摘 要:面向2030 年及未來,6G 網(wǎng)絡(luò)將與人工智能(Artificial Intelligence,AI)技術(shù)進(jìn)行深度融合,智慧內(nèi)生作為6G 網(wǎng)絡(luò)的重要特征已經(jīng)成為業(yè)界共識(shí),6G 網(wǎng)絡(luò)智慧內(nèi)生已成為當(dāng)前6G 網(wǎng)絡(luò)探索與研究的焦點(diǎn)之一。結(jié)合當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)智能化中的痛點(diǎn)問題,闡述了6G 網(wǎng)絡(luò)智慧內(nèi)生的驅(qū)動(dòng)力和愿景目標(biāo),梳理總結(jié)了目前產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界在智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和無線網(wǎng)絡(luò)智慧內(nèi)生實(shí)現(xiàn)方式的研究進(jìn)展,進(jìn)一步從架構(gòu)、組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)性能提升和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力拓展四個(gè)方向?qū)?shí)現(xiàn)智慧內(nèi)生的潛在關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析,對(duì)6G 智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)主要待研究問題點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。
關(guān)鍵詞:6G;智慧內(nèi)生;網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);組網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)性能;網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力
中圖分類號(hào):TN919. 23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):
文章編號(hào):1003-3114(2024)03-0430-09
0 引言
5G 無線通信開啟了一個(gè)全新的萬物互聯(lián)時(shí)代,給人們的日常生活和生產(chǎn),甚至社會(huì)發(fā)展帶來根本性的變革。驅(qū)動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)變革,對(duì)社會(huì)生活的各個(gè)層面產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[1-3]。
人工智能(Artificial Intelligence,AI)技術(shù)在近幾年迎來了高速發(fā)展,“外掛式”“補(bǔ)丁式”“疊加式”通信網(wǎng)絡(luò)與AI 的結(jié)合也成為了研究熱點(diǎn),例如網(wǎng)元智能化、網(wǎng)絡(luò)智能化。隨著行業(yè)和各標(biāo)準(zhǔn)組織共同努力,網(wǎng)絡(luò)智能化的研究取得了一定的成效,但當(dāng)前階段還存在以下痛點(diǎn)[4]。
數(shù)據(jù)質(zhì)量問題:數(shù)據(jù)采集和處理流程尚未標(biāo)準(zhǔn)化,導(dǎo)致數(shù)據(jù)來源復(fù)雜、可信性不足和關(guān)聯(lián)性低,數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象顯著,使用效率和應(yīng)用價(jià)值較低。
數(shù)據(jù)安全問題:AI 訓(xùn)練和推理涉及大量終端側(cè)數(shù)據(jù)采集和傳輸,目前缺乏統(tǒng)一的可信安全AI 數(shù)據(jù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)生命周期管理標(biāo)準(zhǔn)。
模型問題:AI 模型的泛化性不足,模型的遷移成本高,且AI 模型性能的穩(wěn)定性會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化影響。
應(yīng)用問題:AI 功能與網(wǎng)絡(luò)融合度較低,目前網(wǎng)絡(luò)AI 功能只是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)流程上的簡(jiǎn)單疊加,且跨域跨層智能化應(yīng)用受限。
在AI、感知計(jì)算和通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)使能下,未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將衍生出人機(jī)物更高層次通信服務(wù)需求。為有效解決5G 時(shí)代網(wǎng)絡(luò)智能化痛點(diǎn)問題和應(yīng)對(duì)新的業(yè)務(wù)需求,6G 網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)之初就必須考慮智慧內(nèi)生,將數(shù)據(jù)、算力和算法智能要素融入網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)中,設(shè)計(jì)架構(gòu)級(jí)智慧內(nèi)生,實(shí)現(xiàn)以AI 為內(nèi)生能力的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。6G 網(wǎng)絡(luò)要素將由傳統(tǒng)連接擴(kuò)展到由連接、數(shù)據(jù)、算力和算法構(gòu)成的AI 四要素。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求,對(duì)AI 四要素進(jìn)行分布式編排、部署和協(xié)同調(diào)度,按需實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)對(duì)外的智能服務(wù),驅(qū)動(dòng)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)全面智慧化轉(zhuǎn)型,最終實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生”和“智能泛在”的目標(biāo)愿景[5]。
