隨著三大運營商 5G 套餐于2019年底的相繼上線，宣告我國第五代無線通信網絡（5G）正式進入商用階段。以增強型移動寬帶（eMBB）、大規模機器類通信（mMTC）與高可靠低時延通信（uRLLC）為特色應用場景的5G技術使得自動駕駛，遠程醫療與智能電網等應用成為可能，并幫助人們構造一個萬物互聯的智能世界。
然而，據專家預測，5G 網絡顯然無法滿足 2030 年及以后的網絡需求
，此外，在成都召開的首屆6G通信感知一體化學術研討會
，同樣指出：6G網絡在具備強大通信能力的同時，更將成為連接物理世界與數字世界的“神經中樞”。
因此，全球各大科研院所與企業研發部門均已組織展開第六代無線通信網絡技術(6G)的研發工作。
近期，由東南大學尤肖虎教授領銜
，王承祥教授
組織起草，聯合東南大學、紫金山實驗室、上海科技大學、北京郵電大學、電子科技大學、中國移動研究院、華為技術有限公司等國內優勢科研院校及企業，并邀請英國南安普敦大學、曼徹斯特大學、愛丁堡大學、貝爾法斯特女王大學、薩里大學、加拿大滑鐵盧大學、澳大利亞悉尼科技大學、瑞典林雪平大學、美國佐治亞理工學院、普林斯頓大學、德國德累斯頓工業大學等國際知名大學的頂尖學者，共24家科研院校及企業的50位業內專家共同撰寫的6G長篇綜述。
該綜述以“Towards 6G wireless communication networks: Vision, enabling technologies, and new paradigm shifts” 為題發表于Science China Information Sciences。
該篇綜述文章從6G標準與行業應用、使能技術、新的范式轉換等三個方面對 6G 研發的最新進展及未來發展趨勢進行了全面的描述。
一、6G標準與行業應用
1. 6G新標準
與5G技術相比，6G在不僅在5G的傳統優勢領域，譬如速率，時延，接入密度等，有更進一步的提升，更在5G技術的壁壘區，譬如覆蓋范圍，成本效率，智能化程度等，有所突破，如:圖3所示。
圖源：Science China Information Sciences
貝爾實驗室于2019年初提出了6G技術的一些關鍵指標，其中峰值速率預計將超過100 Gbps，用戶體驗速率為1-10 Gbps，與現行5G（IMT-2020）標準相比，均有數量級級別的提升。而在時延，流量密度等指標方面，分別為5G標準的10倍與10000倍。在定位方面，更是可以達到10 cm級的室內定位精度，1 m級的室外定位精度和6個“9”（99.9999%）的可靠性等，這些數據均是5G技術無法企及的。
來自西南交通大學的范平志教授
團隊也于同年做出了類似的關鍵性能指標比較。此外，考慮到AI技術與通信技術在未來的深度融合，業內需在未來幾年內對6G無線通信網絡的設計與規模有更多的了解，以匹配未來應用對帶寬、時延、可靠性以及網絡韌性提出的嚴苛要求。
2. 行業應用
5G網絡的成功商用，使構建現代信息社會成為可能。在現行5G應用的基礎上，6G網絡可進行進一步發展以滿足未來工業界更為苛刻的網絡需求并在物聯網工業自動化，蜂窩車聯網與數字孿生體域網
）等方面發揮重要價值。
在中國制造2025規劃綱要中明確指出要實現從中國制造到中國智造的轉型，而在這一過程中，物聯網工業自動化將會發揮無可替代的重要作用。將傳統工業進一步和信息與通信技術（ICT）相結合，例如物聯網的集成，探索工業制造領域廣泛連接服務的優勢，將對生產力的提升大有裨益。
5G提供的‘一體式適用’解決方案為與工業自動化需求高度契合，為解決實踐中的種種問題，建立跨行業共識，工業互聯與自動化 5G聯盟(5G-ACIA)于 2018年成立,旨在解決、討論和評估與工業領域 5G相關的技術、監管和業務方面的問題。但在更為嚴苛的應用中，譬如運動控制，是工業自動化中最具挑戰性的用例之一，對互聯系統具有超高可靠性和低時延 、高穩定性等苛刻要求，可能很難用 5G來實現，因此可以作為 6G的初始用例。
