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全球首發《6G白皮書》，6G到底是什么？

點擊：作者：綜合來源：昆侖策網【綜合】發布時間:2019-10-30 09:41:27

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【報告】6G白皮書發布

6G到底是什么？

（作者：Zero）

盡管全球5G才剛開始，但研究機構已把目光轉向6G技術了。近日，芬蘭奧盧大學發布了全球首個6G白皮書，此白皮書是基于70位受邀專家于2019年3月在芬蘭拉普蘭舉行的首屆6G無線峰會特別研討會上分享的觀點，涵蓋6G的關鍵驅動因素、研究要求、挑戰和研究問題等。

該白皮書基于70位專家的觀點系統性地介紹了6G技術趨勢，這些專家們都參加了今年3月舉行的首屆6G無線峰會，非常值得一讀。本文根據該白皮書提煉整理而成。

6G什么時候來？

從歷史看，大約每十年移動通信就會更新換代，如今我們已進入5G時代，預計6G將在2030年左右出現。

6G愿景

6G愿景是：泛在無線智能。泛在，即6G服務將無縫覆蓋全球用戶；無線，即無線連接是關鍵基礎架構的一部分；智能，即為全人類和萬物提供情景感知的智能服務和應用。

6G驅動力來自哪里？

5G的驅動力來源消費者不斷增長的流量需求，以及垂直行業的生產力需求。也就是說，本質上是商業需求驅動了5G。

6G與5G不同，6G的驅動力來源商業需求和社會需求。

6G的社會驅動因素包括政治、經濟、社會、技術、法律和環境等方面的社會需求，以進一步促進數字社會的包容性與公平性，比如，讓全球貧困人口、弱勢群體和偏遠的農村居民都能公平地享受到教育、醫療保健等服務。

相比5G，6G具有更廣的包容性和延展性，因此6G將不只是傳統運營商的，而會在傳統運營商之外產生新的生態系統。比如，由于引入頻段越來也高，網絡越來越密集，針對垂直市場的本地網絡將越來越普遍，這些本地網絡將由不同的利益相關者部署，從而驅動“本地運營商”模式，繁衍出新的生態系統。

6G引發生活變革

報告展望，到2030年，隨著6G技術的到來，許多當前仍是幻想的場景都將成為現實，人類生活將出現巨大變革。

隨著新型顯示、傳感和成像設備以及低功耗專用處理器等技術的發展，現在的智能手機將被一個輕量的眼鏡替代，通過超高的網速實現超高的分辨率、幀速率，并能提供虛擬現實、增強現實、混合現實合并為一的“XR”服務，與我們的感官、運動無縫連接。

高分辨率的傳感成像、可穿戴顯示器、超高速的無線網絡將使實時捕捉、傳輸和渲染3D圖像的遠程全息成為現實。例如在會議中實時“投影”每個參與者、通過XR制造感知幻覺，使處于不同城市的人感覺同處一室。這在遠程教育、協作設計、遠程醫療、遠程辦公、高級三維模擬和訓練，以及國防領域應用很廣。

2030年以后，世界將有數以百萬計接入網絡的自動駕駛車輛，運輸和物流都將更為高效。這些車輛既包括在家、學校、工作場所之間運行的無人駕駛汽車，也有運送貨物的自動卡車或無人機。每一輛車都將配備許多傳感器，包括攝像機、激光掃描儀、里程計和太赫茲雷達等。算法必須快速融合生成周圍環境地圖，包括其可能碰撞的其他車輛，行人，動物等信息。

6G性能指標

性能超越5G百倍

白皮書認為，與從1G到5G的前幾次移動通信技術換代類似，6G的大多數性能指標相比5G將提升10到100倍。

白皮書給出了幾個衡量6G技術的關鍵指標：峰值傳輸速度達到100Gbps-1Tbps，而5G僅為10Gpbs；室內定位精度10厘米，室外1米，相比5G提高10倍；通信時延0.1毫秒，是5G的十分之一；超高可靠性，中斷幾率小于百萬分之一；超高密度，連接設備密度達到每立方米過百個。此外，6G將采用太赫茲頻段通信，網絡容量大幅提升。

從覆蓋范圍上看，6G無線網絡不再局限于地面，而是將實現地面、衛星和機載網絡的無縫連接。從定位精度上看，傳統的GPS和蜂窩多點定位精度有限，難以實現室內物品精準部署，6G則足以實現對物聯網設備的高精度定位。同時，6G將與人工智能、機器學習深度融合，智能傳感、智能定位，智能資源分配、智能接口切換等都將成為現實，智能程度大幅度躍升。

技術難題仍待突破

6G的高性能很誘人，但要解決的技術難題也不少。第一個挑戰就是攻克尚不成熟的太赫茲通信技術，實現理想中的通信速率；而隨著波段頻率增加，天線體積將越來越小，頻率達到250GHZ時，4平方厘米面積上足以安裝1000個天線，這對集成電子、新材料等技術是巨大的挑戰。

白皮書認為，到2030年，數字世界將與物理世界深度融合，人們的生活將愈發依賴可靠的網絡運行，這對通信網絡的安全問題提出了更高要求，6G網絡應具備緩解和抵御網絡攻擊并追查攻擊源頭的能力。

6G時代的到來必將帶來萬物互聯，產生海量數據信息。一方面，這些數據關乎個人和企業隱私，實現可靠的數據保護是6G推廣應用的前提；另一方面，實時處理這些數據需要成熟的邊緣計算技術，而邊緣計算還面臨數據訪問受限、設備計算能力和存儲能力不足等問題。

