霍宏偉
(中國科學技術(shù)部,北京 100862)
第六代移動通信系統(tǒng)(the sixth generation mobile communication system,6G),是支持寬帶蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的新一代無線移動通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和標準體系的統(tǒng)稱。相比5G 及更早版本的移動通信系統(tǒng),6G 將更好實現(xiàn)通信、計算、感知能力的集成。一般認為,6G 技術(shù)將不僅在帶寬利用率、數(shù)據(jù)傳輸和應用支持方面取得巨大進步,其網(wǎng)絡(luò)體系更加異構(gòu),技術(shù)集成更加復雜,業(yè)務(wù)類型更加多樣,應用場景更加豐富,運營模式更加分散靈活。如6G最終能夠以“萬物智聯(lián)”的方式實現(xiàn)物理世界、數(shù)字世界和社會生活的深度融合[1],其強大的社會基礎(chǔ)使能功能和技術(shù)集成能力,也將深度改變技術(shù)發(fā)展與社會進步的互動方式,勢必引發(fā)經(jīng)濟和社會運行模式的調(diào)整,進而成為地緣政治競爭方面關(guān)注的重點之一。
按照國際電信聯(lián)盟(ITU)的規(guī)劃和移動通信標準組織第三代合作伙伴計劃(3GPP)等的預測[2],6G 預計在2030年前后形成商用體系,目前尚在需求定義與演進準備階段。在這一重要時間窗口期,學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界積極行動,努力創(chuàng)新理論體系、豐富技術(shù)供給,并積極推動標準化工作。
自20 世紀80年代開始,移動通信技術(shù)平均每10年更新一代。6G 作為新一代通信技術(shù)體系,較以往通信系統(tǒng)已發(fā)生很大變化[2]:一是網(wǎng)絡(luò)性能指標更高。6G 系統(tǒng)將具有更加泛在的接入連接、更大的傳輸帶寬、更低的端到端通信時延、更高的可靠性和更智能、更安全、更節(jié)能等特點,支持空天陸海一體化覆蓋,需要強大的底層技術(shù)支撐。能否構(gòu)建完善的6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),直接體現(xiàn)了一個經(jīng)濟體在信息領(lǐng)域的科技水平和創(chuàng)新能力。二是驅(qū)動技術(shù)更多元。6G 發(fā)展除了通信技術(shù)進步自身的驅(qū)動外,還將融合邊緣計算、人工智能、元宇宙、感知互聯(lián)、數(shù)字孿生等計算技術(shù)和信息技術(shù)要素。這些技術(shù)相互交織嬗變,將催生新的技術(shù)增長點,帶來更大的科技進步空間。三是應用場景更豐富。按照3GPP 預測,6G除支持增強型移動寬帶、超高可靠超低時延、海量機器通信升級版等傳統(tǒng)場景外,還將在通信感知一體化和普遍智能等方向部署應用,融入并加速農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通、醫(yī)療、教育等各垂直行業(yè)數(shù)字轉(zhuǎn)型進程,形成新業(yè)態(tài)、新服務(wù)和新的經(jīng)濟增長點。因此,主要經(jīng)濟體和全球?qū)W術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對6G 發(fā)展報以極大熱情,使其成為新的全球科技熱點之一。
6G 傳統(tǒng)應用場景主要承接自5G 系統(tǒng)的增強型移動寬帶通信(eMBB)、超高可靠性低時延通信(URLLC)、海量機器通信(mMTC)等3 種模式,并在速度、容量、可靠性和智能化等方面實現(xiàn)升級,因此被稱為增強型移動寬帶(eMBB+)、超高可靠性超低時延通信升級版(URLLC+)、海量機器通信升級版(mMTC+)(或2.0 版本)。圖1 匯總了6G主要應用場景和關(guān)鍵技術(shù)指標。這些復雜多樣的應用需求對6G 關(guān)鍵支撐技術(shù)及其背后的信息通信理論都提出了新的挑戰(zhàn)[3]:一是在無線頻譜利用方面,太赫茲頻段、毫米波頻段以及6 GHz 頻段可能被廣泛應用于6G 場景,對太赫茲通信、可見光通信、動態(tài)頻譜共享等提出更高技術(shù)要求。二是在硬件基礎(chǔ)方面,需要更強基帶處理能力、更好射頻響應能力和更高能量利用效率的芯片及其相關(guān)制程與工藝上的突破。三是在通信容量方面,每秒100 Gbps ~1 Tbps 的峰值速率要求在信道編碼及調(diào)制解調(diào)、智能多輸入多輸出(MIMO)天線、通信感知兼容的無線接入架構(gòu)等底層共性技術(shù)方面進行大尺度創(chuàng)新。四是在超大規(guī)模覆蓋方面,需要對星地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、星間鏈路方案選擇、天基信息處理、衛(wèi)星系統(tǒng)互聯(lián)等技術(shù)進行深入研究。五是在網(wǎng)絡(luò)安全與運維方面,涉及大規(guī)模深度機器學習、量子加密、區(qū)塊鏈技術(shù)與無線通信系統(tǒng)的融合集成設(shè)計與真實場景實用探索。由此產(chǎn)生的許多新理論和新技術(shù)有望引領(lǐng)未來的科學研究熱點和前沿。