本文聚焦6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵特征“智慧內(nèi)生”,首先總結(jié)梳理當(dāng)前6G 智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究進(jìn)展,然后分析了在6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)“智慧內(nèi)生”的潛在關(guān)鍵技術(shù),最后結(jié)合研究現(xiàn)狀對(duì)6G 智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)研究中面對(duì)的挑戰(zhàn)進(jìn)行總結(jié)與展望。
1 6G 智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究
1. 1 特征和設(shè)計(jì)原則
6G 智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)架構(gòu)層面原生支持網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的分布式AI 訓(xùn)練和推理,網(wǎng)絡(luò)需要具備分層分布式AI,以任務(wù)為中心的資源編排管控,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、能力和服務(wù)的內(nèi)生自構(gòu)建,數(shù)智化服務(wù)和能力的開放,AI 生態(tài)協(xié)同與融合和AI 服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)可保障等六大關(guān)鍵特征。
綜合6G 智慧內(nèi)生特征及設(shè)計(jì)目標(biāo),6G 智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則主要包括[4]:
AI 要素功能服務(wù)化:通過AI 各要素功能的解耦和模塊化設(shè)計(jì),提供對(duì)內(nèi)和對(duì)外的AI 能力服務(wù),實(shí)現(xiàn)AI 各個(gè)服務(wù)的獨(dú)立擴(kuò)展演進(jìn)和靈活部署。
以任務(wù)為中心的智能業(yè)務(wù)編排:面向智能業(yè)務(wù)構(gòu)建以任務(wù)為中心的全生命周期管控機(jī)制,以保障智能業(yè)務(wù)QoS。
面向服務(wù)的協(xié)同控制:基于智能業(yè)務(wù)的編排結(jié)果,對(duì)AI 四要素服務(wù)進(jìn)行生成和協(xié)同控制,實(shí)現(xiàn)AI四要素服務(wù)的聯(lián)合調(diào)度和路由優(yōu)化。
支持分布式智能:通過AI 要素的分布式部署和智能體不同節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同,滿足網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求。
支持網(wǎng)絡(luò)對(duì)業(yè)務(wù)的自適應(yīng)性:通過對(duì)AI 四要素的靈活編排、按需生成和部署,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基于AI 對(duì)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的自感知和自適應(yīng)。
支持AI 服務(wù)的高性能需求:通過對(duì)AI 四要素的靈活部署、智能調(diào)度和路由優(yōu)化等實(shí)現(xiàn)綜合成本能耗最優(yōu),以滿足對(duì)AI 服務(wù)的低時(shí)延、高可靠和高能效需求。
支持AI 服務(wù)的開放:AI 服務(wù)不僅為通信網(wǎng)絡(luò)自身服務(wù),同時(shí)對(duì)第三方應(yīng)用和終端開放,實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)和AI 服務(wù)的融合。
支持智能內(nèi)生的安全可信:保證AI 服務(wù)的隱私保護(hù)、穩(wěn)定魯棒性和可解釋性。
1. 2 智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究現(xiàn)狀
針對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)智能化發(fā)展過程中遇到的痛點(diǎn)問題,面向6G 網(wǎng)絡(luò)新需求和新能力,為支持6G 智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)的特征和目標(biāo)實(shí)現(xiàn),產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了深入的研究和探討,下面從整體網(wǎng)絡(luò)邏輯框架設(shè)計(jì)、無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面將近年來的智慧內(nèi)生架構(gòu)研究進(jìn)展進(jìn)行梳理總結(jié)。
基于6G 網(wǎng)絡(luò)智慧內(nèi)生的內(nèi)涵、特征定義和設(shè)計(jì)原則,IMT-2030(6G)推進(jìn)組聯(lián)合國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界提出了6G 智能內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)體系框架[4]。如圖1所示,該體系框架從下到上依次為異構(gòu)資源層、功能和編排管理層以及能力開放層。在架構(gòu)中規(guī)劃了安全功能作為貫穿整個(gè)6G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的內(nèi)生安全基礎(chǔ)。