奧盧大學“6G旗艦計劃”負責人馬蒂·拉特瓦霍（Matti Latva-aho）在白皮書發布聲明中表示，6G的根本是數據，無線網絡采集、處理、傳輸和消耗數據的方式推動6G的發展。

也就是說，6G的研究就是要按照6G的標準，解決數據從采集到消耗中的技術難題。

【介紹】全球首個6G白皮書

7大維度看6G的驅動力與挑戰

近日，芬蘭奧盧大學發布的全球首個6G白皮書《KEY DRIVERS AND RESEARCH CHALLENGES FOR 6G UBIQUITOUS WIRELESS INTELLIGENCE》（6G無線智能無處不在的關鍵驅動與研究挑戰），從七個方面全方位分析6G的驅動因素、研究需求、挑戰和問題等。

6G的社會和商業驅動力

5G技術的開發滿足了消費者和工業界對網速的需求和，并使物聯網（IoT）的重要性日益提高。5G的技術成功依賴于許多領域的新發展，并將為更多的設備和用戶提供更快的數據速率。6G將需要一種更加全面的方式來確定未來的通信需求，并采用更大的樣本來確定6G的要求。包括確定未來社會的發展趨勢，需求和挑戰，以及塑造我們未來世界的全球力量，避免僅由商業驅動來發展。盡管5G的發展是由一系列垂直行業的需求決定的，但重點仍然是移動網絡運營商所驅動。6G將推出超高效的短距離連接解決方案，該解決方案可能由市場上的新參與者推動，在傳統運營商之外產生新的生態系統。

包括聯合國可持續發展目標在內的社會驅動因素將塑造6G。

社會和商業驅動因素將越來越多地影響著6G的發展，如下圖所示，包括政治，經濟，社會，技術，法律和環境（PESTLE）驅動因素。為確保智慧城市服務和城市化的利益得到合理分配，政策需要確保所有人都能獲得基礎設施和社會服務，重點是城市貧困人口和其他弱勢群體對住房、教育、醫療保健、工作和安全環境的需求。未來的6G架構將促進數字包容性和可訪問性，并釋放農村經濟價值和機會。

降低整體網絡能耗的高能效是6G的一個關鍵要求。在整個產品生命周期中材料的合理選擇、使用和回收利用可以降低成本，有助于將網絡連接擴展到偏遠地區，并以可持續且更節省資源的方式提供網絡訪問權限。學術界已對通信電磁波（包括移動電話和基站）可能對健康造成的影響進行了廣泛的研究。迄今為止進行的所有研究均表明，暴露于低于ICNIRP（1998）EMF指南建議的限值（覆蓋0-300 GHz的整個頻率范圍）不會產生任何已知的不利健康影響。6G技術的引入將引發進一步的研究以進行更好的健康風險評估。

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▲政治、經濟、社會、技術、法律和環境對6G的影響

在可預見的將來，由于長期頻譜許可，目前用于移動通信網絡的較低頻段（低于4 GHz）預計將保持穩定并由運營商主導。然而，6G時代，針對室內環境和室外城市空間的超高效短距離網絡的新頻段將變得很普遍。這些本地網絡將針對具有特殊需求的垂直市場，并將由不同的利益相關者進行部署，從而向新的參與者、新的投資者和新的生態系統開放。建立多個重疊的超密集網絡將很快變得不可行，并將導致不同的利益相關者在一個設施內部署單個網絡以服務于多個用戶組和服務。

通過軟化和網絡功能的虛擬化以及接口的開放，共享經濟概念將不僅用于高層平臺業務層，而且還將廣泛用于網絡連接和數據層。像網絡中立性法規辯論一樣，與流量優先級相關的挑戰仍在繼續。頻譜訪問權，網絡，網絡資源，設施和客戶所有權的變化將導致多種組合，因為不同的設施將具有不同的要求。在所有利益相關者的共同努力下，頻譜的全球統一仍將是一個需要解決的挑戰。

6G將比迄今為止所見的任何事物更深入地滲透到社會和人們的生活中。這將是非常復雜的，除了通訊還涉及數據收集，處理和無處不在的智能。為避免過高的運營成本，將在具有高度自動化水平的云技術上運行6G軟件。這將需要監管方面的進步。

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▲本地運營商的驅動力

作為一種共享經濟，未來的6G生態系統將改變現有角色，并引入新的玩家，從而形成下圖所示的復雜生態系統。雖然預計運營商市場在5G中將繼續占據主導地位，但未來的6G連接解決方案將由新的市場參與者驅動。下圖的中間四邊形顯示了代表來自人和機器用戶的不同需求和利益相關者，這些利益相關者特定于不同垂直領域的公共部門或企業，將提供滿足需求范圍所需的資源。在決策者設定的監管框架下，由利益相關者的不同角色提供物理基礎結構（設施，站點），設備和數據。需求和資源通過匹配/共享的利益相關者角色聚集在一起，包括不同類型的運營商（本地或垂直特定運營商，固定運營商，移動網絡運營商，衛星運營商），資源代理以及各種服務/應用程序提供商 /安全提供商。

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▲未來6G生態系統的利益相關者

總體而言，與當前的移動業務生態系統相比，預計6G中的玩家角色將發生變化，并且將出現全新的角色。可以預期，上文分析的主要驅動因素將從根本上改變生態系統，并為6G中的各種玩家帶來新的機會。最后，新的6G生態系統的出現和形態將取決于促進或阻礙這些發展的法規。

研究者們主要關注的問題：

1、6G的社會需求是什么？
2、如何對6G玩家及其生態系統配置進行分類?
3、在6G共享經濟中，基于平臺的生態系統商業模式將是什么樣的?
4、在未來的6G系統中，人工智能(AI)和機器學習(ML)如何改變基于平臺的生態系統、業務模型和服務?
5、6G響應社會需求所需的最低可行法規是什么？
6、如何開發新的機制和商業模式來支持偏遠地區的訪問？

