終端變革和6G突破：對6G終端的研究判斷和發(fā)展展望

李寶榮

（中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510600）

0 引言

6G當(dāng)前仍處于研究的起步階段，討論的焦點(diǎn)更多聚焦在愿景、關(guān)鍵指標(biāo)、新的頻譜、6G典型應(yīng)用等，專門探討6G終端的文獻(xiàn)還比較少。6G終端會是一個什么樣的存在？相對于當(dāng)前終端是演進(jìn)還是變革？本文認(rèn)為是后者。6G相對于前幾代通信技術(shù)的突破，預(yù)判有相當(dāng)程度依賴于對終端的再認(rèn)識和創(chuàng)新突破。

值得說明的是，本文不涉及對6G終端的工藝技術(shù)、材料的探討，而是假設(shè)工藝和材料技術(shù)隨著時間的推移，都可以完美地支持6G終端的發(fā)展。同時，本文不探討終端多樣化的物理形態(tài)，不牽涉具體的種類和規(guī)格。文中終端的概念，可以理解為是對終端整體的一個高度的概括和抽象，但凡今后有一種形態(tài)（或規(guī)格）的終端符合如下特性，結(jié)論均視為成立。

1 對6G終端的基本判斷

1.1 支持多樣化無線電接口

6G終端將嵌入多個無線電接口，具有全頻段無線電訪問能力，可以連接到具有不同QoS要求的各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，既可以支持D2D短距離通信，也可以支持衛(wèi)星通信這樣的長距離通信，從而支持任何時間任何地點(diǎn)無處不在的連接[1]。

6G終端要能根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用及當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，自適應(yīng)地選擇使用的頻段以及網(wǎng)絡(luò)制式。Intelligent radio技術(shù)在終端上將得到應(yīng)用和發(fā)展，使PHY及MAC層可以根據(jù)上層應(yīng)用及無線環(huán)境自適應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，同時最大限度地規(guī)避干擾。

終端能耗管理也變得尤為重要，需要考慮能量采集技術(shù)，比如從周圍的無線電、微小的振動、陽光中采集能量；或者是降低能耗的技術(shù)，比如通過終端中繼以及增加網(wǎng)絡(luò)密度，減少每跳信號傳播距離等，來有效降低終端的發(fā)射功率。

1.2 內(nèi)生感知能力

6G終端將能夠?qū)崟r采集，測繪和感知世界，比如環(huán)境感知、無線現(xiàn)實感知等，將使能安全感知、手勢探測、身體掃描、健康監(jiān)測、以及3D映射和成像。

太赫茲頻率更高，帶寬更大，天線陣列也更大?？梢允鼓芫哂蟹浅＞?xì)的范圍、多普勒和角度分辨率的傳感解決方案，同時可以提供厘米級精度的定位能力[2]。

具體來說，太赫茲頻段不能穿透很多物體，能讓傳播路徑和傳播環(huán)境產(chǎn)生更直接的對應(yīng)關(guān)系；其次，太赫茲頻段具有更大的絕對帶寬，使得在具有更多光譜分量的延遲域中擁有更多可解析的多路徑；第三，更短的波長意味著更小的天線，小小的終端上就能裝置幾十上百個天線，對角度估計大有好處。6G提供的高速通信鏈路能快速和可靠地在不同感知終端之間分享地圖和位置信息，這對感知和定位都有會有很大的幫助。

太赫茲成像技術(shù)則是通過太赫茲射線照射被測物體，通過物體的透射、反射獲得具體信息而成像，由于許多生物大分子的振動和旋轉(zhuǎn)頻率都處于太赫茲頻段，所以利用太赫茲波可以獲得豐富的生物材料信息，并且太赫茲時域頻譜信噪比很高，能以很小的衰減穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物質(zhì)，使太赫茲技術(shù)非常適用于物體高精度成像。由于太赫茲能量很小，不會對物體產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線相比更為安全可靠。

6G終端利用太赫茲信號的特性，加上終端上其它類型傳感器以及人工智能算法的加持，將會成為非常好的感知終端，催生極為豐富的應(yīng)用。

1.3 普遍支持端側(cè)人工智能

終端的智能化升級是一個必然趨勢。6G時代，終端將普遍支持端側(cè)推斷，而高端一點(diǎn)的終端將支持端側(cè)訓(xùn)練，同時，終端將擁有一定的自主決策自主行動能力。

聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)，利用終端進(jìn)行分布式訓(xùn)練，數(shù)據(jù)不出終端，有利于隱私保護(hù)，同時，可有效解決人工智能模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)量不足的問題，將會得到極大的應(yīng)用和普及。強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)，能提升終端的自主性決策能力，讓終端按照算法要求對外部變化作出自動化的反應(yīng)，具有更大的能動性。出于用戶對于安全的顧慮，終端的自主決策和行動算法的更大范圍的應(yīng)用和普及需要依賴于可解釋AI的發(fā)展。

終端將成為一個智能體（Agent），智能體之間可以相互發(fā)現(xiàn)，并組成自組織網(wǎng)絡(luò)。

隨著人工智能終端的發(fā)展，終端的隱私和安全保護(hù)問題也將日益突出，除了要進(jìn)行相關(guān)法律法規(guī)的制定和監(jiān)管制度的建立之外，急需探討建立有效的技術(shù)手段和技術(shù)框架來保障用戶的隱私和安全。

1.4 和邊云高效協(xié)同

6G的KPI實現(xiàn)，將依賴于端邊云資源的協(xié)同和共享，包括更低的時延、更高的安全性、更好的隱私保護(hù)等。

端側(cè)計算具有最小的時延，最好的隱私保護(hù)；云端計算具有最大的算力，最好的軟硬件解耦特性和最好的跨平臺特性。要實現(xiàn)端邊云的有效協(xié)同，最直觀的要求是部署的軟件（應(yīng)用）能在云、邊緣和終端上按需流動。支撐應(yīng)用在云、邊和終端上按需流動的技術(shù)是解決端邊云協(xié)同問題的關(guān)鍵。終端的虛擬化，實現(xiàn)應(yīng)用和終端硬件的解耦，是解決這個問題的第一步；其次，決定應(yīng)用在云邊和終端上部署的比重的決策，涉及終端自身計算和存儲資源、當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及無線環(huán)境等多個因素，需要人工智能算法作支撐。6G應(yīng)內(nèi)置這樣的算法，通過涵蓋通信底層和應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制來支持端邊云協(xié)同。

1.5 廣泛支持D2D

終端直連（D2D）能實現(xiàn)終端間的直接通信，能實現(xiàn)資源的動態(tài)共享，降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載， 輔助提升網(wǎng)絡(luò)的容量和覆蓋，是6G時代非常重要的連接方式。

6G的目標(biāo)是實現(xiàn)空天地海的立體通信，為了保證通信的實時性，像空中的飛機(jī)和飛機(jī)之間的直接通信，海上的輪船之間的直接通信，都是有重要需求的場景。對于地面通信，6G由于使用更高的頻段，空間損耗更大，導(dǎo)致更短的蜂窩半徑、更密集的網(wǎng)絡(luò)，干擾更加嚴(yán)重，切換更加頻繁，手機(jī)耗電也更多，而利用D2D和NOMA，則可以緩解這些問題，并提高頻譜效率。

實際上，數(shù)量巨大廣泛分布的終端擁有大量的計算、存儲和帶寬資源，如果能夠突破現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)范式，把這些資源加以挖掘利用，將其作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，將會帶來巨大的價值：一方面，可以輔助提升網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和容量，另一方面，將創(chuàng)造更多新的業(yè)務(wù)形態(tài)和機(jī)會[3]。

2 6G終端的變革可帶來的創(chuàng)新突破

2.1 突破香農(nóng)極限

根據(jù)香農(nóng)定理C=Blog2(1+S/N)=Blog2(1+S/Bn0)，信道容量C和信道帶寬B、信號功率S以及噪聲功率N有關(guān)。若S→∞，則C→∞，但S不能無限大，一方面是功耗問題，另一方面會產(chǎn)生對人體有影響的電磁輻射。若B→∞，則C→1.44S/n0，n0是噪聲功率譜密度。

香農(nóng)公式顯示出理論上可達(dá)到的最大值。然而在實際應(yīng)用中能夠達(dá)到的速率要低得多。其中一個原因是該公式假定噪聲為白噪聲，沒有考慮沖激噪聲，也沒有考慮衰減和時延失真。即使在理想白噪聲情況下，因為編碼的原因（如編碼長度和復(fù)雜性等），目前的技術(shù)仍然無法達(dá)到香農(nóng)極限。

根據(jù)香農(nóng)定理，假設(shè)信息以速度R傳送，如果R＜C，那么就存在一種編碼技術(shù)使接收端收到的錯誤達(dá)到任意小的數(shù)值。這意味著理論上，有可能無錯誤地傳送信息直到達(dá)到速度限制C。