圖1 6G 主要應用場景和關(guān)鍵技術(shù)指標
大型通信設(shè)備和終端制造商持續(xù)增加研發(fā)投入,紛紛發(fā)表技術(shù)白皮書,闡述各自的6G應用理念,力求在未來產(chǎn)品投放和市場競爭中占得先機[1,4-5]。如電信基礎(chǔ)運營商和傳統(tǒng)數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施與服務(wù)提供商對6G 應用虎視眈眈,試圖推動無線接入網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和信息服務(wù)提供模式調(diào)整,獲取更大市場主動。在信息、計算、加密等領(lǐng)域的一大批新興中小企業(yè)紛紛開展面向6G 的細分行業(yè)研究,尋求通過顛覆式創(chuàng)新改變技術(shù)和市場競爭態(tài)勢。信息通信領(lǐng)域跨國企業(yè)則緊盯國際標準化組織和有影響力的行業(yè)團體動向,合縱連橫,在頻譜釋放、需求定義、演進路線、空口標準等各方面展開激烈博弈,努力在標準化方面占據(jù)有利地位,以期主導6G 發(fā)展進程。
面對激烈的國際競爭,包括歐盟、美國在內(nèi)的主要發(fā)達經(jīng)濟體都將6G 作為關(guān)鍵戰(zhàn)略方向,一直在提前規(guī)劃6G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路徑,啟動6G 研發(fā)計劃,超前布局研發(fā)應用,將高額國家資金投入6G 研究和人才培養(yǎng)中,以期在前沿科技競爭中占據(jù)有利地位。
在6G 演進中,歐盟希望通過結(jié)合公共和私人資源以及建立公平監(jiān)管框架強化技術(shù)自主,進而恢復其在這一領(lǐng)域的領(lǐng)導地位[6]。一是結(jié)合數(shù)字轉(zhuǎn)型和綠色轉(zhuǎn)型,明確6G 發(fā)展規(guī)劃。《2030年數(shù)字指南針:數(shù)字十年的歐洲之路》(2030 Digital Compass: the European way for the Digital Decade),提出以建設(shè)新一代的信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的安全和可持續(xù)數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展目標[7]?!缎職W洲工業(yè)戰(zhàn)略》(EU Industrial Strategy)提出,強化工業(yè)和戰(zhàn)略自主能力,支持發(fā)展戰(zhàn)略數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵使能技術(shù),努力繪制歐洲經(jīng)濟區(qū)6G 投資發(fā)展藍圖[8]。二是通過研發(fā)框架加強研究投入,開展6G 前瞻性研究。在“地平線2020”研發(fā)框架下,啟動了近70 項6G 相關(guān)研究任務(wù),有150 余家機構(gòu)參與,合計經(jīng)費超過9 000 萬歐元。在歐洲主要電信企業(yè)的支持下,整合25 家機構(gòu)資源,啟動實施6G 旗艦研究項目Hexa-X,創(chuàng)建獨特的6G 用例和場景,研發(fā)6G 基礎(chǔ)技術(shù),定義智能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[9]。三是創(chuàng)新科研組織方式,集聚成員國和歐洲產(chǎn)業(yè)界、學術(shù)界優(yōu)勢創(chuàng)新資源。在“地平線歐洲”研發(fā)框架下,集成產(chǎn)業(yè)界和歐盟委員會、各成員國研究力量,于2021年12月正式啟動面向6G 的歐洲智能網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)(Smart Network and Service,SNS)伙伴關(guān)系。設(shè)立聯(lián)合機制(SNS Joint Undertaking,SNS JU),由歐盟委員會作為行政部門代表,歐洲6G 智能網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)行業(yè)協(xié)會(6GIA)作為私營部門代表共同負責智能網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)重大項目決策[10]。