業內專家長篇綜述：6G最新進展及未來發展趨勢

文章來源作者 學術頭條

近日，由東南大學尤肖虎教授領銜，王承祥教授組織起草，聯合國內外 24 家科研院校及企業的 50 位業內專家，針對 6G 最新進展及未來發展趨勢撰寫了一篇長達 70 多頁的綜述 “Towards 6G wireless communication networks: vision, enabling technologies, and new paradigm shifts”，文章發表在 Science China Information Sciences 2021 年第 1 期。

文章從 6G 效能指標、應用場景、垂直行業應用、使能技術、新的正規化轉換等方面對 6G 研發的最新進展以及未來的發展趨勢進行了全面的綜述。

面對未來網路需求的不斷增強，5G 網路在資料傳輸速率、接入密度等方面面臨新的技術瓶頸，而6G 的發展或將突破這些技術壁壘，提供更加快速更加深遠的通訊服務，並最終消除現實世界和網路世界的界限。

從 5G 到 6G

2019 年 11 月 1 日，隨著三大運營商 5G 套餐的上線，標誌著國內第五代（5G）無線通訊網路正式進入商用。2020 年以來，5G 網路開始在世界範圍內部署，大規模連線、高可靠性、保證低延遲等各項關鍵技術逐步走向標準化，一個萬物互聯、人機互動的新時代正在加速到來。

與第一代到第四代無線通訊網路相比，5G 網路擁有傳輸速率快、低時延、高容量等優勢。但隨著車聯網、物聯網、工業網際網路、遠端醫療等新業務型別和需求的發展，5G 網路顯然無法滿足 2030 年及未來的網路需求，研究人員已經現在開始關注第六代（6G）無線通訊網路。

多樣化的通訊場景必將對未來網路的異構程度提出更大需求，對無線通訊網路的頻寬和容量方面提出更高需求，6G 網路將藉助人工智慧和機器學習技術，在網路服務質量（QoS）、體驗質量（QoE）、安全性和能源效率等效能上，實現自動提升。

6G 無線通訊網路有望提供更高的頻譜、能量、成本效率、更高傳輸速率、更低傳輸時延、超大連線密度、更高的智慧化水平、亞釐米級的地理定位精度、接近 100% 的覆蓋率和亞毫秒級的時間同步。

網路通訊正在經歷著與 80 年代計算機產業相似的巨大變化，網路軟體化逐步成為網路發展的新趨勢，以實現網路硬體和軟體供應鏈的多樣化，並推動網路轉變為一個能夠支援新興物聯網和資料科學應用的高能力平臺。而 6G 的發展，為推動網路軟體化提供了一種新的計算正規化，同時不增加能耗成本。

相較於 5G 網路的關鍵效能 eMBB，mMTC 和 uRLLC 等指標，6G 網路實現了效能的進一步增強，並在應用場景實現擴充套件。

2019 年 3 月，美國貝爾實驗室提出了一些 6G 網路的關鍵效能指標。其中提到，網路資料傳輸的峰值預計將超過 100 Gbps，連線密度達到 107 個裝置 /km2，時延應小於 0.3 毫秒，能源效率將是 5G 的 10 倍，容量將達到 5G 系統的 10000 倍。

圖 | 5G 和 6G 網路的關鍵效能指標和應用場景的比較

通過應用 AI 技術，6G 網路將可以實現更優的網路管理和自動化水平，由於使用了極為異構的網路、多樣化的通訊場景、大量的天線和較寬的頻寬，6G 網路的連線密度將增加 10—100 倍。

圖 | 6G 通訊網路的應用場景

為了滿足 6G 網路即將出現的頻寬、時延、可靠性以及應用程式所設定的彈性需求，下一階段網路的規模設計將是重點研究內容。

2018 年 7 月 16 日，國際電信聯盟（ITU）成立 ITU-T 2030 網路焦點組技術研究組（FG NET-2030），致力於研究 2030 年及以後的網路能力，以支援未來如全息通訊等新穎的前瞻性場景，滿足在緊急情況下可以快速地響應新興市場和垂直領域的高精度通訊需求。