該架構(gòu)從網(wǎng)絡(luò)功能角度建立了體系化的智能內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)邏輯框架,融合了傳統(tǒng)的通信與數(shù)據(jù)、算力和算法等新功能,為業(yè)界的研究提供了參考和指引。
產(chǎn)業(yè)界在延續(xù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)分層部署的基礎(chǔ)上,從網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā),在6G 網(wǎng)絡(luò)邏輯框架分層細(xì)化、網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計(jì)、網(wǎng)元演進(jìn)方式和業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)的方向上進(jìn)行了大量6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)探索。
中國(guó)聯(lián)通提出了面向“新網(wǎng)絡(luò)、新服務(wù)、新生態(tài)”的層次化服務(wù)使能平臺(tái)架構(gòu)[6]。該架構(gòu)自下而上分別為資源層、功能層、管控層和服務(wù)層。功能層在傳統(tǒng)的移動(dòng)核心網(wǎng)控制面和用戶面功能基礎(chǔ)上,新增了數(shù)據(jù)和計(jì)算功能,分別負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)控制、路由轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)管理等網(wǎng)絡(luò)功能,以及數(shù)據(jù)、智能等內(nèi)生功能。
基于網(wǎng)絡(luò)云化、服務(wù)化的設(shè)計(jì)思路,中國(guó)電信和中興通訊聯(lián)合提出“三層四面”的6G 網(wǎng)絡(luò)總體框架,面向“連接+”功能需求,在功能層打造控制面、用戶面、數(shù)據(jù)面和智能面[7-8]。為了實(shí)現(xiàn)總體框架以用戶數(shù)據(jù)為中心的極簡(jiǎn)、智能內(nèi)生和分布自治演進(jìn)目標(biāo),進(jìn)一步將網(wǎng)元簡(jiǎn)化成網(wǎng)絡(luò)控制單元、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理單元、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)單元和網(wǎng)絡(luò)智能單元,分別對(duì)應(yīng)分層框架中的控制面、用戶面、數(shù)據(jù)面和智能面。
中國(guó)移動(dòng)從AI 服務(wù)質(zhì)量(Quality of AI Service,QoAIS)保障根本需求出發(fā),提出了基于6G 網(wǎng)絡(luò)智能內(nèi)生的“三層四面”的邏輯架構(gòu)[9]。在橫向邏輯上,將6G 網(wǎng)絡(luò)劃分為資源層、網(wǎng)絡(luò)功能層和應(yīng)用與服務(wù)層。在縱向邏輯上,將連接、數(shù)據(jù)、計(jì)算和算法任務(wù)功能抽離出形成新的通信面、數(shù)據(jù)面、計(jì)算面和智能面,實(shí)現(xiàn)通信連接、數(shù)據(jù)、算力和AI 各任務(wù)的垂直管理,極大降低了任務(wù)處理時(shí)延。該架構(gòu)融合了QoAIS、AI 全生命周期編排管理和AI 計(jì)算與通信深度融合等新理念,具備智能內(nèi)生、分布式計(jì)算和按需服務(wù)等特點(diǎn)。
從AI 要素功能服務(wù)化角度出發(fā),華為進(jìn)一步將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,提出了以任務(wù)為中心的6G 網(wǎng)絡(luò)AI 架構(gòu)。該架構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)AI 管理編排(NetworkAI Management&Orchestration,NAMO)和任務(wù)管控,通過部署在管理域的NAMO 來完成從AI 業(yè)務(wù)到任務(wù)的分解、映射和AI 業(yè)務(wù)流編排,任務(wù)管控則是在控制層引入任務(wù)錨點(diǎn)功能、任務(wù)調(diào)度功能和任務(wù)執(zhí)行功能[10]。
從國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商發(fā)布的研究進(jìn)展可以看出,目前產(chǎn)業(yè)界探索點(diǎn)聚焦在圍繞連接、數(shù)據(jù)、計(jì)算和算法四要素對(duì)網(wǎng)絡(luò)層功能選型、網(wǎng)絡(luò)功能部署方案、整體架構(gòu)邏輯。在學(xué)術(shù)界,高校研究人員探索將智能化賦能的關(guān)鍵技術(shù)引入6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,通過增強(qiáng)或新建網(wǎng)絡(luò)功能方式,來提升網(wǎng)絡(luò)整體智能化水平。
傳統(tǒng)基于規(guī)則算法的網(wǎng)絡(luò)操作方式難以實(shí)現(xiàn)未來網(wǎng)絡(luò)自我規(guī)劃、優(yōu)化、運(yùn)維和進(jìn)化的目標(biāo),針對(duì)這類問題相關(guān)研究人員開始探索知識(shí)圖譜與通信網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)[11-13],文獻(xiàn)[12]基于知識(shí)圖譜提出了以數(shù)據(jù)-模型-知識(shí)為內(nèi)核的智能內(nèi)生無線網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu),利用知識(shí)圖譜充分挖掘用戶、服務(wù)和環(huán)境等無線數(shù)據(jù)的多維主客觀知識(shí),實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的全方位立體感知、決策推理和自適應(yīng)調(diào)整,最終賦能于網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、優(yōu)化和維護(hù)等全生命周期管理和應(yīng)用,為實(shí)現(xiàn)未來無線通信智能內(nèi)生提供一條可行性路徑。