在智能網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)預算框架中,歐盟委員會承諾歐盟公共研發(fā)經(jīng)費投入不少于9億歐元。其中,2021—2022年度投資為2.4 億歐元,主要涉及6G 的研發(fā)項目,包括6G 和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及軟件的前瞻性基礎(chǔ)研究以及下一代互聯(lián)網(wǎng)(NGI)環(huán)境下的大規(guī)模智能網(wǎng)絡(luò)平臺試驗和試點。制定信息網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略性研究與創(chuàng)新(R&I)路線圖,實施戰(zhàn)略研究和創(chuàng)新議程(SRIA),承諾在未來7年內(nèi)提供18 億歐元用于提升歐洲6G系統(tǒng)研發(fā)能力[11]。四是重視政策法規(guī)引導,為本土企業(yè)投資發(fā)展6G 營造有利環(huán)境。完成《數(shù)字服務(wù)法》(DSA)和《數(shù)字市場法》(DMA)立法,強化對全球數(shù)字市場行為主體的規(guī)制。在《歐洲芯片法案》中設(shè)定了歐洲在2030年達到全球芯片生產(chǎn)市場份額20%的目標,并把通過構(gòu)建“可信”認證體系,提升電信芯片市場份額作為實現(xiàn)這一目標的重要途徑。實施歐盟的標準化戰(zhàn)略,支持中小企業(yè)參與標準化工作。啟動標準必要專利(SEP)監(jiān)管改革咨詢,為歐盟中小企業(yè)規(guī)避新一代通信技術(shù)專利壁壘營造政策與輿論氛圍[12]。
在6G 研究布局上,美國集合聯(lián)邦政府和產(chǎn)業(yè)界力量,進一步加大了政策和資金支持力度。一是在法規(guī)政策上為6G 研發(fā)測試大開綠燈。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)早在2019年就在全球率先宣布開放95 GHz ~3 THz 太赫茲頻段作為6G 實驗頻譜。此外,美國聯(lián)邦通信委員會還積極協(xié)調(diào)頻譜資源,為星鏈(Star-link)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供大力支持,已形成近乎覆蓋全球的空天網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[13]。二是加大研究投資力度。在美國國防部(DOD)支持下建立太赫茲與感知融合技術(shù)研究中心,開展新一代無線傳輸技術(shù)研究。美國國家科學基金會(NSF)加大6G 研發(fā)投資,通過先進無線研究計劃(Platforms for Advanced Wireless Research,PAWR)等建立大型無線測試平臺,組織實施彈性和智能下一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Resilient & Intelligent Next G Systems,RINGS)等一批項目,以提升網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力,增強6G 系統(tǒng)的韌性和安全性[14]。瞄準決定通信性能提升的底層支撐技術(shù),面向下一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信和計算需求,強化在人工智能和機器學習、邊緣計算、無線電通信、射頻技術(shù)和高效的頻譜利用方面的技術(shù)優(yōu)勢。三是積極發(fā)揮行業(yè)組織作用。在美國聯(lián)邦政府推動下,美國電信產(chǎn)業(yè)解決方案聯(lián)盟(ATIS)牽頭組建了推進北美6G 產(chǎn)業(yè)的Next G 聯(lián)盟組織[15],得到思科、微軟、谷歌、英特爾、蘋果、高通等北美主要數(shù)字巨頭支持,于2022年初發(fā)布6G 路線圖,在全球標準、部署、產(chǎn)品、運營和服務(wù)等方面提出確保美國在6G 領(lǐng)導地位的戰(zhàn)略路徑,集成政府和產(chǎn)業(yè)界力量,打造具有全球引領(lǐng)性的6G 市場,面向全球推廣“可信”6G 技術(shù)和服務(wù)。Next G 聯(lián)盟也與6G 智能網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)行業(yè)協(xié)會(6G-IA)加強聯(lián)系,簽署合作備忘錄,加強關(guān)鍵技術(shù)事項協(xié)調(diào)和重要信息交換。四是積極開展技術(shù)外交。以七國集團(G7)為核心,加強多邊協(xié)調(diào),尋求與盟國和伙伴國家建立技術(shù)合作關(guān)系,協(xié)調(diào)并促進6G 技術(shù)發(fā)展。加強與日本、韓國等在新一代通信領(lǐng)域具有比較優(yōu)勢的國家在6G 方面的合作力度,在標準必要專利、技術(shù)研發(fā)等方面努力形成新的技術(shù)供給體系。