6G使用案例和新設備形式

盡管智能手機已成為我們生活中不可或缺的一部分，但新顯示技術，傳感和成像設備以及低功耗專用處理器的飛速發展將迎來一個設備與感官無縫連接的新時代。VR、AR和混合現實（MR）技術正在合并到混合現實技術（XR）中，該技術包含可穿戴的顯示器以及產生并保持感知錯覺的交互機制。

XR體驗很可能由輕巧的眼鏡提供，它們以前所未有的分辨率，幀速率和動態范圍將圖像投射到眼睛上。此外，將通過耳機和觸覺界面反饋其他感覺。必要的支持技術包括：1）成像設備，例如光場，全景，深度感應和高速相機；2）用于監視健康狀況（例如心率，血壓和神經活動）的生物傳感器；3）設備或周圍網絡基礎設施中用于計算機圖形，計算機視覺，傳感器融合，機器學習和AI的專用處理器；4）無線技術，包括定位和傳感。

傳感和成像設備可以捕獲我們的整個生活經歷以及詳細的物理環境，而虛擬世界的保真度則不斷提高。這些進步與分發計算的需求結合在一起（因為計算需求超過了諸如眼鏡之類的小型設備）突顯了無線網絡對性能的需求。

幾個世紀以來，人們一直在尋找遠距離或者真實感受的方法。從信件，電報，電話到視頻聊天，我們對遠程通信和交互的期望不斷發展。遠程呈現作為實際旅行的替代品，隨著以下支持技術的空前發展，最終成為現實：高分辨率成像和傳感，可穿戴顯示器，移動機器人和無人機，專用處理器以及下一代無線網絡。通過實時捕獲，傳輸和渲染會議中每個參與者的3D全息表示，或通過圖形表示（例如化身）和傳感器捕獲的移動數據的組合來實現存在感。XR設備會產生感知上的錯覺，這些設備會讓地理上分散的人群獲得位于同一位置的感受。

即使存在遠程呈現，隨著人口和全球化的增長，人員和貨物的流動仍然是一個嚴峻的挑戰。2030年及以后的世界，數百萬聯網的自動駕駛汽車或將以不同程度的協調性運行，以使運輸和物流盡可能高效。這些車輛可能包括自動駕駛汽車，以及可以運送貨物的自動駕駛卡車或無人機。到2030年，預計在線消費者購物將在發達國家占主導地位，這需要將數百萬個包裹從倉庫運送到各個家庭。

效率不僅對于提高全球生產率很重要，而且對于減少化石燃料的消耗實現可持續發展目標也很重要。安全比效率更為迫切：隨著自動駕駛汽車的使用增加，對人類的傷害也不應增加。實際上，目標應該是減少當今運輸和物流網絡造成的全球人員傷亡率。傳感器，傳感器融合和控制系統的進步不斷提高安全性，但這是以增強網絡需求為代價的。

未來網絡中的每輛車都將配備許多傳感器，包括相機，激光掃描儀，可能用于3D成像的THz陣列，里程表和慣性測量單元。算法必須快速融合來自多個來源的數據，并在考慮本地生成的當前周圍環境地圖，在該環境中的位置，有關其他可能導致人身傷害的其他車輛，人員，動物或建筑物的信息的同時，快速決定如何控制車輛碰撞或受傷。還必須開發接口，以警告乘客或主管注意潛在風險，以便采取適當措施避免發生事故。為了使車輛網絡高效，安全地運行，無線網絡除了具有低延遲和高帶寬外，還必須提供超高的可靠性。

研究者們主要關注的問題：

1、下一代XR系統的功能、性能和人機工程學需求是什么?
2、在未來的XR系統中，如何在不同的組件之間分配計算資源和數據?
3、如何為下一代XR設備定義和測量基于人類感知的體驗質量(QoE)標準?
4、下一代網絡和設備能為人們之間的互動提供哪些新機會?
5、自動駕駛車輛在通信可靠性和交通安全方面需要考慮哪些因素?

6G頻譜和KPI目標

用于開發當前和新興5G技術的許多關鍵績效指標（KPI）對6G也有效。但是，必須對KPI進行嚴格審查，并且必須認真考慮新的KPI。對于技術驅動的KPI，一些領先的供應商已經發布了6G要求的初始草案，如下圖所示。

▲由學術界和工業界在不同的論壇提出的一般的6G目標

在大多數技術領域中，超越5G（B5G）和6G的目標再次表明，與先前的移動蜂窩一代升級相一致，各自的功能提高10-100倍。

下圖中列出了一些潛在的6G KPI，包括先前討論的技術KPI。

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▲最初的6GKPI

預計未來的無線網絡將支持各種各樣的有時相互沖突的要求。預計6G將成為第一個要求超高速鏈路的無線標準，其每個鏈路的峰值吞吐量超過每秒兆比特（Tbps）。6G用例（例如無線工廠自動化）將需要非常復雜的操作，例如具有超高可靠性和超低延遲的通信，高分辨率本地化（在厘米級別）和高精度設備間同步（在1 s內）。預計6G可靠性和等待時間要求會因具體情況而異。最極端的一種是工業控制，其中十億個傳輸位中只有一個錯誤位具有0.1 ms的延遲。