作為自動駕駛的關鍵驅動力，車聯網在提高道路安全和交通效率方面有著廣闊的前景。作為3GPP指定的標準化車聯網解決方案，蜂窩車聯網(cellular vehicle to everything, C-V2X)為車對車、車對人、車對基礎設施和車對云等服務提供低時延、高可靠性和高吞吐量的通信能力。旗下兩個重要版本，即長期演進車聯網(long term evolution vehicle, LTE-V)和新空口車聯網(new radio vehicle, NR-V)，基于6G平臺，結合邊緣計算與AI技術，將促使車聯網結構，技術驗證測試和新增頻譜等領域產生重大變革。
高德納(美國咨詢公司)在2016-2018年連續三年將數字孿生列為十大戰略發展技術之一，并認為數字孿生將產生顛覆性創新。通過6G網絡與ICT模擬人體運行機理，數字孿生體域網可以可以全天候跟蹤，提前預測疾病，還可以模擬人體的手術和用藥過程，利用虛擬人體預測療效，加快藥物研發，降低成本。
在新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）肆虐全球的背景下，數字孿生體域網通過云、霧和傳感器層計算在疫情管控方面具有強大優勢并將經歷以下流程：
（1）將健康信息實時傳輸到邊緣計算的個人網段的數字孿生網。
（2）基于安全多方計算的去個性化模型，通過比較霧計算的部署發現異常。
（3）天地互聯網的信道資源通過獨立網關分配給遠程云計算中心。
（4）醫生通過對數字孿生對象的非接觸檢測來追蹤人群行為的源頭，從而找到感染源。
（5）通過數字孿生體模擬調查驗證臨床用藥，加快數據處理速度。
（6）在隔離過程中，患者與家人之間通過通感網絡進行情感互動。
圖5. 基于數字孿生體域網的疫情管理原理圖
圖源：Science China Information Sciences
通過6G網絡新標準以及上述三個典型行業應用案，不難看出，6G網絡在未來社會信息數字化發展中必將發揮重要作用。此外，一些未提及的應用，譬如云虛擬現實，高能效無線網絡控制與聯邦學習系統等，亦是6G技術可以彰顯其強大性能的領域。
二、使能技術
為實現6G標準所需要的性能指標，大量新的使能技術將被投入使用，主要體現在接口/傳輸技術與網絡架構兩大方向。
1. 接口與傳輸技術
接口與傳輸技術為終端和無線網絡之間提供了物理連接的解決方案，主要包含動態智能頻譜共享與接入，基于區塊鏈的無線接入網絡和無蜂窩大規模 MIMO等方面的突破。
鑒于頻譜的稀缺性，6G標準所規定的峰值速率和海量接入要求仍是十分具有挑戰性的任務。雖然6G將會使用太赫茲和可見光等高頻段，但仍希望利用低頻段，如sub-6 GHz頻段，以降低運營成本。因此，動態智能頻譜共享與接入技術成為不二選擇。其中，需要關注如下技術領域：
最初用于加密貨幣而設計的區塊鏈技術，現今已是廣泛應用于其他領域的顛覆性技術，對即將到來的5G和未來的6G無線通信網絡均頗具吸引力。區塊鏈無線接入網（blockchain radio access network, B-RAN）——一種由區塊鏈技術支持的去中心化、可信任的無線接入范式，由加利福尼亞大學戴維斯分校的Zhi Ding教授提出，其結構如圖6所示。
圖源：Science China Information Sciences
區塊鏈無線接入網絡在支持頻譜共享、協作傳輸、多跳數據傳輸、設備對設備通信等的同時，可以在服務提供商和客戶之間建立可信的物理鏈接。通過高效地匯聚和共享各種網絡資源，區塊鏈可以支持和增強多種服務，如：移動邊緣計算、物聯網應用、能源交易、車聯網連接和網絡切片。
目前，基于區塊鏈的網絡仍處于起步階段，許多問題尚未得到解決。
因此，在移動環境中迫切需要節能的共識機制。
蜂窩間串擾是限制傳統蜂窩結構網絡性能的主要原因，為克服這一問題，無蜂窩大規模MIMO的概念被提出并已被證明比集中式大規模MIMO和小蜂窩具有更高的頻譜效率。例如，100 MHz帶寬的128×128的大規模分布式MIMO（或無蜂窩大規模MIMO）可以達到10 Gbps的數據速率。然而，無蜂窩大規模MIMO也面臨著實現復雜度高、回傳/前端要求高、同步和信道狀態信息獲取困難等問題。
此外，6G標準在波形設計，多址接入，信道編碼，光子定義無線電，以及uRLLC場景多連接技術等技術領域均有不同創新。
2. 網絡架構
為了更好地實現6G無線通信網絡的需求，新的網絡架構需要根據網絡特點和規范來研究和應用。在這里，將從深度邊緣節點和網絡，云/霧/邊緣計算與認知服務架構三個方面進行介紹。
