6G願景和使能技術，邁向可靠且有彈性的系統

01 5G到6G路線圖

5G架構不斷髮展，並將在未來十年繼續發展，直到6G開發完成。第一個5G版本(第15版)主要針對增強移動寬頻體驗(eMBB)的迫切需求，而第16和第17個版本的釋出將5G推向了完整的5G願景。第18版及以後的版本將側重於對6G的新用例、研究專案(SI)和工作專案(WI)的定義，預計到2030年將制定6G。圖1顯示了3GPP 5G到6G路線圖。

圖1 3GPP 5G到6G路線圖

第16版是支援工業物聯網的基礎。它具有超可靠的低端通訊(URLLC)功能，能夠實現前所未有的可靠性，資料包錯誤率低至10-6(“六個9”)。它與IEEE時間敏感網路(TSN)整合。支援專用網路，也被稱為非公共網路(NPN)，具有針對使用者裝置(UE)的NPN特定身份驗證機制(不帶通用使用者身份模組(USIM))和針對UE的身份驗證和金鑰協議(AKA)機制(帶USIM卡)。它在5GHz和6GHz頻段的非授權(NR-U)頻譜中支援5G NR，與其他系統共存，如IEEE 802.11變體或LTE許可輔助接入(LAA)。車載通訊(V2X)具有用於裝置之間直接通訊的sidelink。

除此之外，第16版支援完整的5G彈性系統，具有基於服務的介面(SBI)、傳輸層安全(TLS)和基於令牌的授權(Auth2.0)的安全功能;應用認證和金鑰管理(AKMA)，例如5G物聯網;以及網路切片的身份驗證和授權(NSSAA)。它還支援無線有線融合(WWC)和未來的鐵路行動通訊系統(FRMCS–第2階段)。支援擴充套件到網路自動化階段2;整合無線接入和回傳(IAB)，它增加了對使用更大頻寬的NR無線電介面的基站無線回程支援，用於網路加密，而無需在每個基站中安裝光纖;裝置節能;移動性增強，以及具有多個傳輸和接收點(TRP)的大規模MIMO增強。

第17版的目標是擴充套件更廣泛的生態系統，尤其是關鍵物聯網(CIoT)。它將支援本地時間敏感通訊(TSC);高精度定位(釐米級);加強公共安全和行人的sidelink;多媒體廣播多播服務(MBMS);非地面網路(NTN)，如地球靜止軌道(GEO)和低地球軌道(LEO)衛星;和FRMCS增強(FRMCS–第3階段)。將為無線接入網(RAN)切片提供進一步支援;網路自動化增強;52–71GHz頻率範圍內的新空口;裝置節能增強;進一步增強的MIMO;多個USIM;無人機系統(UAS)和多接入邊緣計算(MEC)，尤其適用於延遲敏感應用。如圖2所示。

圖2 3GPP R15、16和17支援頻譜和關鍵功能

NTN系統是一個網路，其中星載(即GEO、MEO、LEO)或機載(即UAS和HAPS)車輛充當中繼節點或基站，從而區分透傳(放大和轉發，或解碼和轉發)和非透傳(具有自己的無線電資源管理演算法)衛星體系結構。地球同步軌道衛星的高度約為35786公里，與地球自轉同步。GEO波束覆蓋範圍從200到3500千米不等。MEO衛星在7000到25000公里的高度上執行，波束覆蓋範圍從100到1000公里。LEO移動高度為300至1500公里，波束覆蓋範圍為100至1000公里。LEO和MEO也被稱為非GEO(NGSO)衛星，它們繞地球的運動時間從1.5小時到10小時不等。機載類別包括UAS平臺，通常放置在8至50公里的高度，和20公里高度的高空平臺系統(HAPS)。與GEO衛星一樣，無人機的位置保持固定在天空中。UAS波束覆蓋範圍從5公里到200公里不等。NTN終端指3GPP UE或特定衛星終端。甚小孔徑終端在Ka頻段(即上行30GHz，下行20GHz)的射頻下工作，而手持終端在S頻段(即2GHz)工作。