我們可以預見，對于6G，數據流量和連接物的數量將大大增加。設備密度可能會增長到每立方米數百個設備。這對面積或空間頻譜效率以及連接所需的頻帶提出了嚴格的要求。

安全性，隱私性和可靠性是重要的新興KPI。6G將需要高度安全，以滿足工業和高端用戶的苛刻要求，同時對于物聯網（IoT）應用而言，其成本要低且復雜度要低。

對于未來的網絡，將需要更寬的無線電帶寬，但只能在亞THz和THz頻段找到。該頻譜的利用帶來了許多挑戰，但也帶來了機遇。因此，盡管6G還將利用較低頻率上的所有現有和未來頻帶作為移動蜂窩大面積覆蓋的推動力，但無線電硬件研究將主要集中在該頻譜領域。超高效的短距離連接解決方案將是6G的關鍵，而6G是未來更高頻段可以發揮作用的領域。

分子吸收對路徑損耗具有重大影響，尤其是在距離較長時（在高達400 GHz的頻率下約為1…10 dB / km）。但是，對于本地連接而言，與自由空間損耗相比，影響仍然很小，并且可以將THz無線電頻譜劃分為500 GHz以上的大氣吸收峰之間的有利頻譜窗口。除技術界限外，在對無線電頻譜進行分類時，還應考慮各種材料的滲透和表面的反射。

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▲光譜窗口，自由空間損失和水汽吸收的影響距離為10米

下圖給出了可用于5G和6G的頻帶的基本特性。應注意的是，從30 GHz開始進入THz區域時，自由空間損耗的增加非常小。如果天線面積保持恒定，則通過增加天線增益來補償自由空間損耗。而不是自由空間的損失，較高頻率的缺點是RF硬件的復雜性和并行性增加，并且波束寬度減小，這在移動應用中產生了信號采集和波束跟蹤的問題。

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▲5G和6G頻譜

當前許多物聯網場景都受范圍，成本和電池限制，無法輕易擴展到更高的頻率。相反，諸如傳輸全息視頻之類的數據速率密集型方案要求帶寬即使在當前的毫米波頻譜中也不可用。需要根據子帶的吸收和反射特性來安排THz頻譜的頻譜利用，以優化通信和其他應用的使用和重用。具體而言，在支持多種應用的方案中，必須通過仔細的頻率規劃來防止諧波產物的重疊。由于弱信號檢測中的靈敏度是關鍵瓶頸之一，因此在頻率調節中應優先考慮采取預防措施。

研究者們主要關注的問題：

1、如何評估和量化聯合國可持續發展目標KPI指標?
2、對于6G通信應用而言，什么是合適的無線電信道模型？是否有可能統一從GHz到THz的整個范圍的模型？
3、在100 GHz以上的商用頻段需要什么可行的頻段？需要哪些技術？
4、數據隱私和安全的適當指標是什么？
5、未來頻譜分配和相關政策的真正需求是什么？

無線硬件的進展和挑戰

首批5G設備將工作在6 GHz以下的頻帶中，并在固定無線接入到毫米波中。用于5G研究的新硬件技術的重點主要是在毫米波頻段上采用新頻譜，首先是在24-40 GHz范圍內，然后逐漸提高到100 GHz載波頻率。要為移動用戶啟用毫米波，仍需要進行大量研究，包括在非視距（NLOS）環境中靈活地進行多光束采集和跟蹤的硬件和算法。大規模多輸入多輸出（MIMO）天線實現的能效仍然是一個巨大的挑戰。

由于較高的路徑損耗，因此需要額外的天線增益，并且通信需要利用通過相控陣實現的定向鏈路。塊狀互補金屬氧化物半導體（CMOS）和CMOS絕緣體上硅（SOI）技術可提供足夠的性能，并滿足使用片外天線的大多數應用的要求。與射頻集成電路（RFIC）相比，天線元件仍然很大。硅鍺雙極CMOS（BiCMOS）是一個不錯的選擇，尤其是在接近和超過100 Gbps數據速率和100 GHz載波頻率時。

當載波頻率進一步提高到1 Tbps鏈路速度時，定向發送和接收的作用就變得更加明顯。同時，在高于100 GHz的頻率上使用CMOS晶體管變得更加困難。一方面，繼續探索CMOS技術支持100 GHz以上頻率的潛力仍然是有益的。另一方面，新的或有時是常規的但性能更好的硬件技術，例如硅鍺（SiGe）或磷化銦（InP），可以在更大范圍內利用頻譜，并改善RF性能。電子硬件的物理和技術邊界以及傳播的基本定律都會成為瓶頸，或者至少會減慢其發展速度。

100 GHz以上的短波長和更寬的可用帶寬將實現更高的數據速率，同時還能實現定位和3D成像和傳感的成像和雷達應用之前所未見的角度和測距精度。因此，應該以前所未有的規模一起研究超高速低成本通信和高級傳感系統的硬件需求，范圍和機會。

無線電解決方案所需的物理空間將隨著頻率的增加而大大減少：在250 GHz頻率下，一個1000天線的天線陣列將適合不到4平方厘米的區域。當前的移動設備的表面積可以容納數萬個天線。與相應的天線相比，這將導致新的挑戰，集成電子設備將變得越來越大。為了達到良好的通信或感測范圍而需要的大型天線陣列將導致筆形波束異常狹窄。通過將消息僅指向正確的目標，它們可以提供更好的安全性，但是同時它們也容易發生對齊錯誤。

最大的挑戰可能與能耗有關。在低速率傳感應用中，需要具有能量收集功能的零能量，獨立式無電池解決方案。另一方面，毫無疑問，需要寬帶處理的最苛刻的愿景和出乎意料的應用將要求大大提高電源效率。

物理定律和利用它們的相關技術所施加的限制也將使新一代6G無線技術成為可能。當信號處理的目標數據速率和所利用的載頻接近主流和負擔得起的技術的基本極限時，模擬和數字信號處理中晶體管的速度就成為一個問題。