深度邊緣節點和網絡(deep edge node and network, DEN2)具有強大的推動力將通信服務和智能推向邊緣，從而實現普及智能的愿景。基于協作和可控的深度邊緣節點實體通過大規模組網，不僅為邊緣提供計算和智能能力，同時也是一場架構革命，可以通過實時自適應協作在深度邊緣網絡上實現無線通信和計算資源的深度融合，這與傳統的移動邊緣計算或霧計算大不相同。與此同時，DEN2應該考慮處理數據安全和隱私問題，以及如何在默認情況下提供有效的數據和服務同步，這需要一個簡單但高性能的解決方案，可以通過重新構建協議棧來完成。DEN2還需要考慮如何支持深度邊緣節點實體之間的實時協作。
云計算是一種將資源和管理集中于云端的體系結構，這意味著靈活的資源配置機制，更少的管理負擔、以及方便的應用和服務供應。然而，這一優勢也是它的主要缺點，集中的資源和管理意味著功能和控制遠離任務產生的地方，由于物理距離長、帶寬有限、連接不穩定等原因，僅僅依靠云計算已經無法滿足5G中時延敏感的應用。
與云計算對應，邊緣計算于2014年由歐洲電信標準協會（ETSI）提出，是一種可以在無線網絡中，在用戶附近位置提供IT和云計算功能的網絡架構。
而霧計算則是由思科提出的：系統級水平架構，其將計算、存儲、控制和網絡資源和服務分布在從云到物的連續統一體的任何地方。
事實上，這三種技術并非競爭關系，而是相輔相成，彼此互補以形成一個服務體系，而霧則是連接集中式云和分布式網絡邊緣計算的橋梁。因此，云、霧和邊緣計算之間的協作將不可避免地成為多層計算模式的范例，如圖7所示。如同層級管理架構的公司一樣，各種計算技術之間依據業務不同，實現資源的優化配置，可以為客戶提供及時有效的定制服務。
圖7. 融合云、霧、邊緣計算技術的多 層計算網絡架構
圖源：Science China Information Sciences
多樣化的目標、多變的服務場景和個性化的用戶需求，這不僅是對6G網絡中常規通信參數的要求，更是對其智能化程度的考驗。與AI技術融合后，6G將進一步從目前的“人-機-物”交互演化為“人-機-物-靈”交互并建立起強大的認知服務架構。借助這種智能協同計算方案，6G網絡可以通過感知各種類型的客觀和主觀信息，充分提供沉浸式的萬物互聯服務，包括虛擬場景和真實場景。
顯然，5G無法滿足如此苛刻的條件。在6G時代，“設備+邊緣+云”的計算架構可以按需提供動態的、細致的服務計算資源。各種AI設備的協同服務將會隨著智能終端設備的普及而成為6G的重要支撐技術。因此，如何整合這些分散的AI功能，并根據不同的場景和用戶需求找到最優的服務組合，為用戶提供最佳的體驗，是亟待探索的問題。
三、新的范式轉換
為實現6G的性能指標和應用場景，目前的 5G無線通信網絡預計有四個新的范式轉變， 即 全覆蓋、全頻譜、全應用和強安全。全覆蓋旨在構建一個空天地海一體化網絡來實現網絡全球無死角覆蓋的宏偉愿景。全頻譜意味著包括sub-6 GHz、毫米波、太赫茲以及光頻段的全頻譜資源將會被充分挖掘。全應用表明6G網絡將通信、計算、控制/緩存和AI相結合，使其更加智能化。網絡安全在建設6G網絡時就應被考慮，也稱為內生安全，包括物理層和網絡層。
1. 全覆蓋：空天地一體化網絡
在5G技術時代，網絡一體化已取得一定的初步成果。6G網絡意在現有5G網絡規模之上再融合衛星通信網絡，無人機通信網絡，海洋機器類通信網絡構建一個如圖8所示的空天地海一體化網絡，實現6G網絡的全覆蓋。
圖源：Science China Information Sciences
作為一個分層的異構體結構，在空天地海一體化網絡中，多維異構資源的動態協作對于數據傳輸、處理、感知和緩存的效率是至關重要的。在各種網絡的進一步融合過程中，還存在許多挑戰和機遇需要進一步研究，包括：
2. 全頻譜
為緩解頻譜這一寶貴資源的稀缺性，6G標準提出全頻譜的概念，即Sub-6 GHz、毫米波、太赫茲以及光頻段的全頻譜資源的充分挖掘。現階段，sub-6 GHz和毫米波頻段已進行了廣泛研究，但太赫茲和光頻段的無線信道傳輸特性仍需要進一步研究。
