縱橫多維 以人為本
——6G通信網絡展望

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1 引言

第一代移動通信系統(tǒng)（1G，the first generation mobile communication system）解決了移動語音通信問題 （中心元素是“音”）成為移動通信系統(tǒng)從無到有的里程碑，并拉開了移動通信系統(tǒng)的演進序幕。伴隨著數(shù)字技術的成熟，第二代移動通信系統(tǒng)（2G，the second generation mobile communication system）完成了從模擬體制向數(shù)字體制的全面過渡，短信（中心元素是“文”）成為殺手級應用。在日益豐富的業(yè)務需求驅動下，第三代移動通信系統(tǒng)（3G，the third generation mobile communication system）采用了全新的碼分多址接入方式，完善了對移動多媒體業(yè)務的支持（中心元素可以說是“圖”）。以多入多出（ MIMO ，multipleinput multiple-output）和正交頻分多址接入（OFDM，orthogonal frequency division multiple access）為核心技術的第四代移動通信系統(tǒng)（4G，the fourth generation mobile communication system）不僅獲取了頻譜效率和支撐帶寬能力的進一步提升，還成為了移動互聯(lián)網的基礎支撐，中心元素是視頻服務（“視”）。在4G 獲得巨大商業(yè)成功的同時，第五代移動通信系統(tǒng)（5G，the fifth generation mobile communication system）逐漸滲透到垂直行業(yè)，把支持的傳統(tǒng)增強移動寬帶業(yè)務（eMBB，enhance mobile broadband）場景延拓至海量機器類通信（mMTC，massive machine type of communication ）場景和超高可靠低時延通信（uRLLC，ultra reliable and low latency communica-tion）場景，中心元素是物聯(lián)網的“物”。

然而，2030年及以后的市場需求里，新的應用會有更嚴格的要求（高可靠性，巨大容量，能效和低延遲）。這些要求可能會使采用傳統(tǒng)技術的無線系統(tǒng)能力飽和。而6G將有助于填補這一空白。

具體而言，6G的新技術主要包括以下特點。

（1）顛覆性通信技術。盡管5G網絡已經在非常高的頻率（毫米波頻帶）上運行，6G網絡仍然可以采用更高的頻譜，太赫茲波和可見光波通信將得到應用。

（2）創(chuàng)新的網絡架構。雖然5G網絡已經努力達到更有效的網絡設置，未來網絡應用的異質性要求還是提出了更高的緊密協(xié)調的新架構要求。因此在不同的通信技術中，需要考慮網絡設備的分解和虛擬化以及接入網和骨干網的集成。

（3）在網絡中整合智能。我們期望6G網絡中各個網元——無論是集中計算單元還是邊緣的每個終端——都能集成智能計算能力。通過共享用戶間或者運營商之間的信息，無監(jiān)督的機器學習將通過預測促進實時網絡決策。

因此，本文基于6G 業(yè)務需求框架提出新的通信中心元素——人。根據(jù)人的需求分析潛在場景，并在此基礎上通過多個維度討論一些新興技術。這些技術在今天的網絡中也許還不可用，但對未來6G系統(tǒng)發(fā)展會有所幫助。

2 潛在場景 以人為本

5G技術著重在以下諸方面取得合適的均衡：網絡延遲、功耗、部署成本、硬件復雜性、吞吐量、端到端的可靠性和通信的適應性。與此形成對照的是，2030年及以后的市場需求將引入新的應用，有更嚴格的要求（高可靠性、巨大容量、高能效和低延遲）。所述需求雖然種類繁多，但可以概括為三類：覆蓋人的環(huán)境（室內覆蓋、智慧城市、深海深空等極端環(huán)境），增強人的感受（大規(guī)模高速通信、虛擬現(xiàn)實、全息傳輸?shù)龋?，提高人生質量（電子醫(yī)療、工業(yè)4.0和機器人、無人駕駛的機動性等）。從中不難看出，6G通信的中心元素是“人”。