歐盟經(jīng)歷了自身從2G 到5G 發(fā)展進程中由引領(lǐng)到跟隨的角色轉(zhuǎn)變,歐洲學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對如何主導技術(shù)發(fā)展有深入的研究和思考。在部署重點上,主要基于自身的設(shè)備制造和系統(tǒng)集成優(yōu)勢,通過不斷擴大在6G 領(lǐng)域的研究投資,尋求關(guān)鍵點位上的突破。如在2022年10月新公布立項的35 個SNS 項目中,歐盟重點支持了大量面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、能源、建筑、汽車、電子、健康、農(nóng)業(yè)和文化教育等產(chǎn)業(yè)部門的大規(guī)模試驗或垂直應用試點項目,實現(xiàn)了從硬件基礎(chǔ)到網(wǎng)絡(luò)應用的全覆蓋[16]。與歐洲不同,在信息通信行業(yè),美國的優(yōu)勢不在于系統(tǒng)集成,而在于對關(guān)鍵技術(shù)標準和核心芯片等關(guān)鍵組件的控制能力上。自5G 網(wǎng)絡(luò)研發(fā)部署開始,美國認為其在通信技術(shù)領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢已受到挑戰(zhàn)。因此,在6G 研發(fā)部署上,不僅在基礎(chǔ)硬件、射頻與信號處理等“長板”領(lǐng)域繼續(xù)加大支持力度,而且更注重在網(wǎng)絡(luò)層和應用層等非傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域完善研究布局。表1 給出了歐盟、美國6G 研發(fā)關(guān)注點對比。
表1 歐盟、美國6G 研發(fā)關(guān)注點對比
當前,多學科交叉融合已經(jīng)成為以6G 為代表的信息通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵特征。一是從歐盟研究資助的重點看,較以往通信系統(tǒng)研發(fā)項目,通信基礎(chǔ)研究占有相當?shù)谋壤?。橫向?qū)Ρ取皻W盟第七研發(fā)框架計劃”(FP7)、“地平線2020”(FP8)和“地平線歐洲”(FP9)的項目布局,涉及基礎(chǔ)研究的項目占比從13%增長到17%左右[17]。在“地平線歐洲”研發(fā)框架日趨強調(diào)應用主導的情況下,這一趨勢顯得非常突出。目前,歐盟、美國部署研究重點包括:頻譜分配與共享機制,6G 信道模型構(gòu)建與預測,有效信號波形設(shè)計,基于軌道角動量的電波調(diào)控機制,適用于THz/Tbps 系統(tǒng)中的材料、芯片和器件,支持100 GHz 以上頻率的可控天線陣列設(shè)計,實現(xiàn)太赫茲區(qū)域通信、傳感、物質(zhì)檢測和成像共存和6G 射頻系統(tǒng)測試機制等[18-19]。二是面向前沿的關(guān)聯(lián)技術(shù)得到更廣泛重視。在歐盟、美國近期發(fā)表的主要6G 預研報告中,都將大規(guī)模機器學習和深度學習、人工智能即服務(wù)(AIaaS)、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實(AR/VR)和多態(tài)交互感知、高效分布式協(xié)同計算、窮舉計算、后量子加密、多??尚湃螜C制等關(guān)聯(lián)技術(shù)作為未來6G 研發(fā)的重點方向[2,19]。
自5G 部署開始,信息通信技術(shù)地緣政治競爭格局已經(jīng)顯現(xiàn)。盡管產(chǎn)業(yè)界注重從創(chuàng)新效率的角度考慮問題,堅持認為通過私人、政府、研究和教育部門的所有關(guān)鍵利益相關(guān)者共同努力建立全球統(tǒng)一的6G 標準和全球供應鏈非常重要,但6G 技術(shù)發(fā)展卻面臨前所未有的地緣政治挑戰(zhàn)。美國以“國家安全”等為借口排擠中國技術(shù)、設(shè)備和標準。歐盟堅定加快信息網(wǎng)絡(luò)自主可控步伐,引發(fā)更加激烈的市場競爭。廣大發(fā)展中國家希望通過5G/6G 實現(xiàn)推進可持續(xù)發(fā)展,加速經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級呼聲更高,渴望參與研發(fā)進程。這一趨勢可能貫穿于6G 研究、演進和部署的全過程,圍繞整個產(chǎn)業(yè)鏈條,各方博弈將更趨激烈,出現(xiàn)技術(shù)標準和市場碎片化的可能性增大。
