周斌 編譯

2019年，芬蘭奧盧大學(xué)與70位來(lái)自各國(guó)的頂尖通信專家首次共同發(fā)布了全球首份6G白皮書《無(wú)處不在的無(wú)線智能——6G的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)與研究挑戰(zhàn)》。報(bào)告從社會(huì)和商業(yè)驅(qū)動(dòng)力、應(yīng)用場(chǎng)景和新設(shè)備、指標(biāo)和頻譜等七個(gè)方面全方位分析6G的驅(qū)動(dòng)因素、研究需求、挑戰(zhàn)和問(wèn)題，初步回答了6G怎樣改變大眾生活、有哪些技術(shù)特征、需解決哪些技術(shù)難點(diǎn)等重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。

從歷史上看，移動(dòng)通信大約每十年就會(huì)出現(xiàn)一次更新?lián)Q代，通過(guò)引入新興技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜效率和容量的提升，為新業(yè)務(wù)、新業(yè)態(tài)培育提供基礎(chǔ)。5G新無(wú)線電（NR）的第一個(gè)版本已于2018年準(zhǔn)備就緒，在諸多領(lǐng)域已展現(xiàn)出提高生產(chǎn)力的潛能，且有望成為引領(lǐng)許多領(lǐng)域長(zhǎng)期發(fā)展、融合發(fā)展和自主應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。與5G相比，6G會(huì)采用新技術(shù)、新模式，能滿足并超越5G所需的通信要求，加速經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的數(shù)字化。從之前移動(dòng)通信技術(shù)更新?lián)Q代的時(shí)間、路徑來(lái)看，現(xiàn)在是研究6G的通信需求、性能要求、系統(tǒng)和傳輸面臨的挑戰(zhàn)以及技術(shù)路線選擇等核心問(wèn)題的最佳時(shí)機(jī)。第一屆6G無(wú)線峰會(huì)于2019年3月在芬蘭列維舉行，來(lái)自29個(gè)國(guó)家的近300名與會(huì)者參加了會(huì)議，包括了主要基礎(chǔ)設(shè)施制造商、運(yùn)營(yíng)商、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)界的核心人員。該活動(dòng)的6G愿景宣言抓住了6G的本質(zhì)，即“無(wú)處不在的無(wú)線智能”?！盁o(wú)處不在”指服務(wù)與用戶隨時(shí)隨地進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接;“無(wú)線”指出無(wú)線連接是關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的一部分;“智能”指為人類和非人類用戶提供情景感知的智能服務(wù)和應(yīng)用程序。峰會(huì)結(jié)束后，組織者舉辦了研討會(huì)并起草了第一份6G白皮書《無(wú)處不在的無(wú)線智能——6G的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)與研究挑戰(zhàn)》（以下簡(jiǎn)稱“白皮書”），白皮書確定了與6G相關(guān)的主要驅(qū)動(dòng)因素、研究要求、挑戰(zhàn)和基本研究問(wèn)題，并指出了6G的主要驅(qū)動(dòng)力：可持續(xù)發(fā)展、社會(huì)、生產(chǎn)力和技術(shù)。此白皮書每年都會(huì)在年度6G無(wú)線峰會(huì)結(jié)束后進(jìn)行更新。

說(shuō)“從5G工程到6G人文”是天真的，還是勢(shì)在必行？

2016年，聯(lián)合國(guó)發(fā)布了2030年議程的17個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDG），有望推動(dòng)政策并影響許多經(jīng)濟(jì)體的政府支出，從而創(chuàng)造出新的全球需求。到2030年，全球人口將增長(zhǎng)到85億，預(yù)計(jì)世界上將有43個(gè)人口超過(guò)1000萬(wàn)的特大城市，其中大多數(shù)位于發(fā)展中地區(qū)。城市化要求在整個(gè)社會(huì)范圍內(nèi)提供超高效、自動(dòng)化、無(wú)時(shí)無(wú)刻、無(wú)處不在的信息與通訊技術(shù)服務(wù)，從而顯提高生產(chǎn)率、減少碳排放、節(jié)省公共支出。同時(shí)，未來(lái)城市地區(qū)開(kāi)發(fā)的服務(wù)需要轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足偏遠(yuǎn)地區(qū)、貧困地區(qū)的需要，以便實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。在6G時(shí)代，隨著社會(huì)與信息通訊技術(shù)的融合愈發(fā)緊密，將出現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，如何應(yīng)對(duì)這一難題、做好風(fēng)險(xiǎn)防范將成為6G技術(shù)不容忽視的重點(diǎn)。白皮書確定了關(guān)鍵的研究領(lǐng)域，以便使6G愿景成為現(xiàn)實(shí)，白皮書的后繼版本將會(huì)補(bǔ)充第一次峰會(huì)上未討論的缺失領(lǐng)域。