意圖驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(IntentDriven Networking,IDN)概念被嘗試引入到6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)中[14-15],文獻(xiàn)[14]提出一種意圖抽象與知識(shí)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的6G 內(nèi)生智能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖2 所示。在基礎(chǔ)的管理平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面上,通過意圖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和知識(shí)定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)新構(gòu)建了意圖抽象平面和認(rèn)知平面,使6G 網(wǎng)絡(luò)支持感知-通信-決策-控制能力,能夠識(shí)別周圍環(huán)境及應(yīng)用服務(wù)特性,從而進(jìn)行自動(dòng)化決策與閉環(huán)控制,最終根據(jù)“What you want”實(shí)現(xiàn)“How toconfigure the network”。
以上大部分研究基于6G 網(wǎng)絡(luò)智慧內(nèi)生設(shè)計(jì)原則,從網(wǎng)絡(luò)頂層設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)邏輯功能框架的體系化研究,具有較好的前瞻和指導(dǎo)意義。此外對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)智慧內(nèi)生實(shí)現(xiàn)方式的探索也在進(jìn)行,部分研究人員從無線網(wǎng)元智能實(shí)現(xiàn)角度對(duì)6G 無線網(wǎng)絡(luò)智慧內(nèi)生架構(gòu)進(jìn)行研究。
O-RAN 聯(lián)盟提出了一種開放式智能無線接入網(wǎng)絡(luò)(Radio Access Networking,RAN)參考體系架構(gòu)[16],如圖3 所示,通過引入AI 使能的軟件定義的RAN 智能控制器(RAN Intelligent Controller,RIC)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智慧內(nèi)生,RIC 包括非實(shí)時(shí)RIC 和近實(shí)時(shí)RIC,非實(shí)時(shí)RIC 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將訓(xùn)練生成的AI模型分發(fā)給近實(shí)時(shí)RIC。近實(shí)時(shí)RIC 基于AI 模型進(jìn)行負(fù)載均衡、無線資源塊管理、干擾管理和移動(dòng)性管理。此外,通過開放的E2 接口,近實(shí)時(shí)RIC 不僅可以從分布單元(Distributed Unit,DU)處獲取近實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),還可以向集中單元(Centralized Unit,CU)協(xié)議棧下發(fā)配置命令。
無線世界研究論壇(Wireless World ResearchForum,WWRF)提出了一種在RAN 側(cè)使能無線大數(shù)據(jù)的架構(gòu),如圖4 所示。在架構(gòu)中新增集中單元數(shù)據(jù)分析(Centralized Unit Data Analytics,CUDA)、分布單元數(shù)據(jù)分析(Distributed Unit Data Analytics,DUDA)智能體實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元智能。其中CUDA 被部署在CU 中,負(fù)責(zé)傳統(tǒng)通信連接業(yè)務(wù)中無線資源控制(Radio Resource Control,RRC)和分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(Packet Data Convergence Protocol,PDCP)等協(xié)議層的功能和AI 模型訓(xùn)練、在線模型預(yù)測(cè)等新AI 任務(wù)。而DUDA 被部署在靠近終端側(cè)的DU 中進(jìn)行實(shí)時(shí)RAN 數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、參數(shù)優(yōu)化和低復(fù)雜的模型訓(xùn)練,通過CUDA 和DUDA 之間協(xié)同完成RAN 側(cè)近實(shí)時(shí)AI 任務(wù)[17]。
一種意圖驅(qū)動(dòng)的6G 無線接入網(wǎng)絡(luò)(Intent-Driven Radio Access Networking,ID-RAN)架構(gòu)在文獻(xiàn)[15]中被提出,ID-RAN 架構(gòu)如圖5 所示,通過部署意圖驅(qū)動(dòng)的無線網(wǎng)絡(luò)控制器(Intent-Driven RadioNetwork Controller,ID-RNC)來實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶業(yè)務(wù)需求的智能處理。ID-RNC 通過無線傳輸方式接收意圖,并將其通過意圖轉(zhuǎn)譯、沖突解決、網(wǎng)絡(luò)編排、配置激活以及策略優(yōu)化功能模塊進(jìn)行處理;通過分布式部署在集中云、基站控制器或宏基站中,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無線意圖的全流程處理,同時(shí)負(fù)責(zé)接收網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維數(shù)據(jù)、無線通信數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)策略下發(fā)。