窄帶物聯網(NB-IoT)和LTE機器型通訊(MTC)，即寬頻IoT將進一步並行增強，並將與當前和未來的3GPP版本共存。目前，大多數蜂窩物聯網連線仍然依賴4G連線。到2025年，這項技術可能會有很大的市場滲透率，基於NB物聯網和LTE-MTC裝置的大規模機器式通訊預計將佔所有蜂窩物聯網連線的40%以上。寬頻物聯網將貢獻其中近34個百分點。即使在2025年，要求極低延遲和超高可靠性的關鍵物聯網也只佔整個蜂窩物聯網連線的一小部分。

第18版(3GPP稱為5G Advanced)將增強其能力，並擴充套件其可應用的用例。如圖1所示，無線行業預計將從5G過渡到6G。

02 6G發展現狀

雖然下一代行動通訊系統的部署仍需十年或更長時間，但已經有許多正在進行的6G專案和相關投資，以滿足6G在2030年左右上線時的要求。

其中包括5G網路中承諾但尚未實現的使用場景，以及6G系統中出現的更高階使用案例。這種新興的場景包括太赫茲通訊、無處不在的覆蓋(陸地、空中、空間、海洋)、全息瞬移、觸覺通訊、醫療/健康、政府/國家安全、成像和感測、公共安全服務、資訊物理系統/製造和交通。相關用例和後續技術要求的示例如表1所示。

表1 6G相關用例和技術要求

表2羅列了無線蜂窩行業領先國家的具體努力，以及相關的5G(B5G)和6G計劃及相關投資。

在歐洲，在歐盟地平線2020研發框架計劃中，最近宣佈了三個專注於6G開發的聯合專案，即Hexa-X、RISE-6G和NEW-6G。歐盟委員會(EC)在智慧網路和服務框架計劃內提出了9億歐元的預算，用於投資6G研究，特別關注標準化領導和推動5G部署。

2021年，澳大利亞聯邦政府承諾12億澳元刺激數字經濟增長。這項投資推動了現代製造業倡議(MMI)，價值13億澳元。

在北美，Next-G活動主要以學術界為中心，美國政府機構和標準開發組織(SDO)也做出了額外的努力。2020年，電信行業解決方案聯盟(ATIS)啟動了“Next G Alliance”(NGA)，這是一項旨在奠定6G在北美基礎的倡議，併發出行動呼籲，敦促美國提升6G領導地位。該集團目前有48名創始人和貢獻成員，包括一些科技巨頭，如谷歌、蘋果、微軟、臉書、三星、愛立信、諾基亞、高通，以及美國和加拿大的大多數主要運營商。第一個倡議成果《Roadmap to 6G》報告內容參考5G行業應用公眾號文章《北美通往6G的願景和時間表》。

2018年，芬蘭奧盧大學開始領導一項6G國家研究專案。6G旗艦計劃由五個合作伙伴組成，包括阿爾託大學、諾基亞和VTT。

2019年，日本宣佈了20億美元的刺激方案，以支援時間線為2020年-2030年的6G技術研究。2020年，日本政府宣佈計劃與私營部門代表和大學研究人員一起制定6G戰略。超5G推廣聯盟包括東京大學，以及主要的日本電信玩家，如Rakuten Mobile、Nippon Telegraph & Telephone、NTT Docomo、KDDI和軟銀公司，其目標是在2030年代商業化6G服務。同年，日本通訊部在其“超5G”戰略下公佈了雄心勃勃的目標，尋求在基站和其他基礎設施方面佔據30%的全球市場份額。

2020年，韓國科學與資訊通訊技術部(MSIT)宣佈，在五年內，為6G研發投資提供1.7億美元的公共支援。目標是達到1Tbps的資料速率;實現0.1毫秒的無線延遲(低於5毫秒的有線延遲);將連線從地面擴充套件到10公里的空間;將人工智慧應用於整個網路;並通過設計提供端到端的安全性。重點關注的用例是智慧工廠、智慧城市和自動駕駛汽車。非地面網路，如6G衛星，也將是研究的關鍵基礎使能技術之一。

中國政府在五年內為5G研發投入了300多億美元，6G預計將獲得類似的投資。2019年，成立了兩個工作組。第一個團隊是負責推動6G研發的政府機構。第二個小組被稱為“China 6G Wireless Technology Task Force”，由供應商、運營商、研究機構和大學組成，負責規劃6G的開發並證明其科學可行性。除此之外，中國在2020年發射了一顆包含6G實驗技術的衛星。與其他13顆衛星一起發射的天眼五號衛星將測試太赫茲(THz)通訊，BBC稱這是對太空6G技術的“世界第一”測試。