反過來同樣重要。如果R＞C，那么想達(dá)到任意小的錯誤率是不可能實現(xiàn)的。因此，在傳送速度超過信道容量的時候，可靠傳輸信息是不能被保證的。

但以上都基于通信的終端是沒有智能的被動的節(jié)點(diǎn)的這一假設(shè)。當(dāng)6G終端都是智能節(jié)點(diǎn)的時候，就可以在即使數(shù)據(jù)傳輸有失真的情況下，通過智能節(jié)點(diǎn)的處理，實現(xiàn)語義的正確傳遞。就好比外國人跟native speaker交流時，語法可能是錯誤，句子可能是不完整的，native speaker仍然能夠聽得懂、理解其意思，仍然能夠正常交流一樣。這里外國人說的話就好比通信導(dǎo)致的信號失真，而native speaker就好比擁有智能的通信節(jié)點(diǎn)。

香農(nóng)定理保證傳輸?shù)拿恳粋€比特都正確，但是現(xiàn)實生活中，真正關(guān)心的是收到的比特能否正確解析出要傳遞的意思，或者是否足以完成某一特定目標(biāo)。將知識表示、推理工具和機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，建立語義學(xué)習(xí)策略，能使通信端點(diǎn)具有更好的信息解析能力[4]。因此，當(dāng)通信終端擁有智能時，可以實現(xiàn)對失真信號解析，并還原其真實的意圖，于是對通信可以放寬要求為實現(xiàn)信息（意思、意圖）的正確傳遞而非比特的正確傳遞，借助于這個，信道容量就可以突破香農(nóng)極限。

2.2 精確定位下通信資源的精準(zhǔn)分配，提升資源使用效率和網(wǎng)絡(luò)性能

利用太赫茲，可以實現(xiàn)室外的厘米級的高精度的定位。太赫茲基站通過大規(guī)模的天線陣列，可以實現(xiàn)對周圍環(huán)境的精確探測和感知，建立周圍環(huán)境的三維地圖。當(dāng)基站收到終端發(fā)射的上行導(dǎo)頻信號，就能夠根據(jù)AoA和ToA，結(jié)合前面建立的三維地圖，精確地判斷終端所處的位置。這使網(wǎng)絡(luò)可以為低速移動的終端精準(zhǔn)地配置網(wǎng)絡(luò)資源，包括高度方向性的天線、波束，頻率、帶寬和功率資源、智能反射面，邊緣計算資源等。對終端位置的高精度定位和周圍環(huán)境的精確了解，可能會改變移動通信的一些基本面，比如傳輸模型、信道估計[5]等，甚至是調(diào)制方式和多址接入方式等，至少可以極大地降低基站的能耗。

另一方面，利用端側(cè)數(shù)據(jù)訓(xùn)練，終端能感知本地信道模型、話務(wù)模型、運(yùn)動軌跡，能了解用戶的行為，以及預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。利用端側(cè)人工智能來協(xié)助網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和自動化技術(shù)，能實現(xiàn)動態(tài)地感知本地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，動態(tài)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)預(yù)測，主動配置，有效率地優(yōu)化調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求，并能協(xié)助網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)故障情況下的自愈[6]。

2.3 6G終端作為移動的（中繼/網(wǎng)關(guān)+邊緣計算）混合節(jié)點(diǎn)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)的任務(wù)可以卸載一部分到終端上

對于網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的地方的終端，可以借助其他終端作為中繼，通過一跳或多跳，最終到達(dá)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi)，通過這種方式來實現(xiàn)通信的正?；_展。利用終端的廣泛分布的特性，可以很好地彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的問題。特別是對于6G，由于太赫茲高頻網(wǎng)絡(luò)的特性，這種需求就特別突出。通過終端的中繼作用，可以讓更多的終端享受到高頻段大帶寬通信的好處，享受更高的數(shù)據(jù)速率，同時，也極大地提升了網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)容量。

除此之外，終端還可以作為移動的邊緣計算節(jié)點(diǎn)，為其他終端提供邊緣計算資源、存儲資源、感知資源，甚至包括數(shù)據(jù)資源、人工智能算法模型資源。可以利用終端形成自組織的網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行特殊任務(wù)的處理，包括完成人工智能模型的推斷甚至是訓(xùn)練。終端可以和云邊協(xié)同，云邊端構(gòu)成三級計算體系，分別承擔(dān)不同計算復(fù)雜度和時延要求的任務(wù)。終端還可以作為提供CDN熱點(diǎn)信息存儲的節(jié)點(diǎn)，加速信息的獲取和內(nèi)容的分發(fā)速度。