2.1 覆蓋人的環(huán)境

2.1.1 室內覆蓋

80%的移動流量是在室內生成的，因此蜂窩網絡的室內覆蓋一直存在不少挑戰(zhàn)。而在毫米波頻譜中運行的5G無線信號，其覆蓋能力受建筑物穿透損耗的影響尤為明顯。通過毫微微蜂窩基站或分布式天線系統(tǒng)（DAS）進行5G密集化，一定程度上彌補了5G室內覆蓋的缺陷，但為運營商帶來了可擴展性、高部署等方面的問題，以及管理成本的上升。6G針對成本感知和高效的室內連接提出解決方案，可由終端用戶自主部署并由網絡運營商管理，例如通過超高容量無線中繼與可見光譜室內通信相結合[1]。

2.1.2 智慧城市

6G將加速智能城市解決方案的采用，目標是改善生活質量、環(huán)境監(jiān)測、交通控制和城市管理自動化[2]。 這些服務建立在低成本和低能耗傳感器生成的數(shù)據(jù)基礎之上，這些傳感器可以有效地相互影響并與周圍環(huán)境相互作用。

目前的蜂窩系統(tǒng)主要是為寬帶應用而開發(fā)的，具有用于M2M業(yè)務的ad hoc配置。相反，6G將無縫地實現(xiàn)以用戶為中心的機器到機器的通信，以經濟有效的方式為智能城市提供本地支持。6G還將推動超長電池壽命與能量收集方法相結合，這是一直以來5G及其前身所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

2.1.3 極端環(huán)境通信

今后，由5G系統(tǒng)開啟的通信信息交互，無論是空間范圍還是交互類型都將極大地擴展。物聯(lián)設備的活動范圍將會極大擴展通信接入的地理空間，包括布置于深地、深?；蛏羁盏臒o人探測器，中高空有人/無人飛行器，深入惡劣環(huán)境的自主機器人，以及遠程遙控的智能機器設備等。

另外，隨著宇航、深海探測等領域的科學技術快速發(fā)展，在一些極端自然環(huán)境下的生存能力提升，人類自身的活動空間也在快速擴展。例如，2030～2040 年，也許會有更多人有機會進入外太空，則衛(wèi)星與地面、衛(wèi)星之間及與航天器之間的通信需求會更普遍，將不僅僅局限于少數(shù)專業(yè)的科學探索領域的特殊通信需求。人類在地面的活動蹤跡也將不斷擴大，更多地出現(xiàn)在無人島嶼、極地、沙漠腹地等區(qū)域。上述通信場景構成十年后（2030年～）更為廣泛的“隨時隨地”連接需求。

2.2 增強人的感受

2.2.1 大規(guī)模高速通信

移動設備的增長會超過網絡能力的增強。例如，2021年的移動流量預計會增長到2016年的3倍[3]。本來已經壓力巨大的5G網絡預計很難保證所需的服務質量（QoS）。而且，在一個完全由數(shù)據(jù)驅動的社會里，對于用戶而言，要求的是近乎即時的超高吞吐量連接，以及隨時隨地的完整服務，即使民用通信基礎設施受到損害（例如，在自然災害之后）。因此，6G技術應包括容量擴展提供高吞吐量和持續(xù)連接。

2.2.2 增強現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）

無線上的AR和VR將成為各種使用情況的關鍵應用，包括但不限于教育和培訓、工作空間通信、游戲和娛樂。VR/AR應用將在提高沉浸質量，亞毫秒延遲和統(tǒng)一的體驗質量方面面臨前所未有的挑戰(zhàn)。移動邊緣，云和霧計算技術將為最終用戶帶來智能，支持高效的數(shù)據(jù)傳播，同時滿足網絡的異構需求和回程/前傳限制。6G將沿著這些方向發(fā)展。