表2 全球正在進行的B5G和6G計劃

03 6G網路架構願景

作者的設想是，到2030年，所有智慧將通過數字孿生、使用B5G/6G無線技術、機器推理在邊緣滿足機器學習，按照縱深防禦戰略(由零信任模型增強)連線起來。

簡而言之，6G無線旨在連線“物理世界”和“資訊世界”;它實現一個新的正規化轉變：從互聯的人和物(資訊世界)到互聯的智慧(智慧世界)。6G無線是一種在任何時間、任何地點向所有人提供人工智慧的技術。

作者首次提出了人工智慧原生作業系統的藍圖。6G無線體系結構將由五個關鍵要素構成，如圖3所示：virtual-X、觸覺、推理、感知和學習。人工智慧將成為主導服務和應用。主要光譜將是毫米波和太赫茲波。這將允許我們應用無線感測功能，6G wireless將作為感測器網路執行。網路和裝置可以執行實時(RT)感測，這將是連線物理世界和資訊世界的結構。主要服務將是虛擬現實(VR)的一切。

virtual-X頻道將允許訪問資訊世界中的數字內容;增強的觸覺通道將攜帶觸覺反饋，作為物理世界的增強神經系統;推理通道將在人工智慧引擎和終端使用者之間交換服務。從物理世界到數字世界，主要應用是為機器學習(ML)感知和收集大資料。

圖3 6G網路架構願景

04 6G基礎使能技術

(1)網路邊緣的人工智慧

從人工智慧增強型網路(即現在的5G系統及其未來版本)轉變為人工智慧原生通訊平臺，如圖4所示。

圖4 從人工智慧增強網路到人工智慧原生通訊系統

模仿我們大腦的工作方式，人工智慧原生6G無線系統可以支援語義通訊能力。通過廣泛採用深層神經網路(DNN)，可以實現以目標為導向的語義交流，它允許從無限量的經過淨化的資訊(資料)中推匯出可利用和可解釋的含義。

(2)感測和通訊相結合

從以資訊為中心到整合感測和通訊。感測是連線智慧的基本實現技術，這可能是6G最重要的應用。將感測功能與已安裝網路上的基站整合是構建6G感測網路的可行方法。6G感測能力可以部署在任何關鍵基礎設施上，如交通、水、氣、港口、電力、資料中心。

從終端的角度來看，可以通過使用各種感測器(如觸控式螢幕、攝像頭、紅外或陀螺儀)感知周圍環境的情況和背景。然後，可以通過無線連線傳輸到網路的其他部分。簡而言之，感測是一種基本的智慧手段，也是未來6G網路和裝置的重要組成部分。

圖5 從以資訊為中心到整合感測和通訊

(3)空間、空中和極端地面連線

下一代通訊系統預計將在以前完全沒有服務的偏遠地區(例如，偏遠地區、外層空間和整個海洋)提供無處不在的服務。此類通訊服務將建立一個無縫的統一連線框架，包括地面(陸基和海上)、機載(衛星、氣球、無人機等)和天基(LEO/MEO/GEO衛星星座)網路。

NTN的獨特之處在於，它能夠通過提供昂貴或難以通過地面網路到達的地區(例如農村地區、船隻、飛機)的連線，提供廣域覆蓋。如圖6所示，例如，從倫敦到上海的正射距離約為10000 km，如果這兩個實體通過LEO衛星連線，則正射距離將減少到1500 km左右。

圖6 從蜂窩網路到綜合地面和非地面基礎設施

(4)隱私保護、安全控制和保證

為了從安全增強型網路轉變為設計安全型系統，6G需要將安全性整合到基礎設施核心，並在整個網路端到端灌輸一種縱深防禦策略，該策略由零信任模型增強，具有在極端條件下應對不同情況和意外事件的能力。此外，6G的標準化過程必須提供新的安全控制、安全保證和隱私保護機制，如圖7所示。

圖7 從安全增強型網路到設計安全型系統