2.4 驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革

（1）無線網(wǎng)

6G終端具有更好的無線感知、場景感知、現(xiàn)實感知和用戶的意圖感知能力，終端作為一個智能體，可以主動進(jìn)行所需通信網(wǎng)絡(luò)資源的識別、選擇、協(xié)商和聚合，圍繞要執(zhí)行的任務(wù)，選擇最佳的網(wǎng)絡(luò)資源。

終端和網(wǎng)絡(luò)之間不再是固定的綁定的關(guān)系，可以實現(xiàn)終端對網(wǎng)絡(luò)的靈活選擇，實現(xiàn)終端和網(wǎng)絡(luò)的解耦。

終端可以通過在PHY層進(jìn)行頻譜分析，明確未被使用的頻譜?？刹捎玫姆绞接袃深?，一類是對終端接收機(jī)接收到的環(huán)境信號中的調(diào)制方式進(jìn)行自動識別，以此判定周圍環(huán)境中存在的通信制式和發(fā)射機(jī)種類。另一類是對環(huán)境信號中振幅/相位的不同特征、時域正交特性等進(jìn)行分類識別，從而進(jìn)行周圍環(huán)境中存在的干擾的相關(guān)判定[7]。

在MAC層，可通過識別環(huán)境信號中的MAC信息，進(jìn)一步了解資源占用的時間信息，有利于終端更精準(zhǔn)地選擇可使用的頻段，最大限度地規(guī)避干擾。在MAC層還可以進(jìn)行頻譜預(yù)測，了解無線信道的空閑概率和空閑時間，從而選擇一個最好的無線信道進(jìn)行傳輸，減少傳輸碰撞，提升資源共享效率。

從移動通信代際發(fā)展來看，自IMT-Advanced開始，采用分布式方案，把RRM的監(jiān)控和決策實體下放到網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點(diǎn)上（包括終端），以減小信令的信息交換量和傳輸時延。所以在網(wǎng)絡(luò)層，終端一方面可以接收網(wǎng)絡(luò)的指令對終端的參數(shù)/設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)環(huán)境的變化和應(yīng)用的QoS要求，另一方面，終端也可以通過自己的智能分析和預(yù)測，把通信參數(shù)優(yōu)化的要求提給網(wǎng)絡(luò)端，主動影響網(wǎng)絡(luò)，來達(dá)到通信性能提升的目的。

（2）核心網(wǎng)

移動通信的核心網(wǎng)的技術(shù)和形態(tài)一直在演進(jìn)，但功能一直以來沒有太大的變化，主要是實現(xiàn)會話接續(xù)、流量疏導(dǎo)和業(yè)務(wù)連續(xù)性等。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的普及，計算資源成為數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施非常重要的一部分，如何進(jìn)行計算資源的識別和統(tǒng)一管理，如何實現(xiàn)對計算資源的靈活分配和調(diào)度，急需建立起相應(yīng)的管理框架。

6G需要把云網(wǎng)邊端的計算資源綜合利用起來，需要探討通過統(tǒng)一的資源管理機(jī)制對云網(wǎng)邊端的計算資源、通信資源、感知資源進(jìn)行綜合管理和調(diào)度。我們認(rèn)為，要能充分實現(xiàn)好云網(wǎng)邊端的協(xié)同和資源共享，需要有一個聯(lián)系云網(wǎng)邊端的操作系統(tǒng)，這個操作系統(tǒng)管理云網(wǎng)邊端的硬件資源，提供統(tǒng)一的硬件抽象，屏蔽底層的差異。通過這個操作系統(tǒng)，把網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)的通信資源、計算資源、存儲資源、感知資源統(tǒng)籌管理起來，并實現(xiàn)以Serverless的方式支持應(yīng)用開發(fā)者開發(fā)上層應(yīng)用。

基于這樣的操作系統(tǒng)，可以實現(xiàn)伴隨終端的移動，將蜂窩網(wǎng)絡(luò)的切換（通信資源）和邊緣計算服務(wù)器的切換（計算資源）有機(jī)協(xié)同起來。也可以更好地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)，這個切片可以做到不光涵蓋了云邊計算資源、核心網(wǎng)資源、無線網(wǎng)資源，還涵蓋了終端能提供的計算資源、存儲資源、感知資源等。