6G的社會(huì)和商業(yè)驅(qū)動(dòng)力

（一）來(lái)自社會(huì)的驅(qū)動(dòng)力將塑造6G

從1G到5G，社會(huì)和商業(yè)驅(qū)動(dòng)因素對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的影響愈發(fā)深刻，對(duì)于6G而言，政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)、法律和環(huán)境等都是重要的驅(qū)動(dòng)因素。一方面，為了確保智能城市服務(wù)和城市化的紅利得到充分共享且具有包容性，政策要著重關(guān)注城市貧困人口和其他弱勢(shì)群體對(duì)生活保障的需求。另一方面，無(wú)時(shí)無(wú)刻、無(wú)處不在的系統(tǒng)化、自動(dòng)化的小工具和傳感器將對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和魯棒性提出更高要求。預(yù)計(jì)6G“無(wú)處不在”的特性將大大擴(kuò)張信息與通信技術(shù)涵蓋的范圍，釋放更多社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和機(jī)會(huì)。與此同時(shí)，高效節(jié)能也是6G的關(guān)鍵性需求。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品使用周期中，對(duì)材料進(jìn)行選擇、使用、重復(fù)使用和回收利用，可以降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、使用的成本，有助于將網(wǎng)絡(luò)連接擴(kuò)展到更多偏遠(yuǎn)地區(qū)，以持續(xù)、高效、綠色的方式提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

（二）數(shù)據(jù)所有權(quán)和合同政策問(wèn)題需要特別關(guān)注

數(shù)據(jù)訪問(wèn)和使用規(guī)則逐漸成為未來(lái)創(chuàng)造價(jià)值的重要要素，為此，對(duì)數(shù)據(jù)的限制也變成了一種管理手段。創(chuàng)建一個(gè)可以改變數(shù)據(jù)收集、優(yōu)先級(jí)和共享方式的系統(tǒng)，可以為更大程度地發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值提供保障，但也可能導(dǎo)致在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和使用等方面產(chǎn)生嚴(yán)重的隱私及倫理問(wèn)題。在通信生態(tài)系統(tǒng)中，不同參與者對(duì)數(shù)據(jù)的使用權(quán)利和義務(wù)已有界定，但在6G時(shí)代，一個(gè)重大挑戰(zhàn)是如何將這些權(quán)利和義務(wù)映射到高度智能的系統(tǒng)或設(shè)備中，以便使用數(shù)據(jù)創(chuàng)建更多未來(lái)服務(wù)。

（三）6G將推動(dòng)城市和室內(nèi)空間的網(wǎng)絡(luò)共享，“本地運(yùn)營(yíng)商”模式將得到推廣

在6G時(shí)代，定位服務(wù)于超高效短距離傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)新頻段將會(huì)開(kāi)放，各個(gè)參與者將在新頻段上以垂直行業(yè)為目標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，以吸引新的參與者、投資者等共同打開(kāi)市場(chǎng)。以往重疊的超密集網(wǎng)絡(luò)將不再可行，不同的參與者在一個(gè)設(shè)施內(nèi)只部署單個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足多個(gè)用戶組和服務(wù)的需求，參與者將借助軟件化、網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化以及接口的開(kāi)放來(lái)共享網(wǎng)絡(luò)連接層和數(shù)據(jù)層。在此背景下，頻譜接入權(quán)、網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)資源、設(shè)施和客戶的所有權(quán)變更將導(dǎo)致多種技術(shù)要求和技術(shù)架構(gòu)組合，大大增加網(wǎng)絡(luò)接入的復(fù)雜性。同時(shí)，頻譜使用的全球協(xié)調(diào)也需要各方共同努力去推進(jìn)解決。

（四）6G中的利益方將發(fā)生變化，并且將出現(xiàn)新的角色

6G作為共享經(jīng)濟(jì)體將改變現(xiàn)有角色，并引入新的利益相關(guān)方角色，從而形成更加復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)（圖）。圖中的利益方代表了來(lái)自人和機(jī)器用戶的不同需求，也包括不同垂直領(lǐng)域的公共部門或企業(yè)。滿足需求范圍所需的資源和資產(chǎn)將由提供物理基礎(chǔ)設(shè)施（生產(chǎn)設(shè)施、場(chǎng)地）、裝備（設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)）和數(shù)據(jù)（內(nèi)容、場(chǎng)景）的不同參與者在政策制定者制定的監(jiān)管框架下（八邊形最外層）提供。需求和資源將通過(guò)匹配/共享利益方而整合在一起。這些利益方既包括不同類型的運(yùn)營(yíng)商（本地或垂直特定運(yùn)營(yíng)商、固定運(yùn)營(yíng)商、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商），也包括資源代理以及各種服務(wù)/應(yīng)用程序提供商，例如信任/安全提供商。