大規模通信的成功基于CMOS，在最苛刻的RF規范中，還基于BiCMOS的半導體技術，該技術不斷降低了每項功能的成本，并提高了模擬和數字處理的速度。這個假設在將來仍然有效嗎？由于即使在硅內部，接口的速度也成為主要的瓶頸，尤其是在CMOS中，因此較小的晶體管提供的增加的速度不容易獲得。納米級技術的更有限的功率傳輸能力進一步挑戰了這一點，這導致了信號處理所有階段中并行性的提高。不利的熱效應，低擊穿電壓和有限的電池容量是通向Tbps通信方式的明顯障礙。但是，要想完全替代硅技術是一項挑戰，要擴展主流技術的使用的所有機會都需要從器件到收發器架構的進一步研究。

一個天線元件的尺寸將變小，因為即使在較低的THz頻率下，陣列元件之間的半波長距離也將達到數百微米-這種尺寸可將天線陣列集成到硅片中。隨著天線元件的尺寸變得小于相關的電子設備，將需要采用新的收發器架構方法。為了避免成千上萬的帶有天線元件的并行收發器前端，基于透鏡的先進系統可能會發揮重要作用。

材料屬性和有害的寄生效應通常會隨著頻率的增加而變差。因此，當前的焦點集中在優于CMOS的硅鍺異質結雙極晶體管（HBT）上。此外，更快的III-V半導體技術（例如磷化銦）值得更多關注。從鏡頭到數字技術的各種技術的包裝和集成面臨的挑戰是關鍵的研究問題之一。光子學是THz領域的主導技術，也是用于高速接口的解決方案，是6G的可行技術。隨著所謂的太赫茲（THz）差距不斷縮小，電子和光學器件為超高速接口和可見光通信帶來了互補的機會。這是6G領域中與特定但廉價的光學組件和系統解決方案進行短距離鏈接的機會。

研究者們主要關注的問題：

1、在所謂的“THz間隙”周圍，電子和光學技術如何融合并專門用于不同的應用?
2、硅基技術在THz/Tbps系統中表現良好嗎?還需要哪些其他技術?
3、在頻率遠高于100ghz的情況下，如何才能實現足夠的輸出功率和可操控的天線陣列，用于10米以上的通信和傳感?
4、可調天線和其他射頻解決方案能在100 GHz以上的頻率下實現嗎?機器學習能幫助解決這個問題嗎?
5、THz區域如何能同時滿足通信、傳感、物質檢測和成像的相互需求?

物理層和無線系統

沒有任何一種解決方案可以滿足所有垂直應用程序的需求。巨大的系統需求，例如大規模的寬帶，超可靠的低延遲通信（URLLC），大規模的機器類型通信（mMTC）和極高的功率效率，意味著將需要許多解決方案。需要逐案優化系統，并且必須重新定義不同用例之間的兼容性。

當前的5G新無線電（NR）網絡尚未能夠滿足現有和新興URLLC要求的所有苛刻設計需求，例如超高可靠性，超低延遲，超安全網絡。因此，我們研究了未來物理層和無線系統的前景。除了地面網絡，還需要基于衛星和無人飛行器（或類似的空中平臺）的基礎設施來滿足覆蓋范圍和容量要求。

當與數據爆炸以及越來越多的數據在小型設備中打包和處理這一事實結合在一起時，能源和功耗就變得特別具有挑戰性。同時，收發器處理和最終用戶應用程序的復雜性可能會導致導致過多的能源消耗，而無需在所有層上進行仔細設計以提高能效。

要滿足所有已確定的挑戰性要求，就需要具有可配置無線電的超靈活網絡。人工智能和機器學習將與無線電感測和定位一起使用，以了解無線電環境的靜態和動態組成部分。僅以此為例，這將用于預測高頻下的鏈路丟失事件，主動確定密集城市網絡中的最佳切換實例并確定基站和用戶的最佳無線電資源分配。未來的無線網絡必須能夠與地面，衛星和機載網絡無縫連接。可見光通信是在室內場景中實現Tbps數據速率的關鍵推動力。

需要新的空中接口使能器，并且必須開發新的空中接口使能器以滿足這些要求。多數要求廣泛使用ML和AI算法，以改善空中接口的時變性能。語義通信的概念（利用消息的含義使連接和聯網更有效）是與語義AI緊密相關的重要的新興研究領域。一個重要的問題是，對于給定的環境和一組特定的要求，是否可以使用AI快速設計最佳的空中接口。這表明AI啟發了空中接口。但是，它們的真實性能，特別是實際使用案例中的功率和能源效率是一個開放的研究問題。

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▲未來無線的挑戰

6G系統要擴展5G開始的趨勢，就必須靈活地啟用mMTC用例，在支持高功率效率的同時，支持大量低功耗和低復雜度的設備。這些需求對物聯網特別苛刻，其中設備偶爾會生成短數據包，并且資源分配的開銷可能超過實際的信息交換。基于適當協議設計并依靠連續干擾消除的現代隨機訪問解決方案可能成為該方向的關鍵推動力。實際上，已經在某些衛星標準中采用了這些標準，它們被證明可以實現預定訪問的性能，同時實現真正的無贈款方法。此外，現代的隨機訪問協議利用物理層和MAC層的聯合設計來提高可達到的吞吐量。這些對于短距離連接解決方案，即在非蜂窩域中可能是有用的。

為了從這種緊密的集成中充分受益，應該考慮數據幀結構的優化以及前向糾錯設計。必須注意調制方案的選擇，對于有限的信道狀態知識以及將5G信道編碼選項擴展到短而低速率的數據包而言，調制方案必須具有魯棒性。

