，如图4所示。

6G网络将支撑1 Tbit/s峰值数据率、20 Gbit/s用户体验数据率、10 Gbit/（som2）的区域业务容量密度、100 Gbit/（som3）的空间容量密度、每平方米100个终端的连接密度、167 dB的最大耦合损耗（表示极限覆盖范围）、8 km/s基站或小区移动速度、低于0.5 ms用户面时延、高于7个9的可靠性、20年的电池供电寿命、0.2μs的确定性通信时延同步精度、低于10 cm高精定位精度。

由于5G网络支撑20 Gbit/s的峰值数据率、100 Mbit/s的用户体验数据率、10 Mbit/（som2）的区域业务容量密度、每平方米1个终端的连接密度、164 dB的最大耦合损耗（表示极限覆盖范围）、500 km/s的移动速度、0.5 ms的eMBB用户面（UP）单向时延、5个9的可靠性、10年的电池供电寿命、1μs的确定性通信时间同步精度、10m以上定位精度。6G相对5G网络的性能指标提升倍数，详见图4。当然，随着5G服务用例的不断扩展，5G长期演进网络也可以有步骤地达到这些网络性能指标要求。

UP：用户面

图4 6G网络性能指标要求及其相对5G的提升倍数

6 6G网络潜在使能技术

面向上述6G及5G长期演进网络服务与性能需求，参考全球产学研B5G/6G技术研究结果，6G网络使能技术可以从图5所示的结构、链路、空域、流域、推理、计算这6个维度来考虑，具体包括自治自动网络、智能三维连接、智能大规模天线阵、按需网络拓扑、按需网络计算、超硅计算与通信。

AI：人工智能

CPS：信息物理系统

IoT：物联网

MIMO：多输入多输出

NR：5G空口

NTN：非地面网络

图5 6G网络技术体系框架

6.1 自治自动网络架构

6G网络不仅需要支撑智能化、自动化、服务化的系统网络架构，实现App定义智能、编排与管理（例如认知网络、服务架构、全自动生命周期管理、CPS与数字孪生网络），同时还需要支撑智能无线电、智能覆盖与智能演进的无线网络架构[18]，以确保服务、编排、管理、拓扑、部署、覆盖、空口、天线等连接要素的灵活性和App可编程。

所谓智能无线电是指App定义的无线信道，通过无线链路与其传播特性的分离，实现有线通信质量或超过有线通信质量的无线连接；智能覆盖是指终端与小区分离，虚拟小区为终端服务，小区边缘不再存在；智能演进是指独立的无线网络功能演进，任何动态操作可支撑AI处理，网络拓扑可依据服务需求灵活选择与改变。因此，6G自治自动网络架构将成为各项6G网络使能技术的融合基础。

6.2 智能三维连接

智能三维连接是指空、天、地、海一体化全频段智能通信连接，支撑人与人通信、人机合作通信与机器通信，支撑MHz到THz频率范围，支撑2G/3G/4G/5G等地面网络（TN）与非地面网络（NTN）融合组网–这里NTN是指地上/水下无人机、半静止空中平台、飞行器、低/中/高/同步地球轨道卫星等组成的非地面通信网络。

智能三维连接主要技术挑战包括：全频段频谱管理，包括NR/IoT-NTN空口演进、通信与传感集成、THz与可见光通信、厘米级高精定位等多制式空口设计，多制式和谐物理层共存设计，远距离随机接入与时频偏移补偿技术，高谱效大连接多址技术，无线资源与干扰管理，高速移动性管理，业务与终端服务连续性，确定性及其通信技术，尤其是满足一个或一组特定业务需求（如谱效、能效、成本效率、可靠性、时延与抖动）的智能连接策略。

其中，太赫兹通信技术挑战包括：极低峰均功率比波形与调制，超大带宽与容量信道编码、极窄波束管理技术，漫散射信道建模技术，极低功耗RF器件，高增益天线技术，大带宽数模与模数转换技术，全电与光电混合链路设计等。可见光通信技术挑战包括：可见光超辐射发光二极管等光信号源设计，大带宽与高灵敏度光检测器，外调制器、放大器、复用与解复用、光开关与收发集成器等光电混合器件，室内/室外/水下光信道建模以及阵列天线技术。

6.3 智能大规模天线阵

智能大规模天线阵是指依据空间自由度达到三维连接链路优设计要求的智能天线阵技术，包括能量有效的大容量多用户MIMO即MU-MIMO技术、超大规模天线阵列智能波束管理技术、以终端为中心的分布式MIMO技术、灵活部署的智能反射/透射表面技术等。

其主要应用场景包括城市密集街区高频覆盖、大容量MU-MIMO能效改进、室外到室内连续覆盖、高频段高速移动无损切换、人造无线信道环境。

其主要技术挑战包括空间效率与链路性能联合优化、高增益低损耗智能天线面板设计、网络级多天线灵活部署策略、智能MIMO算法设计、智能导频与训练序列优化设计等。

6.4 按需网络拓扑

按需网络拓扑是指依据服务和连接需求灵活选择或改变网络部署形态与密度，包括TN/NTN接入与回传集成、本地网状网、灵活组播与多跳技术、动态路径选择、动态网络切片、多层异构密集化技术等，以实现成本、能耗等性能指标的按需优化。

其主要应用场景包括跨行业（如卫星广播电视与通信）数字基础设施综合服务平台、本地部署的CPS或数字孪生等确定性传感通信（如数字孪生城市基础设施监控、协作机器人通信）服务平台。

其主要技术挑战包括数据/意图驱动智能拓扑[包括网状网（MESH）、组播、多跳]策略、灵活无线接入网或虚拟小区（即用户为中心的服务小区）、智能移动网络（包括用户或站点移动性预测与切换）、智能端到端网络切片（包括业务与用户资源需求预测与分配）等。

6.5 按需网络计算

按需网络计算是指6G网络智能代理、算力与算法技术，包括神经网络、增强学习、迁移学习、对抗学习、联邦学习、自动学习、可说明学习、负责任学习等深度学习算法以及全局与本地AI分层技术和AI空口设计与AI芯片技术，以确保服务、资源、管理尤其是算力效率及其可信任性。

其应用场景包括物理层自动调制解调与信道编译码、无线高精定位、移动性管理、网络灵活部署、网络服务编排与管理等。

其主要技术挑战为云边端混合联邦AI架构、网络全局与本地AI集成、多个AI代理目标对准、可说明AI算法设计、标签数据自助获取、数据标签的主动学习、训练与测试误差降低。

6.6 超硅计算与通信

超硅计算与通信是指各种后摩尔计算或人脑启发计算技术[19]，包括计算存储技术、神经神态计算、量子计算等新型计算、基于石墨烯与碳纳米管等新型二维/三维材料的计算技术、三维异质集成、多芯片结构与高速互联技术，以及环境无线能量采集技术、极近距离人体无线通信或液态分子通信、人体大脑与计算机或云接口技术等。

当然，这些新型计算技术的可行研究可能需要在6G演进网络框架中考虑，例如以分子通信[20]（液体或其喷雾的化学通信）和脑云接口[21]（神经元细胞突触与超级大脑云之间的接口）为代表的微观三维连接技术。