總體而言，與當(dāng)前的移動(dòng)業(yè)務(wù)生態(tài)系統(tǒng)相比，6G中的參與角色將發(fā)生變化，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)全新的角色。尤其是前文提到的驅(qū)動(dòng)因素，它們將從根本上改變生態(tài)系統(tǒng)，并為6G中的各種利益相關(guān)者帶來(lái)新的機(jī)遇。

（五）6G在社會(huì)和商業(yè)驅(qū)動(dòng)力方面需要研究的問(wèn)題

·6G的主要社會(huì)要求是什么？

·如何在6G中對(duì)生態(tài)系統(tǒng)各利益方及其生態(tài)系統(tǒng)配置進(jìn)行分類？

·6G共享經(jīng)濟(jì)中，基于平臺(tái)的生態(tài)系統(tǒng)商業(yè)模式是什么，為什么以及如何出現(xiàn)？

·人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）如何在未來(lái)的6G系統(tǒng)中改變基于平臺(tái)的生態(tài)系統(tǒng)、商業(yè)模型和服務(wù)？

·6G要滿足社會(huì)要求，至少需要什么可行的法規(guī)？

·如何開(kāi)發(fā)新的機(jī)制和商業(yè)模型來(lái)提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)包容性，支持偏遠(yuǎn)地區(qū)訪問(wèn)？

6G應(yīng)用場(chǎng)景和新設(shè)備

智能手機(jī)已成為我們生活中不可或缺的一部分，但隨著新的顯示技術(shù)、傳感和成像設(shè)備以及低功耗專用處理器的飛速發(fā)展，硬件設(shè)備將進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。該時(shí)代，設(shè)備將與感官和運(yùn)動(dòng)控制無(wú)縫結(jié)合在一起。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和混合現(xiàn)實(shí)（MR）這些技術(shù)正在融合到交叉現(xiàn)實(shí)（XR）中，該技術(shù)包含可穿戴的顯示裝置以及產(chǎn)生并保持感知錯(cuò)覺(jué)的交互機(jī)制，提供了更多的可能。

（一）智能手機(jī)很有可能被XR眼鏡所替代

未來(lái)，輕巧的XR眼鏡能以前所未有的分辨率、刷新率和動(dòng)態(tài)范圍將圖像投射到眼睛上，并通過(guò)耳機(jī)和觸覺(jué)界面把反饋提供給其他感官系統(tǒng)。

（二）新的技術(shù)將使遠(yuǎn)程呈現(xiàn)成為可能

隨著高分辨率成像和傳感設(shè)備、可穿戴顯示裝置、移動(dòng)機(jī)器人和無(wú)人機(jī)、專用處理器以及下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等輔助技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程呈現(xiàn)最終將成為現(xiàn)實(shí)。人物模型可以通過(guò)實(shí)時(shí)捕獲、傳輸和渲染會(huì)議中每個(gè)參與者的三維全息再現(xiàn)，或者通過(guò)圖形組合表示（如化身）和傳感器捕獲的移動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。XR設(shè)備等可以創(chuàng)造感知上的錯(cuò)覺(jué)，使地理上分散的一群人相信他們出現(xiàn)在同一個(gè)位置。

（三）自動(dòng)駕駛汽車將成為可能

在6G網(wǎng)絡(luò)中，每輛車都將配備許多傳感器，包括相機(jī)、激光掃描儀、可能用于三維成像的太赫茲寬帶陣列成像設(shè)備、里程表和慣性測(cè)量單元。在算法上，自動(dòng)駕駛必須快速融合多來(lái)源數(shù)據(jù)來(lái)決定如何控制車輛，并具有專用的交互界面以提醒乘客或監(jiān)督員注意潛在風(fēng)險(xiǎn)。在網(wǎng)絡(luò)上，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)除了具有低延遲和高帶寬外，還必須有超高可靠性。

（四）6G在應(yīng)用場(chǎng)景和新設(shè)備方面需要研究的問(wèn)題

·下一代XR系統(tǒng)的功能、性能和人體工程學(xué)要求是什么？

·如何在未來(lái)的XR系統(tǒng)中的不同組件之間分配算力和數(shù)據(jù)？

·如何為下一代XR設(shè)備定義和衡量基于人類感知的體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）標(biāo)準(zhǔn)？

