林德平1㊀彭涛1㊀刘春平2
(1.北京邮电大学，北京100876;
2.中国科协创新战略研究院，北京100038)
摘要：全球范围内5G在商业化的同时，学术界和工业界已经按计划开展了6G研究㊂聚焦移动通信系统在覆盖范围㊁容量㊁用户数据速率㊁移动速度等方面的挑战，对6G进行了较全面的讨论，提出6G愿景，并描述了6G网络的使用场景和要求㊂提出了集成空天地海的3D智能网络体系结构，以提供无处不在的无线智能连接㊂通过广泛调研分析，梳理了包括空天地海一体化㊁人工智能㊁太赫兹等12项6G 网络潜在关键技术及其与使用场景㊁性能要求间的关系㊂ 关键词:6G；网络架构；空天地海一体化；人工智能；太赫兹
中图分类号:TN929.5㊀㊀㊀㊀文献标识码:A
引用格式：林德平，彭涛，刘春平.6G愿景需求㊁网络架构和关键技术展望[J].信息通信技术与政策, 2021,47(1):82-89.
doi:10.12267/j.issn.2096-5931.2021.01.016
0㊀引言
随着5G系统的全面部署，针对6G移动通信系统的研究也已经开始㊂由于每十年左右就出现新一代移动通信系统，公众期望6G系统在2030年之前得到商业化部署㊂新技术从诞生到商用通常需要十多年的时间，因此当下亟需开展6G新技术研究㊂
5G的推动力来自消费者不断增长的流量需求，以及垂直行业的生产力需求㊂据ITU预测,2030年的需求流量数是当前的100倍，而即将到来的应用(如全息通信㊁电子医疗保健㊁自动驾驶和高精度工业控制)对吞吐量㊁延迟和定位精度等要求更加严格，预计十年左右将达到5G网络的极限㊂另外，最初只定义为地面移动通信系统的5G无法实现全球覆盖，而且5G垂直行业应用具有长期性和艰巨性㊂这些都限制了5G最初的万物互联目标㊂因此，亟需一个颠覆性6G无线系统，其设计适合万物互联应用的性能要求及其伴随的技术趋势㊂ 为更好地理解和研究6G，本文讨论6G的一系列关键问题，包括愿景和要求㊁应用场景㊁网络架构㊁技术趋势等㊂文章的其余部分安排如下，第一节给出6G 愿景㊁要求和应用场景；第二节描述6G的网络架构；第三节调研6G潜在关键技术；第四节得出结论㊂
1㊀愿景需求及应用场景
1.1㊀愿景及需求
全球业界对于6G的愿景开始趋于一致㊂首先，需要打通虚实世界㊂例如，诺基亚贝尔实验室认为 6G 将统一物理㊁数字㊁生物世界的体验 ，中兴通讯认为 6G将整合物理和数字世界 ㊂其次，对于泛在智能, 泛在 表明6G服务将无缝覆盖全球用户, 智能 体
现AI互联网[1]㊂最后，满足人类解放自我的需求㊂基于6G愿景和5G的发展,6G将得到进一步升
∗基金项目：中国科协创新战略研究院资助项目；北京市自然科学基金重点项目(No.19L2002)；国家自然科学基金重点项目(No.61631004)资助
级和扩展，以实现更高的数据速率(5G的10~100倍)和频谱效率㊁更大的系统容量㊁更低的时延㊁更广且更深的网络覆盖，进而支持于更快的移动速度㊁服务于更全的万物互联，并全面支撑泛在智能移动产业的发展㊂1.2㊀应用场景及性能
有了上述6G愿景及需求,6G应用场景将比5G 更为广泛，对传统的eMBB㊁mMTC㊁uRLLC场景进行融合，将涵盖如下场景：极高吞吐和极低延迟需求的全息通信及扩展现实(Extended Reality,XR)体验；超高实时性及可靠性需求的人体数字孪生；超高移动性及全覆盖需求的空中高速上网；智能超连通性㊁内生智慧及安全需求的新型智慧城市；基于AI自主运行需求的联网无人驾驶；超高带宽㊁超低时延
和超可靠等需求的高精度智能工业；全覆盖需求的全域应急通信抢险㊂为达到6G的愿景需求和应用场景需求，相较于5G性能指标，预计6G的数据速率㊁连接密度㊁能效将提高10倍；移动性和频谱效率将提高约3倍；时延有望降低到1ms以下㊂此外,6G可以将覆盖率从目前的70%提高到99%，可靠性从目前的99.9%提高到99.999%，定位误差从当前的 米级 降低到 厘米级 等㊂