為了實現比特率的增強性能，將需要使用非常高的星座調制。然而，這些高階星座對傳輸介質中的非線性敏感。用于正交幅度調制（QAM）的信號整形可能能夠克服其中一些挑戰。信號整形分為兩種：幾何的和概率的。幾何和概率QAM星座整形都有望在光學和太赫茲無線通信系統中實現創紀錄的高比特/秒/赫茲/極化。

事實證明，正交頻分復用（OFDM）對于寬帶連接非常有效。較早前也提出了在60 GHz下具有大于500 MHz帶寬的超寬帶（UWB）系統的多頻帶OFDM版本。當傳輸帶寬達到極限時，例如數百GHz頻段上的幾GHz甚至幾十GHz，傳統的收發器設計就會開始失敗，并且多載波調制無法像當前技術那樣工作。相反，將需要更強大的模擬調制方案。

未來的光學無線通信可能依賴于量子密鑰分發（QKD）方案，該方案可以提供一些獨特的物理層安全性功能，從而為某些6G應用和使用案例啟用所需的超安全網絡。QKD提供了一種在兩個用戶之間分發密鑰的安全方法。這樣，通過量子力學而不是復雜的計算確保了保密性。此外，在6G中可能會使用通過物理層簽名（例如RF指紋）和某些其他技術（例如MIMO傳輸系數的隨機化，編碼等）的身份驗證。

總體網絡和系統級能效，特別是每焦耳的位數，需要顯著提高以支持6G的要求。這需要優化無線電資源，以便系統地設計發射能量和所需處理能量之間的受控平衡。該方法要求以節能的方式進行編碼，調制，發送和接收處理以及功率和頻率分配。此外，終端甚至在低功耗IoT節點中還需要超低能耗（sub mW）功能。其中大多數可以通過適當的RF和基帶硬件設計來實現，但是低功耗編碼，調制和物理層（nonOFDM）也需要解決。來自環境和RF波形的反向散射通信和能量收集也將使具有不可更換電池的IoT節點具有較長的使用壽命。另外，使用RF功率進行連接和計算的反向散射通信可以提供通向超低功率通信的途徑。

在電磁可調表面（例如基于超材料）的革命的推動下，6G將控制來自大型智能表面（LIS）的信號反射和折射。開放研究的問題涉及從無源反射器和超材料涂層智能表面的優化部署到可重配置LIS的AI驅動操作。需要進行基本分析以了解LIS和智能表面的性能，包括速率，延遲，可靠性和覆蓋范圍。另一個重要的研究方向是環境AI，其中智能表面可以學習并自主地重新配置其材料參數。挑戰包括如何在大型超材料表面上聚焦具有不同入射角的信號，這需要反射/折射系數的可控性。在移動環境中，由ML驅動的智能曲面可能需要連續的重新訓練，其中需要訪問足夠的訓練數據，高計算能力和有保證的低訓練收斂性。

通過使用LIS和類似結構，使用6G可使全息照相無線電成為可能。全息RF允許通過空間光譜全息和空間波場合成來控制整個物理空間和電磁場的完整閉環。這將大大提高頻譜效率和網絡容量，并有助于集成成像和無線通信。

研究者們主要關注的問題：

1、如何設計高速率、低延遲、高可靠性、大帶寬的信道編碼、調制、檢測和解碼?
2、如何解碼Tbit/s通信(速度)?
3、如何設計滿足高能效和低成本要求的系統？我們如何實現真正的無電池操作？
4、如何通過物理層技術提高信息的安全性、私密性和可靠性?量子密鑰分配與光學(或微波在未來)是可行的嗎?
5、如何有效地設計毫米波/太赫茲鏈路，系統和收發器？如何補償或維持相位噪聲？相干，不相干，部分相干的系統有什么作用？如何實現移動定位，頻道獲取和跟蹤？
6、如何將有源天線陣列與透鏡天線相結合，實現大規模的MIMO和智能波束轉向?如何設計具有大型智能表面的系統?
7、如何設計高性能計算平臺與射頻鏈之間的高效接口?
8、如何應對高速的火車和無人機來支持網絡連接?我們可以也應該繼續使用多載波技術嗎?我們需要新的波形嗎?比如那些基于特殊仿射傅里葉變換的波形?

6G網絡

到2030年，數字世界和物理世界將糾纏在一起，人們的生活將取決于網絡的可靠運行。如果網絡故障，將失去主要的工業價值。在數字世界中，攻擊可能會損害無形資產，而在網絡物理世界中，物理資產可能會因數字攻擊而被盜，喪失能力或受到損害。惡意網絡活動可能導致財產和生命損失。

為了解決這個問題，我們應該將普遍存在的信任模型嵌入到網絡中，以便用戶可以信任網絡上的通信。用戶在這里是指個人和組織實體。信任模型應該無處不在地收集不當行為的證據，并提供間接的互惠和不可否認的行為。對于安全，信任和對安全至關重要的服務，網絡應提供嵌入式分布式拒絕服務（DDoS）緩解和保護功能，使其免受其他攻擊，并能快速，準確地追溯到用于攻擊的資源，并采用自動方式推動緩解攻擊者。設備應該只能看到預期的流量，而非預期的流量應被網絡丟棄。