·下一代網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備可以為人與人之間的互動(dòng)提供哪些新的機(jī)會(huì)？

·自動(dòng)駕駛汽車在通信可靠性和交通安全性方面需要考慮哪些因素？

6G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和頻譜

6G的技術(shù)指標(biāo)與先前的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)升級(jí)一致，將5G已有指標(biāo)提高10-100倍。除了已有指標(biāo)，新的6G指標(biāo)大致可以分為兩類，一類是技術(shù)和生產(chǎn)力驅(qū)動(dòng)的指標(biāo)（包括延遲、抖動(dòng)、鏈路預(yù)算、擴(kuò)展范圍/覆蓋范圍、三維地圖保真度、位置精度和更新的速度、成本和能源等），另一類是可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)驅(qū)動(dòng)的指標(biāo)（包括在定義需求和標(biāo)準(zhǔn)化中包含垂直參與者、透明度、隱私/安全/信任、面向應(yīng)用程序接口的全球用例、聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)激勵(lì)、開(kāi)源以及道德指標(biāo)等），部分指標(biāo)類別目前很難定義，在未來(lái)的白皮書版本中將會(huì)改進(jìn)。

（一）6G研究應(yīng)突破最高傳輸速率1Tb/s的瓶頸

6G有望成為第一個(gè)要求超快速鏈接的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，其每個(gè)鏈接的峰值吞吐量將超過(guò)Tb/s（Tbps）。6G的使用場(chǎng)景（例如無(wú)線工廠自動(dòng)化）的需要非?？量?。6G的可靠性和延遲要求非常多樣化，且視具體情況而異?？梢灶A(yù)見(jiàn)，6G時(shí)代數(shù)據(jù)流量和連接物的數(shù)量將大大增加，設(shè)備密度可能會(huì)增長(zhǎng)到每立方米數(shù)百個(gè)，這對(duì)面積或空間頻譜效率，以及連接所需的頻段都提出了嚴(yán)格的要求。安全性、隱私性和可靠性也是重要的新指標(biāo)，6G必須要有極高的安全等級(jí)，以滿足工業(yè)和高端用戶的極高要求。

（二）太赫茲中頻譜的利用需要根據(jù)吸收和反射特性來(lái)制定

當(dāng)前，許多物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景都受到范圍、成本和電池的限制，無(wú)法輕易擴(kuò)展到更高的頻率，且目前毫米波也無(wú)法滿足部分新帶寬場(chǎng)景。在太赫茲體系中，頻譜的利用需要根據(jù)子帶的吸收和反射特性來(lái)安排，以優(yōu)化通信和其他應(yīng)用使用和重用。具體而言，在支持多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，必須通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念l率規(guī)劃防止諧波疊加。

（三）應(yīng)用場(chǎng)景和新設(shè)備需要研究的問(wèn)題

·如何評(píng)估和量化針對(duì)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的指標(biāo)？

·對(duì)于6G通信應(yīng)用，合適的無(wú)線信道模型是什么？是否可以統(tǒng)一從GHz到THz整個(gè)范圍的模型？

·什么是可行頻段？在100GHz以上的商用頻段需要哪些技術(shù)？

·什么是數(shù)據(jù)隱私和安全性的適當(dāng)指標(biāo)？

·未來(lái)頻譜分配和相關(guān)政策的實(shí)際需要和需求什么？

無(wú)線硬件的進(jìn)步與挑戰(zhàn)

當(dāng)載波頻率提高到1Tb/s時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的定向傳輸和接收作用就變得更加明顯，CMOS晶體管的性能也很難滿足高于100GHz頻率要求，硬件的瓶頸可能會(huì)減慢6G推進(jìn)速度。從已有技術(shù)路線上，一方面，繼續(xù)探索CMOS技術(shù)在100GHz以上頻率的潛能仍然有意義。另一方面，硅鍺（SiGe）或磷化銦（InP）等新材料在高頻環(huán)境下工作也值得期待。

（一）太赫茲頻譜可以將通信系統(tǒng)和新應(yīng)用相融合

太赫茲頻譜不僅能提高傳輸速度，同時(shí)還能提高成像和雷達(dá)定位、三維成像和傳感的角度和測(cè)距精度。因此，研究超高速低成本通信和先進(jìn)傳感系統(tǒng)的硬件需求、范圍和機(jī)會(huì)具有非常高的理論和實(shí)踐價(jià)值。波束收發(fā)方面，天線的大小將隨著頻率增加而大大減少。在250GHz頻率下，一個(gè)包含1000個(gè)天線的天線陣列將可以放進(jìn)一個(gè)不到4平方厘米的區(qū)域，筆形波束異常狹窄，這樣更安全但也容易發(fā)生對(duì)齊錯(cuò)誤。