從全球2G 到4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的成功經(jīng)驗和當前5G 網(wǎng)絡(luò)部署出現(xiàn)巨大差異的教訓表明,統(tǒng)一的全球產(chǎn)業(yè)生態(tài)對通信行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要??梢灶A見,在深受地緣政治影響的大背景下,產(chǎn)業(yè)界特別是行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)作為6G 創(chuàng)新投入的主體,如何更好平衡企業(yè)利益和政治影響之間的矛盾,最大限度實現(xiàn)技術(shù)和標準的包容性,構(gòu)建新的6G 全球生態(tài)將成為未來工作的重要方面。同時,出于地緣政治考慮,在雙邊協(xié)調(diào)意愿不強或難以達成一致的情況下,國際電信聯(lián)盟(ITU)、國際電工委員會(IEC)、第三代合作伙伴計劃(3GPP)等國際標準組織將有望利用自身優(yōu)勢更好開展協(xié)調(diào),為各國政府、產(chǎn)業(yè)界、學術(shù)界和行業(yè)組織搭建溝通對話平臺,通過多方對話尋求“最大公約數(shù)”,在推動6G 全球生態(tài)形成方面發(fā)揮建設(shè)性作用。
在2022年3月舉行的巴塞羅那世界移動通信大會上,沃達豐曾發(fā)布數(shù)據(jù)顯示,到2021年底,中國的5G 覆蓋率已超過60%,美國約為45%,歐洲不到10%。中國和美國的原始設(shè)備制造商(OEM)也占據(jù)了全球智能手機銷量的絕大部分[20]?;谠?G 發(fā)展和部署方面的成功經(jīng)驗,中國在6G標準規(guī)劃、專利申請、產(chǎn)品預研和技術(shù)測試方面仍處于世界前列。但從6G 發(fā)展內(nèi)在規(guī)律和國際形勢變化看,仍需要進一步加快6G 研發(fā)部署,完善創(chuàng)新生態(tài),推動國際合作,進而為全球無線移動通信技術(shù)進步做出更多貢獻。
(1)加強投入支持,引領(lǐng)全球6G 技術(shù)研發(fā)。
如按照國際電信聯(lián)盟初步規(guī)劃,在2030年前后實現(xiàn)6G 商用測算,未來5年將成為6G 研發(fā)的關(guān)鍵窗口。中國應貫徹落實“十四五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃要求,牢牢把握這一關(guān)鍵窗口期,面向國際、國內(nèi)需求細化6G 愿景、場景、關(guān)鍵指標和應用。前瞻布局支持高頻、高速移動、大容量、低時延的6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)儲備,科學有序推進頻譜調(diào)配和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),加快空天一體化網(wǎng)絡(luò)研究部署。促進先進半導體材料和工藝、人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、量子技術(shù)、測試儀表等關(guān)聯(lián)技術(shù)發(fā)展,加快6G 網(wǎng)絡(luò)試驗測試設(shè)施建設(shè)進度。
(2)加強多方協(xié)同,構(gòu)建良好6G 創(chuàng)新生態(tài)。
鼓勵高校、企業(yè)、科研機構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、產(chǎn)業(yè)生態(tài)、技術(shù)創(chuàng)新、融合應用和安全保障等方面開展協(xié)同合作。盡快明確毫米波、太赫茲等候選頻段用于6G 通信網(wǎng)絡(luò)實驗頻譜,遴選典型應用場景率先推進6G 應用驗證和示范展示。引導通信行業(yè)、數(shù)字平臺和行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)發(fā)揮作用,廣泛發(fā)掘垂直行業(yè)應用場景,構(gòu)建有利于開放創(chuàng)新的技術(shù)集聚模式。積極搭建共性技術(shù)基礎(chǔ)平臺和知識傳播平臺,積極推動面向6G 的大眾創(chuàng)新創(chuàng)業(yè),促進6G 相關(guān)科技型中小企業(yè)蓬勃發(fā)展。推動科技中介服務(wù)機構(gòu)、科技風險投資機構(gòu)積極關(guān)注6G創(chuàng)新動向,及時發(fā)現(xiàn)和支持有潛力的市場主體快速成長。
(3)加強國際合作,完善6G 科技產(chǎn)業(yè)全球布局。
推動6G 政府間合作,面向特定行業(yè)推動聯(lián)合研究和共同應用示范。加強同廣大發(fā)展中國家在6G促進可持續(xù)發(fā)展方面的合作。深度參與6G 產(chǎn)業(yè)規(guī)則和國際技術(shù)標準制定,積極向國際電信聯(lián)盟、第三代合作伙伴計劃等國際標準組織輸送高質(zhì)量的研究成果。積極支持舉辦相關(guān)領(lǐng)域高水平國際科技交流會議和活動,加強6G 技術(shù)安全、6G 技術(shù)應用服務(wù)民生等方面的國際對話交流,為通信技術(shù)創(chuàng)新更好地服務(wù)人類發(fā)展貢獻新方案。