綜上所述,目前對(duì)6G 智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究演進(jìn)總結(jié)為從網(wǎng)絡(luò)功能框架頂層設(shè)計(jì),圍繞任務(wù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)功能分層設(shè)計(jì),圍繞網(wǎng)絡(luò)智能化水平提升結(jié)合智能化融合技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層功能增強(qiáng)及重構(gòu),而無線網(wǎng)智慧內(nèi)生架構(gòu)的研究主要為網(wǎng)元智能實(shí)現(xiàn)方案。但無論是哪一種架構(gòu)設(shè)計(jì),6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都呈現(xiàn)出一些根本性改變:
① 網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象從“會(huì)話”變成“任務(wù)”;
② 網(wǎng)絡(luò)資源要素從連接演變?yōu)楹w連接、計(jì)算、數(shù)據(jù)和算法四要素;
③ 網(wǎng)絡(luò)通過對(duì)四要素的協(xié)同調(diào)度,提高任務(wù)的QoS 保障。
2 智慧內(nèi)生關(guān)鍵技術(shù)
在實(shí)現(xiàn)6G 網(wǎng)絡(luò)智慧內(nèi)生架構(gòu)的過程中,存在計(jì)算資源需求大、數(shù)據(jù)管理難度大和業(yè)務(wù)保障標(biāo)準(zhǔn)高等一系列挑戰(zhàn),在這個(gè)背景驅(qū)動(dòng)下發(fā)展出了一系列6G 能內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù),IMT 在文獻(xiàn)[4]中提出了6G 智慧內(nèi)生的技術(shù)架構(gòu)體系建議,本文從架構(gòu)類技術(shù)、組網(wǎng)類技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)性能提升技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力拓展技術(shù)四大類技術(shù),對(duì)6G 智慧內(nèi)生潛在技術(shù)進(jìn)行分析。
2. 1 架構(gòu)類技術(shù)
2. 1. 1 AI 空口化
從整個(gè)空口協(xié)議棧頂層設(shè)計(jì)看,未來需要基于模型和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)的AI 能力來實(shí)現(xiàn)6G 智能空口,以滿足不同業(yè)務(wù)對(duì)空口的個(gè)性化需求。
物理層AI:根據(jù)物理信道特性數(shù)據(jù),運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法,對(duì)物理層的信道編碼、調(diào)制、波形、多址等功能進(jìn)行增強(qiáng)[18-19],形成自適應(yīng)編碼調(diào)制、信道狀態(tài)預(yù)測(cè)及估計(jì)等新型、原生智能的物理層功能[20]。例如借助感知定位、AI 和可重構(gòu)智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)技術(shù),開發(fā)用戶導(dǎo)向的主動(dòng)波束生成、跟蹤和調(diào)制功能,達(dá)到主動(dòng)控制信道條件目的[21]。
鏈路層AI:實(shí)現(xiàn)鏈路層AI 化核心為無線資源管理智能化算法,主要有資源調(diào)度(功率分配、信道分配和接入控制)、多輸入多輸出(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)配對(duì)、功率控制和調(diào)制與編碼策略(Modulation and Coding Scheme,MCS)選擇等[22-25]。例如文獻(xiàn)[25]中基于多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)(MultiAgent Reinforcement Learning,MARL)的單critic 網(wǎng)絡(luò)+多actor 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的功率控制問題,中心critic 網(wǎng)絡(luò)可以獲得全局信道,actor 被部署在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(Access Point,AP)上,根據(jù)critic 的指導(dǎo)和本地信息進(jìn)行訓(xùn)練,從而實(shí)現(xiàn)整體資源分配。
RRC 層AI:在傳統(tǒng)的RRC 層的控制和管理功能基礎(chǔ)上,引入智能化技術(shù),實(shí)現(xiàn)資源管理和配置的自動(dòng)化和智能化,提高整體網(wǎng)絡(luò)效率。在資源分配上,通過AI 技術(shù),根據(jù)用戶需求和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況進(jìn)行資源自動(dòng)分配,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能[26]。在參數(shù)配置上,基于AI 技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)自動(dòng)適配網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化和用戶遷移。在信令流程上,面向連接、計(jì)算、算力和算法的任務(wù)構(gòu)建新型的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議[27]。
2. 1. 2 超大規(guī)模MIMO
目前超大規(guī)模MIMO 的研究主要圍繞信道建模、天線形態(tài)設(shè)計(jì)、信道狀態(tài)信息(Channel State In-formation,CSI)反饋設(shè)計(jì)等方面。