電池管理方面，在低速率傳感應(yīng)用中，需要具有能量收集功能的零能耗、獨(dú)立式無(wú)電池解決方案，但在需要寬帶處理的極端預(yù)設(shè)場(chǎng)景和難以意料應(yīng)用情形下，將要求電力效率有巨大改進(jìn)。

信號(hào)傳播方面，太赫茲（THz）頻率下產(chǎn)生射頻功率較為困難，且水吸收對(duì)信號(hào)的影響非常明顯，信號(hào)穿透較為困難。但是，物體表面在短波長(zhǎng)的情況下，其反射率會(huì)增高，因此信號(hào)穿透雖然是難題，但可以通過(guò)有效利用反射實(shí)現(xiàn)波束傳輸。

（二）6G需要新的收發(fā)器架構(gòu)和計(jì)算范例實(shí)現(xiàn)1Tb/s的傳輸

進(jìn)入太赫茲領(lǐng)域，CMOS以及基于BiCMOS的半導(dǎo)體技術(shù)是否依然有效將是一個(gè)問(wèn)題。首先，由于接口的速度（即使在硅內(nèi)部）已經(jīng)成為了突破的難題，尤其是在CMOS中，要提高小型晶體管的速度技術(shù)難度很大。其次，在CMOS之上納米技術(shù)只能提供有限的功率傳輸能力，極易導(dǎo)致信號(hào)處理的各個(gè)階段并行性增加。最后，熱效應(yīng)、低擊穿電壓和有限的電池容量也是實(shí)現(xiàn)Tb/s通信方式的技術(shù)難點(diǎn)。然而，目前想要找到完全替代硅技術(shù)的新技術(shù)非常困難，要實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的替代需要從設(shè)備到收發(fā)器架構(gòu)等進(jìn)行一系列的深度研究。

當(dāng)頻率達(dá)到太赫茲時(shí)，單個(gè)天線元件的尺寸將變小，即便是頻率最低的太赫茲，天線陣列元件之間的半波長(zhǎng)距離也將只有數(shù)百微米，這樣的大小可以使得天線陣列集成到硅材料中。但當(dāng)天線元件的尺寸變得比與其配套的電子元件還要小時(shí)，將可能出現(xiàn)成千上萬(wàn)帶有天線元件的前端并行收發(fā)的情況。因此，6G必須采用新的收發(fā)器架構(gòu)，而基于透鏡天線陣列的先進(jìn)通信系統(tǒng)很有可能在該方面發(fā)揮重要作用。

（三）在太赫茲應(yīng)用中，半導(dǎo)體、光學(xué)和新材料有廣闊前景

在半導(dǎo)體方面，材料屬性和寄生效應(yīng)通常會(huì)隨著頻率的增加而降低，硅鍺異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）、III-V半導(dǎo)體技術(shù)（例如磷化銦）由于性能優(yōu)于CMOS，將很快得到更多關(guān)注。在光學(xué)方面，如何利用透鏡技術(shù)、數(shù)字技術(shù)等進(jìn)行集成是關(guān)鍵問(wèn)題。在太赫茲領(lǐng)域，光子學(xué)將成為主導(dǎo)技術(shù)，隨著太赫茲技術(shù)不斷發(fā)展，電子學(xué)和光學(xué)器件的發(fā)展可以分別在超高速接口和可見(jiàn)光通信領(lǐng)域進(jìn)行互補(bǔ)。

（四）6G在無(wú)線硬件方面需要研究的問(wèn)題

·如何圍繞“太赫茲空隙”將電氣和光學(xué)技術(shù)融合并對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行細(xì)化？

·硅基技術(shù)在THz/Tbps系統(tǒng)中能否表現(xiàn)良好，還需要其他哪些技術(shù)？

·如何在高于100GHz的頻率上實(shí)現(xiàn)10米以上的通信和傳感？

·可調(diào)諧天線等解決方案能否在100GHz以上實(shí)現(xiàn)？機(jī)器學(xué)習(xí)能否解決此問(wèn)題？

·在太赫茲區(qū)域，通信、傳感、物質(zhì)檢測(cè)和成像的相互需求如何共存？

物理層和無(wú)線系統(tǒng)