2㊀网络架构
基于6G愿景㊁需求㊁应用场景及性能，预计6G网络将在全球范围内实现社会无缝的无线连接，融合通信㊁计算㊁导航㊁感测，并具有智能自主运营维护的空天地海一体化3D及AI网络，可提供超高容量㊁近乎即时㊁可靠且无限的智能超连通性[14]㊂
2.1㊀空天地海一体化网络
当前地面网络无法扩大通信范围的广度和深度，同时在全球范围内提供连接的成本非常高昂，为了支持系统全覆盖和用户高速移动,6G将优化空天地海网络基础设施，集成地面和非地面网络以提供完整的无限覆盖范围的空天地海一体化网络㊂
图1㊀6G网络的核心能力
图2㊀6G 空天地海一体化网络
图3㊀6G 智能网络结构
㊀㊀基于卫星通信的空间网络通过密集部署轨道卫星为无服务和未被地面网络覆盖的地区提供无线覆盖㊂
空中网络低空平台可以更快地部署，更灵活地重新配置以最适合通信环境，并在短距离通信中表现出更好的性能㊂空中网络高空平台可以作为长距离通信中的中继节点，以促进地面和非地面网络的融合㊂地面网络将支持太赫兹频段，其极小网络覆盖范围将达到系统容量提高的极限, 去蜂窝 和以用户为中心的超密
集网络的网络架构[13]将应运而生㊂水下网络将为军事或商业应用的广海和深海活动提供覆盖和互联网服务，但关于水下网络是否能够成为未来6G 网络的一部分，存在争议㊂2.2㊀趋向智能化网络
为了实现6G 智慧内生网络的愿景[5],6G 架构的
设计应全面考虑人工智能(AI )在网络中的可能性，使其成为6G 的内在特征㊂
近年来,AI 及机器学习(ML )受到了业界广泛关注，初始智能已应用于5G 蜂窝网络的许多方面，包括物理层应用(如信道编码和估计)㊁MAC 层应用(如多
路接入)㊁网络层应用(如资源分配和纠错)㊂但是,AI 在5G 网络中的应用仅限于传统网络架构的优化，并且由于5G 网络在架构设计之初未曾考虑AI ，因此很难完全实现5G 时代AI 的潜力㊂
最初的智能是感知性AI 的一种实现，无法响应意外情况㊂随着服务需求的多样化和连接设备数量的爆炸性增长，网络发展成为一个极其复杂的异构系统，因此迫切需要一种具有自我感知㊁自我适应㊁自我推理的新型AI 网络㊂它不仅需要在整个网络中嵌入智能，还
需要将AI 的逻辑嵌入到网络结构中，这样感知和推理以系统的方式进行交互，最终使所有网络组件能够自主连接和控制，并能够识别并适应意外情况㊂智能网
络的最终期望是网络的自主发展㊂集中式AI ㊁分布式AI ㊁边缘AI ㊁智能无线电(Intelligent Radio ,IR )的联合
部署，以及智能无线传感㊁通信㊁计算㊁缓存和控制的融合，为6G 的智能网络提供有力保障㊂
3㊀6G 潜在关键技术
地面网
通过对来自中兴通讯㊁中国移动㊁中国电科㊁中国
信息通信研究院㊁东南大学㊁上海交大㊁成都电子科技大学㊁北京邮电大学㊁赛迪智库无线电所㊁芬兰奥卢大学㊁贝尔实验室㊁美国麻省理工学院及纽约大学等国内外机构的28篇重点文章[1-28]所涉及的潜在关键技术进行调查㊁统计㊁筛选和总结，得出关注度最高㊁词频最多的12个潜在关键技术，同时对各关键技术相应的关键优点和挑战进行分析㊁凝练和总结㊂详情见表1㊂
表1㊀潜在关键技术的调查
关键技术
数量
参考文献
优点
挑战
新颖网络功能技术
空天地海一体化27[1-18],[20-28]
形成了具有最大化容量㊁密集泛在连接和高致密频谱的全覆盖空间低延迟和高可靠性要求的场景挑战
人工智能
26
[1],[3-7],[9-28]
实现了自治及无接触的新颖网络，使网络适应于泛在应用场景实时性㊁共享性㊁能量有效性等方面的挑战
新型频谱资源技术
太赫兹通信26[1],[3-7],[9-28]
可以满足6G 极高数据传输速率的频谱需求，具有更丰富的频谱资源太赫兹频谱传播特性和射频器件成熟度的限制
可见光通信16
[1],[3],[5-6],[9-10],[21],[13-17],[22],[26-28]
具有超宽频带并且广泛可用