傳統上，將26.5-300 GHz頻段定義為毫米波頻段，將300-10000 GHz定義為太赫茲頻段。但是，近年來，已普遍接受將100-10000 GHz（或0.1-10 THz）定義為太赫茲頻段。隨著無線通信中流量的爆炸式增長，太赫茲頻段被認為是為6G提供大帶寬和充足頻譜資源的有希望的候選頻段。在6G無線網絡中，太赫茲通信典型的應用場景包括室內通信，無線數據中心，安全通信場景(譬如軍用網絡)。但太赫茲是否會成為6G的關鍵技術還存在疑問。根據當前技術的現狀，仍然需要進一步解決一些關鍵挑戰，包括：太赫茲固態、超外差發射、太赫茲調制器、太赫茲信道模型、太赫茲信道估計、太赫茲波束成形和波束跟蹤，以及太赫茲信號產生、檢測、成本、制造等。
作為全球互聯網的關鍵推動力，光纖網絡連接各大洲，構成現代通信骨干網，為大都市、城市、城鎮以及越來越多的家庭提供高速數據訪問。將光纖傳輸直接拓展至無線接口，實現最后一英里的連接和移動訪問似乎亦是發展的必然選擇。
鑒于此，無論工業界還是學術界，均對無線光通信技術的發展青睞有加，主要包括:
（1）自由空間光通信（FSO）；
（2）可見光通信（VLC）；
（3）光學相機通信（OCC）；
（4）光無線聯網，也稱為Li-Fi；
3. 全應用
隨著AI和機器學習領域的高速發展， 6G網絡與幾代網絡相比，其智能化程度必然再攀高峰。通過人工智呢的強大算力對網絡資源，譬如節點和設備能力，可用頻譜，計算能力，供能，通信信道等，的多參數目標性能優化，可對網絡性能在有限的能耗下得到更大的提升。
此外，在大量以人為中心的服務中，6G網絡的高智能化便體現的淋漓盡致。例如，深度學習可以大大提高室內定位的準確性，智能物聯網和多模式數據收集基礎設施可以實現個性化的醫療保健。服務智能化可以通過核心網絡中的集中智能和接入網絡中的分布式智能相結合的方式實現。
6G網絡智能化的一個典型案例便是“智能內生網絡”，即通過將AI技術引入網絡，對網絡及其相關用戶、服務和環境的多維主客觀知識進行表征、構建、學習、應用、更新和反饋。基于所獲得的知識，實現網絡的立體感知、決策推理和動態調整。因此，網絡可以根據所需要的任何新服務自動進行更新。其自進化閉環結構如圖9所示
圖源：Science China Information Sciences
按照這一方向，構建智能內生網絡需要解決的理論問題和關鍵技術包括：
6G網絡的知識圖表征與構建技術
全息網絡立體感知技術
柔軟而靈活的網絡資源調度機制
-
預計在6G時代，信息通信和數據科技將會更加深入地融合，從而加速網絡設計的各個方面的創新和集成，例如網絡架構、核心網絡、無線接入網、物理層和更高層的協議棧。智能、開放、綠色和柔性將是6G網絡的關鍵特征。
4. 內生安全
安全是通信技術標準設計永恒的話題之一。6G亦不例外，特別是隨著新技術的投入使用， 6G網絡中可能存在的安全和隱私問題主要體現在以下幾個方面：
（1）AI帶來的安全和隱私問題
（2）物聯網網絡中的安全問題
面對挑戰，6G網絡安全和隱私問題的可能應對對策包括：
傳統的密碼學方法與更輕量級的算法
基于物理層的方法
基于量子的方法
基于區塊鏈的方法
-
綜上，通過集合業內多位頂級專家學者，指出當前 5G 無線通信網絡的局限性，并從標準劃定，行業應用，使能技術與范式轉變等多個維度全面地介紹6G無線通信網絡技術。面對未來對網絡技術的近乎苛刻要求，極具前瞻性地為 6G 網絡技術的發展方向與趨勢提出寶貴建議。
You, X., Wang, CX., Huang, J. et al. Towards 6G wireless communication networks: vision, enabling technologies, and new paradigm shifts. Sci. China Inf. Sci. 64, 110301 (2021).
| 來源：長光所Light中心，
中國光學
，編輯：趙陽
免責聲明：
本文系網絡轉載，版權歸原作者所有。
文章內容系作者個人觀點，本平臺轉載僅供學習交流，如果有任何異議，歡迎聯系國際第三代半導體眾聯空間。
現在申請入孵
可享受價值萬元的年度專業服務
還可以享受星級孵化服務
還有更多入孵福利！
創業需要一個好平臺，選擇一個最合適的，國際第三代半導體眾聯空間期待您的加入！