沒(méi)有任何一種解決方案可以滿足所有垂直應(yīng)用程序的需求。大規(guī)模的寬帶（eMBB），超可靠的低延遲通信（URLLC），大規(guī)模的機(jī)器類通信（mMTC）和極高的用電效率，意味著需要更多的解決方案。解決方案的增多需要逐案優(yōu)化系統(tǒng)，并且必須重新定義不同應(yīng)用之間的兼容性。當(dāng)前的5G新空口（NR）網(wǎng)絡(luò)尚未能夠滿足所有苛刻設(shè)計(jì)需求。因此，我們認(rèn)為未來(lái)物理層和無(wú)線系統(tǒng)除了地面網(wǎng)絡(luò)以外，還需要基于衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)（或類似的空中平臺(tái)）的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)滿足覆蓋范圍和能力的需求。此外，當(dāng)越來(lái)越多的數(shù)據(jù)在微型設(shè)備中被存儲(chǔ)和處理，能源和電力消耗的問(wèn)題將會(huì)變得越發(fā)突出。

（一）人工智能將在6G的鏈路層和系統(tǒng)層解決方案中發(fā)揮重要作用

6G要滿足所有已確定的性能要求，就需要具有可配置無(wú)線電的超靈活網(wǎng)絡(luò)。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)將與無(wú)線感測(cè)和定位結(jié)合，學(xué)習(xí)了解無(wú)線環(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)構(gòu)成，用于預(yù)測(cè)高頻下的鏈路丟失、主動(dòng)確定密集城市網(wǎng)絡(luò)中的最佳切換點(diǎn)并確定基站，以及為基站和用戶確定最佳的無(wú)線資源分配等。

目前來(lái)看，開(kāi)發(fā)新的空口需要廣泛應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法，以便改善空中接口的時(shí)變性能，語(yǔ)義識(shí)別方案可能是重要的解決方向。值得注意的是，在給定環(huán)境和特定的需求下，人工智能是否可以被用來(lái)做這些設(shè)計(jì)，其真實(shí)使用效果仍值得研究。

（二）新的無(wú)授權(quán)訪問(wèn)方式對(duì)大規(guī)模機(jī)器類通信至關(guān)重要

6G要擴(kuò)展5G的性能，就必須靈活地開(kāi)展大規(guī)模的機(jī)器類通信用例，在實(shí)現(xiàn)高頻譜使用的同時(shí)，需要同時(shí)支持大量低功耗和低復(fù)雜度的設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)因?yàn)樵O(shè)備偶爾會(huì)生成短數(shù)據(jù)包，并且資源分配時(shí)的消耗可能超過(guò)實(shí)際的信息交換量，對(duì)上述指標(biāo)的要求更加苛刻。為解決這些問(wèn)題，基于適當(dāng)協(xié)議設(shè)計(jì)并依靠連續(xù)干擾抵消的“現(xiàn)在隨機(jī)訪問(wèn)協(xié)議”可能會(huì)發(fā)揮作用，這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在某些衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)中被采用，且被證明可以達(dá)到預(yù)定的訪問(wèn)性能要求，同時(shí)真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)授權(quán)訪問(wèn)。此外，現(xiàn)在隨機(jī)訪問(wèn)協(xié)議可以利用物理層和MAC層的聯(lián)合設(shè)計(jì)來(lái)提高數(shù)據(jù)吞吐量，這些對(duì)于短距離連接解決方案可能是有用的。

（三）信號(hào)成形是一種實(shí)現(xiàn)高頻譜使用效率的方法

為了增強(qiáng)比特率的性能，需要使用非常高階的星座調(diào)制。然而，這些高階星座調(diào)制對(duì)傳輸介質(zhì)中的非線性非常敏感，用于正交幅度調(diào)制（QAM）的信號(hào)成形可能可以克服其中一些困難。信號(hào)成形方式有兩種：幾何成形和概率成形，不論是基于幾何成形還是概率成形的正交幅度調(diào)制，都有望在光學(xué)和太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的高比特/秒/赫茲/極化。

（四）強(qiáng)大的模擬調(diào)制方案對(duì)6G至關(guān)重要

事實(shí)證明，正交頻分復(fù)用（OFDM）對(duì)于寬帶連接非常有效。早前，也有人提出了在60GHz下具有大于500兆Hz帶寬、超寬帶（UWB）系統(tǒng)的多頻帶正交頻分復(fù)用版本。當(dāng)傳輸帶寬達(dá)到極限，如在數(shù)百GHz頻段上達(dá)到幾GHz甚至幾十GHz帶寬使用率時(shí)，傳統(tǒng)的收發(fā)器設(shè)計(jì)就會(huì)開(kāi)始出錯(cuò)，并且多載波調(diào)制也無(wú)法正常工作。因此，6G需要更強(qiáng)大的模擬調(diào)制方案。