2.2.3 全息傳輸

高精度的數(shù)字遠程連接將在下一代網絡基礎設施中帶來嚴峻的通信挑戰(zhàn)。[4]的作者探索了3D全息顯示及其數(shù)據(jù)傳輸要求：原始全息圖、沒有任何優(yōu)化或壓縮、帶顏色、全視差和30 fps，以及挑戰(zhàn)想象力的Tbit/s數(shù)量級的數(shù)據(jù)速率。在[4]中，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計算出的最大帶寬要求是614 Gbit/s，如系統(tǒng)性能進一步增強（如更大的3D重建對象尺寸、更大的視角、更多的顏色和視差效果等），每個對象幀的全息圖有效像素數(shù)進一步增加，則帶寬要求會更高。此外，延遲要求將達到亞毫秒級，并且需要數(shù)千個同步視角，遠非4K/8K HD音頻/視頻所需的2個圖塊、VR/AR所需的12個圖塊。最后，為了完全實現(xiàn)身臨其境的遠程體驗，所有5種人類感官都必將在未來的網絡中進行數(shù)字化和傳輸，從而進一步提高整體目標數(shù)據(jù)速率需求。

2.3 提高人生質量

2.3.1 電子醫(yī)療

6G將徹底改變醫(yī)療保健行業(yè)，例如通過遠程手術消除時間和空間障礙，并保證醫(yī)療工作流程的優(yōu)化。除了高成本之外，阻礙當前通信技術在醫(yī)療保健中應用的主要限制是缺乏實時觸覺反饋[5]。此外，由于毫米波通道固有的可變性和擁塞的增加，5G系統(tǒng)不太可能共同實現(xiàn)對電子醫(yī)療服務的QoS期望（即持續(xù)連接可用性，超低數(shù)據(jù)傳輸延遲，超高可靠性和移動性支持）。6G增強功能將通過移動邊緣計算，虛擬化和人工智能等創(chuàng)新釋放電子衛(wèi)生保健應用的潛力。

2.3.2 工業(yè)4.0和機器人

6G將促進從5G開始的工業(yè)4.0革命，即通過網絡物理系統(tǒng)（CPS）和物聯(lián)網（IoT）服務進行制造的數(shù)字化轉型。特別是，CPS將打破物理工廠維度和網絡計算空間之間的界限，從而實現(xiàn)基于互聯(lián)網的診斷、維護、操作和直接機器到機器（M2M）通信，提升成本效益和靈活性[6]。自動化在可靠和同步通信方面具有其自身的一系列要求[7]，6G將定位于通過新的半導體和集成電路（IC）創(chuàng)新來解決，例如開發(fā)太赫茲規(guī)模的電子封裝。

2.3.3 無人駕駛的機動性

汽車行業(yè)正在迅速發(fā)展為全自動運輸系統(tǒng)，提供更安全的旅行、改進的交通管理以及對信息娛樂應用的支持，市場估計大約為7萬億美元[8]。連接和自動駕駛車輛（CAV）的設計和部署仍然具有挑戰(zhàn)性：乘客的安全性受到威脅，前所未有的通信可靠性水平和低端到端延遲（分別高于99.9999%和低于1毫秒）。此外，汽車將配備越來越多的傳感器，對數(shù)據(jù)速率提出更高的要求（每小時數(shù)據(jù)數(shù)為TB）[9]。此外，飛行器（例如，無人機）在建筑、農業(yè)和即時響應等領域將得到廣泛應用，市場潛力巨大。而成群的無人機，對擴展互聯(lián)網的連接能力提出了要求。從這個角度來看，6G將通過硬件和軟件的進步以及開創(chuàng)性的連接解決方案，為即將到來的無人駕駛時代鋪平道路。