未來的 6G 網路發展，將支援更加廣泛的應用場景，實現安全可靠的穿戴裝置、整合耳機、可植入感測器等以人為本的服務，支援更遠距離的高速移動、極低功耗的通訊，為 VR、物聯網行業自動化、C-V2X、數字雙體區域網路、節能無線網路控制和聯合學習系統等方面的發展，提供更加可靠的網路支撐。

圖 | 協助管理疫情的數字孿生區域網示意圖

數字孿生區域網利用 6G 和 ICT 技術，可以模擬虛擬人體，實施全天候跟蹤人體體徵，提前預測疾病，還可以模擬虛擬人體的手術和用藥，利用虛擬人體預測效果，加速藥物研發，降低成本，從而提高人類的生活質量。

覆蓋全球：“太空-空中-地面-海洋” 一體化網路

為了實現 6G 網路更優的效能指標，擴充套件更加廣泛的應用場景，6G 網路將在當前 5G 無線通訊網路發展的基礎上，發生四個新的模式轉變：

• 覆蓋全球（global coverage），利用衛星通訊、無人機通訊、地面通訊和海上通訊，實現 “太空-空中-地面-海洋” 一體化網路。
• 全頻譜（all spectra），所有頻譜將得到充分探索，包括 6 GHz 以下、毫米波、太赫茲和光學頻帶。
• 完整應用程式（full applications），將與通訊、計算、控制 / 快取和 AI 技術相結合，以實現更高的智慧性。
• 內生網路安全性（endogenous network security），開發物理層和網路層的 6G 網路時，還將考慮內生網路安全性。

當前，一些研究已經初步嘗試對不同網路的整合，但尚未充分研究用於全球覆蓋的 “ 太空-空中-地面-海洋 ” 綜合整合方法。

人們普遍認識到，由於 5G 地面通訊網路受無線電頻譜、服務地理區域覆蓋範圍和運營成本的限制，無法覆蓋在所有地方不分時段地提供高質量和高可靠性的服務，尤其是對於偏遠地區即將到來的萬億級連線。

為了在全球範圍內提供真正無所不在的無線通訊服務，必須開發一種 “太空-空中-地面-海洋 ” 一體化網路，以實現全球連通性，並允許各種應用程式訪問，尤其是在偏遠地區。

圖 | “太空-空中-地面-海洋” 網路控制架構

為了有效地將具有不同規模的各種網段和多樣化的無線電接入技術有效地整合到 “太空-空中-地面-海洋” 網路，6G 仍存在著許多挑戰和機遇，需要進一步研究。

全面應用：具有更高的智慧化水平

人工智慧和 ML 技術的快速發展，6G 網路有望具有更高的智慧化水平。人工智慧和 ML 方法可以從海量資料中學習特徵，而不是從預先建立的固定規則中學習特徵，從而極大地提高了網路的效率和延遲。

下一代無線網路必將向複雜系統方向發展，面對不同的應用場景，對網路服務的需求也會不同，因此，也就對於網路效能優化的自適應性和智慧化水平提出了更高的要求。

人工智慧可以實現感知網路流量、資源利用、使用者需求和潛在威脅的變化等功能，並提供智慧協調，而機器學習方法也可用於優化無線網路的物理層，可以用來重新設計當前的網路系統。

目前，以深度學習和知識圖譜為代表的人工智慧技術正在迅速發展，通過將人工智慧技術引入網路，將對網路及其相關使用者、服務和環境的多維主客觀要素進行表徵、構建、學習、應用、更新和反饋。在獲取知識的基礎上，還可以實現網路的立體感知、決策推理和動態調整。

圖 | 智慧 - 內生性網路的自演化閉環結構

因此，網路可以根據我們想要的任何服務需求自動進行調整，研究人員將這樣的網路稱為 IEN，即自進化的閉環結構。

概括而言，這篇綜述文章指出了當前 5G 無線通訊網路的侷限性，並提出了 6G 無線通訊網路的願景、使能技術、四個新的正規化轉換以及未來的研究方向。同時，引入了 6G 的新效能指標和應用場景，給出 6G 無線通訊網路在垂直行業的應用場景，面對未來網路的複雜性，為實現完全整合的 6G 網路提出建議。

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