在信道建模方面,主要研究為信道建模中近場(chǎng)球面波效應(yīng)和空間非平穩(wěn)特性刻畫[28-29]。文獻(xiàn)[29]給出了一種近場(chǎng)信道建模方法,該方法基于3GPP TR 38. 901 信道模型的多徑時(shí)延和角度參數(shù),通過幾何關(guān)系進(jìn)行近場(chǎng)信道的球面波建模。對(duì)于空間非平穩(wěn)特征的信道建模,采用基于概率模型和基于信道測(cè)量的統(tǒng)計(jì)性建模等模型對(duì)信道特征進(jìn)行刻畫。
在天線形態(tài)方面,主要圍繞采用新型材料和技術(shù),設(shè)計(jì)低功耗、高能效的新型天線。例如RIS 技術(shù)是一種基于可調(diào)控超材料的新型天線架構(gòu),它擺脫了傳統(tǒng)射頻系統(tǒng)中射頻鏈器件和相移器等高能耗器件,大幅度降低了系統(tǒng)整體功耗[30]。
在CSI 反饋方面,主要是圍繞適配超大規(guī)模信道特征的CSI 反饋方案設(shè)計(jì),充分考慮信道的近場(chǎng)特性、空間非平穩(wěn)特性等對(duì)信號(hào)傳播產(chǎn)生不確定的影響。
2. 1. 3 太赫茲通信
未來無線網(wǎng)絡(luò)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng),太赫茲通信具備高數(shù)據(jù)傳輸速率特性,因此被認(rèn)為是未來6G 技術(shù)的重要頻段之一[31]。太赫茲通信的關(guān)鍵核心技術(shù)主要有如下方面。
窄定向組網(wǎng):主要涉及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、組網(wǎng)方式和移動(dòng)性管理等方面,例如研究基于節(jié)點(diǎn)協(xié)作和轉(zhuǎn)發(fā)的多跳通信技術(shù),以達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和覆蓋范圍目的。
基帶信號(hào)處理技術(shù):主要研究低功耗、高速的基帶信號(hào)處理技術(shù),以滿足太赫茲通信系統(tǒng)處理Tbit/ s量級(jí)的傳輸速率需求。
超大規(guī)模天線設(shè)計(jì):主要是通過設(shè)計(jì)混合數(shù)字-模擬架構(gòu)的動(dòng)態(tài)天線陣列架構(gòu)來降低超大規(guī)模天線的復(fù)雜度[32]。
窄波束管理:基于射頻地圖感知的信道估計(jì)是波束管理的關(guān)鍵技術(shù),通過結(jié)合感知技術(shù)和無線信號(hào)的空間特性,完成對(duì)信道狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì),以實(shí)現(xiàn)快速追蹤和可靠切換[33]。
2. 2 組網(wǎng)類技術(shù)
2. 2. 1 聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)
聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)由于其隱私保護(hù)和實(shí)現(xiàn)泛在AI的特性,在6G 網(wǎng)絡(luò)中具有廣泛的前景和潛力。
與傳統(tǒng)的分布式學(xué)習(xí)不同,聯(lián)邦學(xué)習(xí)通過在各節(jié)點(diǎn)利用本地?cái)?shù)據(jù)集完成模型訓(xùn)練,然后各節(jié)點(diǎn)將訓(xùn)練好的模型參數(shù)傳遞至中心節(jié)點(diǎn),中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行聚合并將聚合的參數(shù)分發(fā)回各節(jié)點(diǎn),通過這種方式最大程度地保護(hù)了數(shù)據(jù)的隱私,同時(shí)網(wǎng)絡(luò)之間只需要傳輸模型參數(shù),極大地減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸資源[34]。例如文獻(xiàn)[35]提出一種基于量化的聯(lián)邦邊緣學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)資源分配。
按照數(shù)據(jù)分割方式,可以將聯(lián)邦學(xué)習(xí)分為水平聯(lián)邦學(xué)習(xí)、垂直聯(lián)邦學(xué)習(xí)和混合聯(lián)邦學(xué)習(xí)[36]。針對(duì)多模態(tài)和多任務(wù)的機(jī)器學(xué)習(xí)場(chǎng)景可以選取適配的學(xué)習(xí)方式,可以更好地應(yīng)對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)多場(chǎng)景業(yè)務(wù)需求。
2. 2. 2 QoAIS 機(jī)制
6G 網(wǎng)絡(luò)除了傳統(tǒng)通信資源外,還將引入分布式異構(gòu)算力資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源和AI 算法等AI服務(wù)編排的多種資源元素,因而需要從資源四要素等多個(gè)維度來綜合評(píng)估網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生QoAIS。
文獻(xiàn)[37]提出了一種QoAIS 指標(biāo)體系及保障機(jī)制,將6G 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生的AI 服務(wù)劃分為數(shù)據(jù)、訓(xùn)練、推理和驗(yàn)證四類,針對(duì)每一類服務(wù)都設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的服務(wù)性能評(píng)估指標(biāo)QoAIS,表1 給出了其中AI 訓(xùn)練類服務(wù)指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)方式,將服務(wù)指標(biāo)拆解為性能、開銷、安全、隱私和自治五個(gè)維度,每個(gè)維度都對(duì)應(yīng)一套QoAIS 指標(biāo)。如表2 所示,再進(jìn)一步將服務(wù)的QoAIS 指標(biāo)在所需數(shù)據(jù)、算法、算力和連接資源維度上進(jìn)行拆分,形成量化的QoS 指標(biāo),通過管理面、控制面和用戶面協(xié)同各資源實(shí)施QoS 保障,為未來6G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)保障的實(shí)現(xiàn)提供了解決思路。