將信任關系嵌入網絡需要設備和節點的更穩定的ID，而不僅僅是可能轉換或動態的地址。每個設備至少應具有一個唯一的名稱或多個名稱，網絡可以將這些名稱轉換為地址以及根據需要轉換回ID。應該為設備分配一個專用地址，或者像經典IP主機一樣，它們可能具有全局唯一的地址。連接后，設備應能夠控制其自身的可達性。尋址原理的自然結果是端到端通信“層”與用戶的數據包轉發是分開的。像軟件定義的OpenFlow網絡一樣，該網絡可以使用多種轉發協議，例如IPv4，IPv6，以太網和多種隧道協議。

端到端網絡連接是從一個客戶網絡到廣泛區域中的另一個客戶網絡。由于邊緣節點創建的通用流抽象，每個區域中的技術選擇都是獨立的。端到端連接層管理在異構數據包轉發層之上進行通信的意愿。邊緣節點具有服務主機的注冊表。它為所有服務的主機分配并維護穩定的ID，并根據請求將ID轉換為地址，并將地址轉換為ID。邊緣節點根據支持和使用主機和網絡實體信譽的實體的ID收集所有可見實體的行為的證據。

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▲6G中的通信可以建立在信任鏈之上

網絡將產生有關人員的前所未有的信息（物聯網，工業物聯網，eHealth，人體局域網等）。IIoT將產生大量業務敏感和個人數據。互聯網公司已經證明私人信息的使用是多么有利可圖。從現實世界中收集的私人信息可能非常敏感，并以多種方式用于侵犯人們的利益。我們相信，要使6G為社會所接受，對私人信息的保護將是發揮其全部潛力的關鍵推動力。

公平的市場要求有可能保護業務敏感數據。用戶最終應該能夠通過簡單直觀的用戶界面來控制和管理其私人數據。對個人數據的所有權和控制權應交給相關個人或實體。

由6G設備和公共和私有網絡中的元素生成的某些數據對許多社會功能具有價值，并且可能對收集數據的公司以外的其他私有公司有價值。6G數據市場提供了自然而然的新業務案例。需要為這個市場制定明確的規則，以便包括普通消費者在內的所有類型的參與者都可以進入該市場。

當前的互聯網范例通常被稱為“盡力而為”交付。為了滿足差異化服務質量的需求，5G進行了切片，其中通過應用流量管理，鏈接和計算機資源分配以及選擇的虛擬網絡功能來控制和處理流量，從而針對用例量身定制網絡資源，容量和功能在切片中。分片可以為其用戶提供最大的努力，也可以應用某些QoS模式來處理數據包。

在6G中，將完善和擴展5G范式。一種可能性是虛擬化（關鍵）設備之間通過移動網絡到分組數據網絡以及到云的端到端連接。在6G范式下，網絡尋求通過多種技術手段（例如，智能流量管理，邊緣計算，用戶主動或針對每個交易或通過流量編排設置的策略）最大化用戶福利或體驗質量（QoE）。后者可以例如使用由用戶或運營商為一組訂戶使用的策略，每個訂戶在該組中均被平等對待。在某種意義上說，網絡是中立的，它平等地對待一個片中的所有應用程序，并且平等對待具有相同訂閱類型的所有用戶。

到6G時，網絡中立性法規可能會更新，并會強制MNO向用戶控制下的用戶提供增值安全服務。這樣的規定將為無法照顧自己設備安全性的用戶定義合理和可理解的責任，以防他們被用于攻擊其他用戶。同時，網絡應為服務和應用程序競爭提供公平的基礎，以最大化最終用戶的選擇。

6G研究將需要研究私有網絡和公共網絡之間的替代責任劃分。短距離連接解決方案與大覆蓋蜂窩系統的無縫集成將需要變得更加普遍，并且在開發和標準化方面將具有更大的推動力。

最近，對機器學習（ML）和人工智能的興趣日益濃厚。ML依賴于挖掘的大數據來獲取信息和知識。該方法是檢測遠程實體的惡意行為的合理選擇。網絡中還存在其他需要“智能”的需求，例如自我配置或管理復雜性。除了大數據，人工智能還依賴于大量的計算能力。6G將使用不斷增加的計算能力來應對更高的比特率，同時也將獲得更多的靈活性。除非在整個系統設計中解決，否則這將大大增加功耗。

另一個備受期待的新技術是區塊鏈，也稱為分布式分類帳。如果沒有中央機構，則該技術將允許以分布式方式存儲和共享不經常更改的信息。更改的完整記錄也會保留。這可能會帶來組織數據市場或幫助維持互操作員環境中信任的新方法。

研究者們主要關注的問題：

1、如何定義一個新的網絡范式，同時支持消費者、企業、生活和關鍵任務通信?需要什么樣的監管變化才能允許這種創新?
2、如何在網絡中嵌入信任和安全?如何利用虛擬化提供的隔離風格來保護端到端連接和通信?
3、什么樣的數據市場業務模型是可行的，需要什么樣的技術來支持它們?架構會是什么樣子，非技術用戶如何輕松地使用它?
4、需要什么樣的網絡功能、接口和協議來支持廣域和本地市場參與者之間以及消費者和垂直市場參與者之間新的責任劃分?
5、如何增強和改進虛擬化，以支持非關鍵通信和關鍵通信的最低成本實現網絡的最大靈活性?
6、6G可以利用哪些新的計算和軟件技術?