總之，上述三類要求可能會使采用傳統(tǒng)技術的無線系統(tǒng)能力飽和，而6G將有助于填補這一空白。

3 通信技術 縱橫多維

新一代移動網絡的特征，通常在于一組新穎的通信技術，這些技術提供了前所未有的性能。相比現(xiàn)有的通信網絡，6G的通信技術可以從下面3個維度來描述。

（1）資源利用技術。大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）和毫米波通信都是5G網絡的關鍵推動因素。為了滿足這些要求，預計6G網絡將依賴于傳統(tǒng)頻譜（即6 GHz以下和毫米波），而且還依賴于尚未考慮用于蜂窩標準的頻段，即太赫茲頻段和可見光通信（VLC）。

（2）網絡架構維度。太赫茲通信的密度和高接入數(shù)據(jù)速率將對底層傳輸網絡產生約束，要求其提供比現(xiàn)今的回程網絡更多的光纖接入點和更高的容量。 此外，各種可用的通信技術將增加網絡的異構性，這都需要進行管理。因此網絡架構技術也是6G考慮的維度之一。

（3）人工智能維度。6G通信技術和網絡部署的復雜性可能會阻礙閉環(huán)形式的優(yōu)化和手動優(yōu)化。人工智能技術在蜂窩網絡中的應用已經在5G領域進行了討論。預計6G部署將更加密集（例如在接入點和用戶數(shù)量方面），異構（例如在不同技術的集成方面），性能要求也會更嚴格。人工智能將在6G網規(guī)網優(yōu)中發(fā)揮更突出的作用，其難度也會超越5G系統(tǒng)中的同類應用。

3.1 資源利用維度

6G中最突出的資源特征是太赫茲波和可見光波。

太赫茲波是指頻譜在0.1～10 THz之間的電磁波，波長為30至3000微米，頻譜介于微波與遠紅外光之間，低波段與毫米波相鄰，高波段與紅外光相鄰，位于宏觀電子學與微觀光子學的過渡區(qū)域。太赫茲波作為一個介于微波與光波之間的全新頻段尚未被完全開發(fā)。太赫茲通信具有頻譜資源豐富、傳輸速率高等優(yōu)勢，是未來移動通信中極具優(yōu)勢的寬帶無線接入（Tbit/s級通信）技術。為支持太赫茲通信，如下幾方面需要進一步深入研究：（1）半導體技術，包括 RF、模擬基帶和數(shù)字邏輯等；（2）低復雜度、低功耗的高速基帶信號處理技術和集成電路設計方法，太赫茲高速通信基帶平臺；（3）調制解調，包括太赫茲直接調制、太赫茲混頻調制和太赫茲光電調制等；（4）波形、信道編碼；（5）同步機制，例如，高速高精度的捕獲和跟蹤機制、數(shù)百量級天線陣子的同步機制；（6）太赫茲空間和地面通信的信道測量與建模。上述幾方面技術問題研究需要綜合兼顧，以便在太赫茲通信的性能、復雜性和功耗之間取得平衡。

可見光通信通過在廣泛采用的發(fā)光二極管（LED）光波上附加信息來補充RF通信。這些設備可以在不同的光強度之間快速切換，以調制可以傳輸?shù)竭m當接收器的信號[1]?？梢姽馔ㄐ诺膬?yōu)點是，實驗平臺的成本較低，對VLC的研究比太赫茲通信更為成熟，以及已定義了VLC的標準（即IEEE 802.15.7）。然而，3GPP從未考慮過將VLC技術納入蜂窩網絡標準，其原因是VLC具有有限的覆蓋范圍，需要照明光源并遭受來自其他光源（例如太陽）的散粒噪聲[1]，此外，它們需要通過RF補充上行鏈路。盡管如此，VLC可用于在室內場景中引入蜂窩覆蓋，可以利用非常大的免許可頻段，并且可以在不同房間之間以及相對便宜的硬件之間進行交叉干擾。