2. 3 網(wǎng)絡(luò)性能提升技術(shù)
2. 3. 1 知識(shí)圖譜
網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的日益復(fù)雜對(duì)智能化運(yùn)維的實(shí)現(xiàn)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),知識(shí)圖譜由于強(qiáng)大的數(shù)據(jù)整合關(guān)聯(lián)能力,在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維智能化領(lǐng)域成為了研究熱點(diǎn),通過運(yùn)用知識(shí)圖譜技術(shù),將網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理關(guān)聯(lián),形成知識(shí),借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建知識(shí)的響應(yīng)和推理能力,推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理智能化[38-39]。在文獻(xiàn)[12]中,基于知識(shí)圖譜技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)管控知識(shí)空間,進(jìn)一步結(jié)合知識(shí)空間形成智能網(wǎng)絡(luò)策略生成和智能異常檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源智能化、自動(dòng)化調(diào)配和閉環(huán)的網(wǎng)絡(luò)管控。
知識(shí)定義、知識(shí)獲取以及知識(shí)融合是建立知識(shí)圖譜的關(guān)鍵過程。知識(shí)定義是結(jié)合數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和應(yīng)用場(chǎng)景,對(duì)知識(shí)模式、實(shí)體類型和實(shí)體之間的關(guān)系進(jìn)行定義。知識(shí)獲取是從零散信息中提取學(xué)習(xí)知識(shí)過程,主要的提取技術(shù)有命名識(shí)別、關(guān)系抽取和屬性抽取等[40-41]。知識(shí)融合是通過實(shí)體鏈接、實(shí)體消歧和關(guān)系抽取等技術(shù),對(duì)同一實(shí)體不同知識(shí)源的知識(shí)進(jìn)行整合,形成高質(zhì)量的知識(shí)庫(kù)。
2. 3. 2 語(yǔ)義通信技術(shù)
語(yǔ)義通信作為未來通信的潛在技術(shù)之一,能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)智能、高可靠和高傳輸效率的通信方式。目前語(yǔ)義通信技術(shù)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。
語(yǔ)義通信理論:主要為基于自然語(yǔ)言和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的語(yǔ)義信息表示和理解、語(yǔ)義壓縮編碼和新型語(yǔ)義通信協(xié)議設(shè)計(jì)[42]。
聯(lián)合信源信道編碼技術(shù):主要為語(yǔ)義信息彈性編碼、語(yǔ)義信息傳輸和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信源信道聯(lián)合編碼等。例如文獻(xiàn)[43]中提出了用于實(shí)現(xiàn)CSI的壓縮反饋的聯(lián)合信源信道編碼技術(shù),通過將所有模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)端到端的優(yōu)化。
物理層技術(shù):主要為面向語(yǔ)義通信的自適應(yīng)調(diào)制與波形技術(shù)、信道建模、預(yù)編碼技術(shù)和多址技術(shù)等[42]。例如文獻(xiàn)[44]中使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信道編碼與調(diào)制,通過對(duì)發(fā)送端與接收端在信道噪聲下共同訓(xùn)練,從而得到與信道噪聲匹配的調(diào)制策略。
鏈路層技術(shù):主要為面向語(yǔ)義通信的信息封裝和傳輸、重傳和容錯(cuò)等可靠傳輸機(jī)制、自適應(yīng)傳輸控制、跨層協(xié)同機(jī)制等。
2. 4 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力拓展技術(shù)
2. 4. 1 通感一體化
未來6G 網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)感知與通信的融合,利用無線傳輸感知周圍環(huán)境,同時(shí)基于反饋的感知數(shù)據(jù)幫助提升網(wǎng)絡(luò)性能,目前實(shí)現(xiàn)通感一體化的關(guān)鍵技術(shù)研究主要為如下方面。
組網(wǎng)架構(gòu):主要為網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議組件化研究、業(yè)務(wù)連續(xù)性和用戶感知保障研究、感知干擾與通信干擾協(xié)調(diào)控制、感知與通信聯(lián)合參數(shù)估計(jì)等。
空口關(guān)鍵技術(shù):主要為空口波形一體化設(shè)計(jì)和多天線波束賦形。波形一體化設(shè)計(jì)路線分為現(xiàn)有波形的一體化適配和新型通感一體化波形設(shè)計(jì),其中現(xiàn)有波形的一體化適配主要通過分析正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)和正交時(shí)頻空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)等波形的通信和感知性能,通過單一波形或者復(fù)合波形方式實(shí)現(xiàn)通感融合波形特性[45-47]。
協(xié)同感知:主要是進(jìn)行多模式、多節(jié)點(diǎn)、多頻段和多制式的協(xié)同感知技術(shù)研究,同時(shí)研究協(xié)同流程設(shè)計(jì)、組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇方案和協(xié)同感知定位等關(guān)鍵技術(shù)[47]。