需要在超高速率可见光传输收发芯片与模块等领域实现突破
动态智能频谱共享技术
14
[1],[5],[6],[9-11],[13-16],[18],[26-28]动态频谱使用是有效提升现有频谱利用效率的重要手段需要有统筹合理智
能的算法支撑
高效无线接入技术
传统技术增强[∗]18[1],[3],[5],[6],[9-12],[26],[14-18],[20-23],[28]
满足更多带宽㊁更大容量㊁超高数据速率㊁设备以高密集的方式部署高频率和高功率使得收发器和天线设计㊁功效设计等技术面临挑战
OAM
9
[3],[5],[6],[9],[13-16],[26]
多路复用并行以实现高频谱效率其无线电波束合并和分离的瓶颈
创新基础性技术
区块链13[3],[5],[6],[10-11],[13-17],[20],[27-28]
提供更强的安全性能源于系统安全㊁数据隐私㊁监管㊁扩展性等挑战新型化材料8[3],[10],[12],[15-17],[27-28]
促进电池㊁器件和天线的革新解决关键器件的性能能源管理
12
[3],[10],[14-17],[20-22],[25],[27-28]
实现高效弹性的网络运营需要在系统中整合能源特性
新型通信技术
量子通信和计算9[3],[5],[6],[14-17],[27-28]提高计算效率并为6G 提供强大的安全性
现实条件下的安全性问题和远距离传输问题
分子通信
9
同上
实现纳米级的通信和互联
电气和化学领域间接口及安全保证
[∗]：指的是传统物理层技术增强，包括超高速新型的信道编码调制技术㊁基于AI 的编码调制技术㊁超大规模多天线技术㊁大规模智能反射表面㊁增强的双工技术㊁全息波束赋型等㊂
㊀㊀从表1中第二列相应技术对应的文章数量可以看出，空天地海一体化㊁人工智能和太赫兹通信三大技术将会大概率作为6G关键技术㊂在28篇调研文章中，涉及这三大技术的文章分别有27篇㊁26篇和26篇，推断这三大技术将主要推动6G发展方向㊂而可见光通信㊁动态智能频谱共享技术㊁传统物理层技术增强㊁区块链和能源管理技术的关注度也很高，在6G中将起到非常关键中间力量的作用㊂轨道角动量㊁新型化材料㊁量子通信和计算㊁分子通信关注度相对稍低，但在后期技术挑战突破和更大需求出现后，潜力巨大㊂基于上述潜在关键技术,6G网络能力将得到极大的提升，从而为用户提供更加丰富的应用和业务㊂通过对未来的应用场景㊁网络性能指标和潜在关键技术之间的关联关系进行分析和总结，可以得到相互之间的映射关系(见图4)㊂可见，为了达到太比特级的峰值速率需求，需要有太赫兹通信㊁可见光通信㊁动态智能频谱共享技术㊁超大规模天线等关键技术的支持等㊂而太赫兹通信㊁超大规模天线㊁量子通信与计算㊁人工智能支撑着超低的时延需求等㊂天地海一体化和人工智能两技术在第二节6G新颖的网络架构中已详细凝练，下节将对其他10项关键技术进行总结㊂
3.1㊀新型频谱资源技术
香农信息理论仍将是6G的重要设计基础，它揭示了增加系统容量的两种主要方法：增加系统带宽和提高频谱效率㊂太赫兹通信㊁可见光通信㊁频谱共享是增加6G频谱资源的重要技术㊂
(1)太赫兹通信
太赫兹频段(0.1THz~10THz)高且目前不受监管，被认为是可实现超高速率通信的超宽频谱带，可减轻当前频谱稀缺性和容量限制㊂太赫兹的窄波束和短脉冲极大限制窃听可能，可实现安全通信和高精度定位㊂太赫兹波的强穿透性，使其在超高速无线通信和空间通信中具有广阔的应用前景㊂但太赫兹通信在高频硬件组件㊁信道建模及估计㊁定向组网等方面仍有技术难题需解决㊂
(2)可见光通信(Visible Light Communication, VLC)
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豫公网安备41160202000603
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