（五）使用射頻功率進(jìn)行連接和計(jì)算的反向散射通信可以實(shí)現(xiàn)超低功率通信

6G對(duì)能效比要求極高，這就需要通過(guò)以節(jié)能的方式進(jìn)行編碼、調(diào)制、發(fā)送和接收處理，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射能量和所需處理能量之間的平衡。此外，終端、低功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)能的要求更高。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，節(jié)能的大多數(shù)問(wèn)題可以通過(guò)適當(dāng)?shù)纳漕l和基帶硬件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在低功耗編碼、調(diào)制和物理層（非正交頻分復(fù)用）等層面需要更多解決方法。使用射頻功率進(jìn)行連接和計(jì)算的反向散射通信可能是實(shí)現(xiàn)超低功率通信的有效方法，反向散射通信可以從環(huán)境和射頻波形中獲取能量，這樣能夠讓物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的壽命延長(zhǎng)。

（六）6G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或許能自主搭建無(wú)線環(huán)境

在電磁可調(diào)表面（如基于特異材料）革命的推動(dòng)下，6G將控制來(lái)自大型智能表面（LIS）的信號(hào)反射和折射。開(kāi)放研究的問(wèn)題涉及從無(wú)源反射器和超材料涂層智慧表面的優(yōu)化部署到可重構(gòu)大型智能表面的AI驅(qū)動(dòng)操作。為了解大型智能表面和智慧表面在速率、延遲、可靠性和覆蓋率方面的性能，需要對(duì)其進(jìn)行基礎(chǔ)分析。另一個(gè)重要的研究方向是環(huán)境AI，智能表面可以通過(guò)學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)自主地重新配置其材料參數(shù)，現(xiàn)有挑戰(zhàn)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(hào)，這就需要反射/折射系數(shù)的可控性。在移動(dòng)環(huán)境中，由機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的智能曲面可能需要連續(xù)的再訓(xùn)練，這就需要訪問(wèn)足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)、高計(jì)算能力和有保證的低訓(xùn)練收斂性。

通過(guò)使用大型智能表面和類似結(jié)構(gòu)，6G可使全息成像成為可能，全息圖像射頻通過(guò)合成空間光譜全息技術(shù)和空間波場(chǎng)來(lái)控制整個(gè)物理空間和電磁場(chǎng)的完整閉環(huán)。這將大大提高頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)容量，并有助于集成成像和無(wú)線通信。

（七）6G在物理層和無(wú)線系統(tǒng)方面需要研究的問(wèn)題

·如何設(shè)計(jì)高速率、低延遲、高可靠性和大帶寬的信道編碼、調(diào)制、檢測(cè)和解碼？

·如何解碼Tbit/s通信？需要什么樣的星座成形？

·如何設(shè)計(jì)滿足高效、低成本要求的系統(tǒng)？我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)真正的無(wú)電池操作？

·如何通過(guò)物理層技術(shù)提高信息安全性、隱私性和可靠性？用光學(xué)（或未來(lái)用微波）來(lái)進(jìn)行量子密鑰分發(fā)是否可行？

·如何有效設(shè)計(jì)毫米波/太赫茲鏈路、系統(tǒng)和收發(fā)器？如何補(bǔ)償或維持相位噪聲？相干、非相干、部分相干系統(tǒng)的作用是什么？如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)定位、頻道獲取和跟蹤？

·如何在有源天線陣列與透鏡天線 合并的情況下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出）和智能波束控制？如何設(shè)計(jì)具有大型智能表面的系統(tǒng)？

·如何設(shè)計(jì)高性能計(jì)算平臺(tái)與射頻鏈之間的高效接口？

·如何實(shí)現(xiàn)在高速火車和無(wú)人機(jī)上保持網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通？是否仍可以使用多載波技術(shù)？是否需要新的波形，例如基于特殊仿射傅立葉變換的波形？

6G網(wǎng)絡(luò)

（一）6G需要嵌入信任模型

到2030年，數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界將深度交織，人們的生活將依賴于網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，重要的工業(yè)價(jià)值將會(huì)喪失。在網(wǎng)絡(luò)物理世界中，有形資產(chǎn)可能會(huì)因數(shù)字攻擊而被竊取、滅失或受到損害，惡意網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)可能導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)和生命的損失。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，信任模型應(yīng)當(dāng)嵌入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，以提高用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的信任度。對(duì)于安全、信任和服務(wù)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)提供嵌入的分布式拒絕服務(wù)（DDoS）來(lái)實(shí)現(xiàn)緩解和保護(hù)功能，以使其免受其他人的攻擊。