在利用資源方面，下列技術是6G考慮的重點。

（1）全自由度雙工模式（Free Duplex）。即不再有FDD/TDD 區(qū)分，而是根據(jù)收發(fā)鏈路間業(yè)務需求完全靈活自適應的調度為靈活雙工或全雙工（Full Duplex）模式，徹底打破雙工機制對收發(fā)鏈路之間頻譜資源利用的限制。全自由度雙工模式通過收發(fā)鏈路之間全自由度（時、頻、空）靈活的頻譜資源共享，將可以實現(xiàn)更加高效的頻譜資源利用，達到提升吞吐量及降低傳輸時延的目的。

（2）新的信道估計技術。最近，帶外估計已經提出了信號的到達方向可以優(yōu)化波束管理方案。此外，利用壓縮感知技術，也有可能利用減少數(shù)量的樣本獲得準確的信道估計結果。

（3）利用網絡進行定位。6G網絡將利用統(tǒng)一接口進行定位和通信，提供創(chuàng)新的用戶服務。

3.2 網絡架構維度

網絡架構可以從以下幾個方面考慮創(chuàng)新。

（1）無蜂窩架構、多種頻率和通信技術的緊密集成。6G將打破當前的小區(qū)邊界，UE作為一個整體連接到網絡而不是單個小區(qū)。無小區(qū)網絡程序將保證無縫移動性支持，不會因切換而產生開銷，并且即使在諸如車載的移動性場景中也將提供QoS保證。此外，用戶將能夠在不同的異構鏈路之間無縫轉換，而無需設備中的手動干預或配置，自動選擇最佳可用通信技術。最后，根據(jù)具體使用情況，UE還可以同時使用不同的網絡接口來，發(fā)揮它們的互補特性。

（2）三維網絡。未來的6G異構架構預期可以提供三維（3D）覆蓋，從而補充具有非地面平臺（例如，無人機、氣球和衛(wèi)星）的地面基礎設施。 此外，還可以快速部署這些網元，以保證無縫的服務連續(xù)性和可靠性。

（3）網絡的碎片化和虛擬化。部署地面單元將只包含物理天線和可能的最低處理單位數(shù)量。此外，虛擬化將發(fā)展到極致。6G將虛擬化其組件，例如與MAC和PHY層有關的目前需要專用的硬件實現(xiàn)的部件。虛擬化將降低網絡成本設備，使得大規(guī)模密集部署經濟可行。

3.3 人工智能維度

數(shù)據(jù)驅動方法可以被視為網絡供應商和運營商可以用來滿足6G要求的工具。特別是，在6G網絡中，將有以下兩種人工智能運行機制。

（1）用于實時網絡決策的無監(jiān)督和強化學習技術。無監(jiān)督和強化學習在網絡中的應用仍處于起步階段，但在復雜的6G網絡環(huán)境中很有前途。6G網絡產生的數(shù)據(jù)量巨大，因此為監(jiān)督學習方法標記數(shù)據(jù)可能是不可行的。另一方面，無監(jiān)督學習不需要標記，并且可以用于自主地構建復雜網絡的表示以執(zhí)行一般優(yōu)化，超出監(jiān)督方法的能力。此外，通過將無監(jiān)督表示與強化學習方法相結合，可以使網絡真正以自主方式運行。

（2）用戶跨運營商之間的知識共享。頻譜和基礎設施共享已被證明在蜂窩網絡中是有益的，以最大化多路復用能力。在自主和機器學習驅動的網絡域中，運營商和用戶也可能有興趣共享特定網絡部署或用例的學習表示，例如加速新市場中的網絡配置，或更好地適應網絡運營期間新的意外情況。

4 總結

本文創(chuàng)造性地提出了無線通信系統(tǒng)發(fā)展過程中心元素（音、文、圖、視、物、人）的變化，重點闡述了6G以人為本的應用場景。此外，也從資源利用，網絡架構和人工智能三個維度描述了6G相關技術。從場景和技術都可以看出，即使相關內容在5G已經部分存在或者已經針對5G提出規(guī)劃，但是在6G豐富的用例下，需要從多個維度進行新的架構創(chuàng)新，才能滿足“以人為本”的需求。