2. 4. 2 意圖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
意圖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)用戶需求的自動(dòng)獲取、轉(zhuǎn)移,進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)全生命周期的自動(dòng)監(jiān)控和管理,顯著提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維效率。
意圖網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)主要有意圖轉(zhuǎn)譯、配置驗(yàn)證、和意圖保障。① 意圖轉(zhuǎn)譯是運(yùn)用深度學(xué)習(xí)和決策樹技術(shù)將用戶的“意圖需求”轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)策略配置[48]。② 配置驗(yàn)證是通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),將待驗(yàn)證的策略配置下發(fā)到仿真環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證。③ 意圖保障是基于用戶和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)利用時(shí)間序列模型對(duì)用戶意圖是否滿足結(jié)果進(jìn)行預(yù)判,對(duì)預(yù)判結(jié)果不好的用戶進(jìn)行意圖的自動(dòng)修復(fù)。
2. 4. 3 網(wǎng)絡(luò)大模型
大模型的出現(xiàn)已成為革命性的突破,在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破性進(jìn)展,可以預(yù)見大模型與通信融合是構(gòu)建未來智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)最可能的途徑[32],目前大模型與通信的融合可以分為大模型賦能通信網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)大模型兩個(gè)方面。
大模型賦能通信網(wǎng)絡(luò):大模型作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部單元或功能,能夠進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)性能和提供新的應(yīng)用。例如通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)和用戶數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)分析,能夠幫助網(wǎng)絡(luò)資源有效分配、網(wǎng)絡(luò)策略配置的生成。通過分析海量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù),自動(dòng)進(jìn)行潛在故障挖掘及優(yōu)化策略生成,提升智能化運(yùn)維水平。
通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)大模型:移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)平臺(tái)對(duì)內(nèi)外需求提供大模型服務(wù),首先通信網(wǎng)絡(luò)自身為大模型的訓(xùn)練和推理提供高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。其次基于網(wǎng)絡(luò)的云計(jì)算和邊緣計(jì)算能力,自動(dòng)編排調(diào)度大模型所需的計(jì)算資源,提高服務(wù)響應(yīng)速度和降低業(yè)務(wù)時(shí)延。此外通過在網(wǎng)絡(luò)上部署大模型,基于意圖理解為業(yè)務(wù)開發(fā)者提供其所需的AI 模型。
3 結(jié)束語(yǔ)
5G 時(shí)代打開了探索通信網(wǎng)絡(luò)與AI 融合的窗口,面向2030 年及未來社會(huì)智能化愿景,智慧內(nèi)生已然成為了6G 網(wǎng)絡(luò)的重要特征。從網(wǎng)絡(luò)功能框架設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)功能部署實(shí)現(xiàn)角度,分析總結(jié)了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界在6G 智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究進(jìn)展,對(duì)實(shí)現(xiàn)6G 智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的潛在技術(shù)進(jìn)行了分析預(yù)判,希望能為6G 智慧內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)研究工作提供一些思考方向。
目前,6G 智慧內(nèi)生的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的研究還處于探索階段,仍然存在一系列問題需要產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同探討和定義。例如網(wǎng)元智能化實(shí)現(xiàn)方案尚未標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)邦學(xué)習(xí)尚未形成統(tǒng)一部署方案、面向AI 服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和QoS 體系有待明確和標(biāo)準(zhǔn)化等。展望未來,相信在業(yè)界的共同推動(dòng)下,這些問題都將得到解決,并最終形成統(tǒng)一的6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
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