（二）6G采用身份與位置分離的方案，主要依靠設(shè)備的私有地址

從保障安全上看，將信任關(guān)系嵌入網(wǎng)絡(luò)需要為設(shè)備和節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)更穩(wěn)定的ID，而不僅僅是可轉(zhuǎn)換或動(dòng)態(tài)的地址。每個(gè)設(shè)備至少應(yīng)具有一個(gè)唯一的名稱或多個(gè)可由網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)轉(zhuǎn)換為地址的名稱，并且可以將這些名稱轉(zhuǎn)換為地址以及根據(jù)需要轉(zhuǎn)換回ID，在設(shè)備連接后，設(shè)備應(yīng)能夠控制其自身的可達(dá)性。這種尋址原則的結(jié)果是端到端通信“層”與用戶的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)是分開(kāi)的，如同軟件定義的OpenFlow網(wǎng)絡(luò)一樣，該網(wǎng)絡(luò)可以使用多種轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，例如IPv4、IPv6、以太網(wǎng)和多種隧道協(xié)議等。

（三）6G的隱私保護(hù)將是一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素

未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等將產(chǎn)生大量前所未有的私人信息。互聯(lián)網(wǎng)公司已經(jīng)證明了私人信息具備使用價(jià)值，從現(xiàn)實(shí)世界中收集私人信息可能非常敏感，諸多場(chǎng)景私人信息的使用或多或少涉及侵犯私人利益。對(duì)于6G而言，要為社會(huì)所接受，對(duì)私人信息的保護(hù)是一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素。

（四）6G需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模式升級(jí)

在6G中，5G范式將得到細(xì)化和擴(kuò)展。一種可能性是虛擬化（關(guān)鍵）設(shè)備之間通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)到分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)并直達(dá)云端，實(shí)現(xiàn)端到端連接。在6G范式下，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)多種技術(shù)手段（智能流量管理、邊緣計(jì)算、用戶主動(dòng)或流量編排設(shè)置等）來(lái)最大化用戶體驗(yàn)，如通過(guò)將用戶或運(yùn)營(yíng)商設(shè)置為一組訂閱用戶，每個(gè)訂閱用戶在該組中統(tǒng)一進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分配。在某種意義上說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)是中立的，它平等地對(duì)待一個(gè)切片中的所有應(yīng)用程序，并且平等對(duì)待具有相同訂閱類型的所有用戶。

（五）人工智能和區(qū)塊鏈可能在6G網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色

在6G時(shí)代，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能越來(lái)越重要，依賴于挖掘大數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練學(xué)習(xí)，不斷增強(qiáng)應(yīng)對(duì)更高傳輸速率的計(jì)算能力，同時(shí)通過(guò)不斷學(xué)習(xí)獲得更多的靈活性。

區(qū)塊鏈?zhǔn)橇硪粋€(gè)備受期待的新技術(shù)，該技術(shù)在沒(méi)有中樞機(jī)構(gòu)的情況下，以分布式方式存儲(chǔ)和共享不經(jīng)常更改的信息，但變更的完整記錄也會(huì)被保存。這可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)市場(chǎng)組織方式的變更，也可能有助于運(yùn)營(yíng)商在相互設(shè)置網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)保持相互信任。

（六）6G在網(wǎng)絡(luò)方面需要研究的問(wèn)題

·如何定義一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)范例，以平等地支持消費(fèi)者、企業(yè)以及生活和關(guān)鍵通信場(chǎng)景？需要進(jìn)行哪些法規(guī)更改才能進(jìn)行此類創(chuàng)新？

·如何在網(wǎng)絡(luò)中嵌入信任和安全模型？如何利用虛擬化提供的隔離服務(wù)來(lái)保護(hù)端到端連接和通信？

·什么樣的數(shù)據(jù)市場(chǎng)商業(yè)模型是可行的，需要哪些技術(shù)來(lái)支持它們？需要什么樣的機(jī)構(gòu)？非技術(shù)型用戶如何輕松使用它？

·需要哪種網(wǎng)絡(luò)功能、接口和協(xié)議來(lái)支持廣域和本地玩家之間以及消費(fèi)者和垂直市場(chǎng)玩家之間進(jìn)行職責(zé)劃分？

·如何增強(qiáng)和改進(jìn)虛擬化，使得6G網(wǎng)路以最低的成本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最大靈活性？

·6G可以利用哪些新的計(jì)算和軟件技術(shù)？

責(zé)任編輯：梁媛

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