新服務的推動者

在5G蜂窩系統之前，蜂窩開發的重點一直放在通信方面，而其他服務（例如定位）的優先級卻很低：它們已經很晚才引入系統設計中。這并未導致最佳性能或系統功能的充分利用。未來的服務（例如混合現實）將很難生產，并且需要大量組件使能器（例如定位，3D映射，數字內容與物理模型的融合以及低延遲的超高速通信），以至于設計必要的促成因素不僅是可取的，而且對于實現良好的混合現實性能至關重要。密集的無線網絡在邊緣具有高頻天線陣列和強大的計算能力，可為此類集成服務提供自然支持。挑戰在于如何以節能的方式實現這些目標。

在深度學習方面的最新突破，可用數據的增加以及智能設備的興起推動下，人工智能正在見證無線領域的空前發展。迫在眉睫的AI用例（特別是用于強化學習）圍繞著創建可以自主管理資源和控制功能的自學網絡和系統。此外，隨著新一代自治設備的出現，它們在本地環境中進行傳感，通信和操作。在實踐中，將大量本地數據傳輸到集中式云以進行訓練和推理。這需要新的神經網絡體系結構及其相關的無線鏈路通信效率訓練算法，同時在網絡邊緣進行實時可靠的推斷。這樣的架構還帶來了新的挑戰：對訓練數據的訪問受限，推理準確性低，缺乏通用性以及邊緣設備的處理能力和內存受到限制。

邊緣計算為在基礎架構方面運行計算密集型，低延遲的用戶應用程序提供了新的可能性。此類計算的一個示例是針對移動虛擬現實體驗的偏向渲染。另一個例子是物理世界和數字世界的融合（將虛擬內容與3D點云匹配）以實現混合現實應用。第三種有趣的可能性是本地即時信息服務：邊緣云可以快速發現人員，服務，設備，資源以及用戶附近無法通過集中式搜索引擎收集的任何動態且高度本地化的信息。這樣的邊緣信息服務平臺可以用于創建服務，事物和信息的本地和動態市場。邊緣計算的極端情況是瘦用戶客戶端，本質上是一種輕巧的低能耗設備，能夠與人類的感知或神經系統進行交互，而所有用戶特定的計算都在邊緣云中進行。

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▲使用邊緣技術的用戶應用程序及其移動性

與當前的網絡不同，未來的通信系統將遍及多個垂直行業，從而實現大量需要定位的服務，例如資產跟蹤，上下文感知營銷，運輸和物流系統，增強現實和醫療保健。實際上，依賴GPS衛星和小區多重定位的傳統定位方法在城市和室內部署場景中是有限的，甚至是不切實際的。極高的載波頻率，大帶寬，龐大的天線陣列，致密化和設備到設備的通信是即將到來的技術，這些技術因其通信優勢而廣受贊譽，而其固有的本地化潛力通常被忽略。例如，雖然3D波束成形可在總體上提高頻譜利用率和信號質量，但它還可以為IoT應用程序進行精確定位。

基于RF的傳感是未來網絡的高載波頻率所帶來的另一種定位機會。例如，3D THz成像可通過準確的位置確定和物體檢測來提高交通安全性。基于光學或無線電技術的3D映射將是未來混合現實系統中的關鍵組成部分，并且將成為未來邊緣服務的自然組成部分。5G及以后的系統通過大規模天線陣列支持大帶寬（數百兆赫茲），也將提供進行高精度RF定位和跟蹤的潛力。但是，此類技術的完整應用仍然受到發射機與接收機之間足夠的隔離的困擾：下一代接入點很可能能夠通信，同時解決來自不同目標的反射。太赫茲頻率的頻譜環境傳感是另一個有趣的新機會。它允許諸如檢測和識別環境中的有害或有毒氣體等方面。

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▲6G網絡可以在邊緣處理定位、三維點云映射、混合現實數據融合等

上面討論的啟動器將處理和存儲有關用戶的個人和非常敏感的信息。例如，假設您的銀行或身份驗證應用程序在網絡邊緣而不是個人移動設備上運行。令人難以置信的是，任何人都同意在網絡中運行此類應用程序而沒有最大程度地關注信任，隱私和信息安全性。這是與通信系統安全性略有不同的目標。服務啟用者對隱私數據和安全性的要求更高，因為它們在不保護E2E加密（例如VPN）的情況下處理個人數據時（如果用戶應用程序在邊緣運行，則很明顯）。邊緣服務問題使人聯想到云服務，但由于邊緣中的用戶應用程序和上下文需要跟隨用戶，因此增加了移動性挑戰。

研究者們主要關注的問題：

1、如何為移動端服務和精準定位等敏感服務建立信任、安全和隱私解決方案?
2、如何在室內外空間達到cm級定位精度?
3、如何為混合現實服務提供基于網絡的三維傳感/成像能力?
4、哪些用戶應用程序將從邊緣服務中受益?如何受益?
5、如何提供低延遲、能夠訪問本地信息并持續跟蹤用戶的邊緣服務(即具有跨網絡邊界的移動性)?
6、邊緣AI在服務管理和系統編排方面的角色是什么?邊-本機環境在當前人工智能方法上設置了哪些新需求(例如來自隱私、安全、位置或分布的需求)?當前人工智能方法如何滿足這些需求?

5G移動通信技術的到來將成為推動生產力的主要因素之一，并有望成為許多行業長期設想的、高度集成和自主應用的關鍵推動者。這波新技術浪潮將加速經濟和社會的數字化。從歷史上看，新的移動“一代”大約每十年出現一次，5G的全球商業化目前正在起步。5G的性能和用例將在未來的版本中繼續發展。6G將搭載新技術，滿足超越5G發展的通信需求。現在是確定未來通信需求、性能要求、系統和無線電挑戰，以及6G確立面向21世紀30年代的研究目標的主要技術選擇的最佳時機。當然，在5G許多技術都還不太成熟的情況下談6G或許在某種程度上有些為時過早，但提前思考未來世界的變化以及人們對通信的進一步需求，對新技術、新設備的推動有著很重要的意義。

（來源：昆侖策網【綜合】，摘編自“國智清創雄安機器人研究院”“智東西”）

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