云網(wǎng)操作系統(tǒng)，把通信、計算、存儲、感知資源統(tǒng)籌了起來，解決了當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)和計算網(wǎng)絡(luò)是兩張網(wǎng)的問題，解決了算力網(wǎng)絡(luò)這個概念想要解決的根本問題，規(guī)避了算力網(wǎng)絡(luò)需要遷就現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)算力信息傳遞的困擾。

（3）業(yè)務(wù)提供

對于業(yè)務(wù)的提供，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是基于C/S或B/S的模式，終端上只是一個瘦客戶端或瀏覽器，業(yè)務(wù)的主體在服務(wù)器端，由于RTT的原因?qū)е聦崟r性要求高的業(yè)務(wù)難以實現(xiàn)。用戶數(shù)據(jù)通常需要上傳到服務(wù)器端處理，也造成了隱私保護(hù)方面的風(fēng)險。

6G時代，相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)在終端和服務(wù)器間的分割是靜態(tài)的模式，業(yè)務(wù)應(yīng)用將會在端邊云合理分割，首先會盡可能將涉及原始數(shù)據(jù)的處理保留在終端上，以保護(hù)用戶的隱私，在此基礎(chǔ)上將根據(jù)終端能力的大小、業(yè)務(wù)應(yīng)用的實時性要求、網(wǎng)絡(luò)的狀況等確定業(yè)務(wù)應(yīng)用中不涉及隱私處理的部分在端邊云之間的分割和部署。對于時延敏感的應(yīng)用，業(yè)務(wù)應(yīng)用將會被分布式地部署在鄰近的邊緣節(jié)點(diǎn)或終端上。應(yīng)用的宿主終端，作為一個智能Agent，將根據(jù)帶寬、時延、代價等，策略地選擇需要接入的業(yè)務(wù)資源。

3 下一代終端——主動式終端

通過對6G終端的研究判斷，可以看出6G終端將不同于之前幾代的終端，在和網(wǎng)絡(luò)的相對關(guān)系中也將發(fā)生根本性的變化，因此，有必要針對這種新類型的終端定義一個新的名稱——主動式終端。

主動式終端具有如下的幾點(diǎn)特征：

（1）擁有一定的智能；

（2）擁有主動感知的能力；

（3）不只是被動接受網(wǎng)絡(luò)控制，而是能對網(wǎng)絡(luò)施加積極的影響，甚至是作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的一部分；

（4）能和云網(wǎng)邊有效協(xié)同；

（5）能和其它主動式終端對等通信，能夠根據(jù)任務(wù)要求形成自組織網(wǎng)絡(luò)，完成復(fù)雜的計算、通信、感知任務(wù)。

主動式終端是針對網(wǎng)絡(luò)和終端的關(guān)系而言的，主動式終端改變了傳統(tǒng)的終端和網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系，改變了終端和網(wǎng)絡(luò)的交互方式和程度。終端和網(wǎng)絡(luò)將在更大程度上成為對等的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)也相應(yīng)地變得更加扁平和靈活。對等關(guān)系體現(xiàn)在三方面：一方面，終端和網(wǎng)絡(luò)解耦，終端可以對接入的網(wǎng)絡(luò)資源作出選擇。第二，終端可以主動讓網(wǎng)絡(luò)根據(jù)終端的要求進(jìn)行配置。終端具有更好的無線感知、場景感知、現(xiàn)實感知和用戶的意圖感知，通過終端主動和網(wǎng)絡(luò)交互，讓網(wǎng)絡(luò)根據(jù)終端的要求進(jìn)行針對性和適應(yīng)性的資源配置，可以讓網(wǎng)絡(luò)為每一個終端提供合適的資源切片。第三，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要調(diào)度終端的資源。終端的計算資源、存儲資源和感知資源，甚至是人工智能模型等智能資源，也能被作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，按需進(jìn)行服務(wù)的提供。

主動式終端將會逐步成為主流的終端形態(tài)。

4 結(jié)束語

6G時代，終端將發(fā)揮更重要的作用，將朝著主動式終端的方向深化發(fā)展。眾多終端以及網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)，將構(gòu)成動態(tài)的、自組織的、智能的邊緣網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供豐富的、低時延的、智能化和個性化的服務(wù)，將顛覆現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)范式及應(yīng)用的客戶端-服務(wù)器范式。

在終端變革的作用下，將使能更加扁平、更加彈性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使能分布式的計算環(huán)境，從而實現(xiàn)6G全新一代更加靈活、高效和智能的網(wǎng)絡(luò)組織形態(tài)的建立，對整個信息社會將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。