6G愿景與需求：數字孿生、智能泛在

劉光毅　金婧　王啟星　董靜　樓夢婷　黃宇紅　陳志偉　馮瑤

【摘? 要】面向2030年，提出“數字孿生”和“智能泛在”的社會發展愿景，探討了全新的6G應用場景，并結合未來的新業務新服務，提煉出6G移動通信系統的技術需求指標，并提出了按需服務、極簡、柔性、智慧內生和安全內生等6G網絡的基本特征構想。

【關鍵詞】5G;6G;愿景與場景;需求指標;極簡;智慧內生;安全內生

0? ?引言

移動通信創新的步伐從未停歇，從第一代模擬通信系統（1G）到萬物互聯的第五代移動通信系統（5G），移動通信不僅深刻變革了人們的生活方式，更成為社會數字化和信息化水平加速提升的新引擎。5G已經步入商用部署的快車道，通信技術將進一步與云計算、大數據和人工智能等新技術深度融合，帶來整個社會的數字化和智能化轉型，培育出新的需求并推動移動通信技術向下一代移動通信系統（6G）方向演進和發展。

6G正在成為未來大國科技戰略競爭的下一個焦點，各國積極部署6G研發。芬蘭政府在世界范圍內率先啟動6G大型研究計劃，美國聯邦通訊委員會已為6G研究開放太赫茲頻譜，而我國則在2018年3月宣布已經開始著手研究6G。

5G向6G的發展必將經歷5G演進（即B5G）和6G兩個階段。目前，B5G和6G的定義和技術需求還處于探索階段，業界并未得到統一的定義。預計未來幾年，世界各國將在6G技術路線和發展愿景上逐漸達成共識。作為面向2030的移動通信系統，6G將進一步融合未來垂直行業衍生出全新業務，并通過全新架構、全新能力，打造6G全新生態，推動社會走向虛擬與現實結合的“數字孿生”世界，真正實現通過“數字孿生”與“智能泛在”實現重塑世界的美好愿景。

1? ?6G愿景：數字孿生、智能泛在

“馬斯洛需求層次理論”將人的需求分成五個層次，受其啟發，中國移動將其演化到通信需求層面[1]，提出一種層次化的通信需求模型，分為五個等級：必要通信、普遍通信、信息消費、感官外延、解放自我，如圖1所示。該模型中，通信需求和通信系統構成了螺旋上升的循環關系：需求的出現刺激了通信技術和通信系統的發展，而通信系統的完善將通信需求推向更高的層次，最終實現人類的解放，實現人類智能化的終極追求。

依據新通信馬斯洛需求模型，低級需求被滿足后，高級需求將自然出現。“4G改變生活，5G改變社會”印證了人們從未停止對更高性能的移動通信能力和更美好生活的追求。4G時代是數據業務爆發性增長的時代，隨著智能手機的普及和消費互聯網的發展，從衣食住行到醫療、教育、娛樂，人類的日常生活的便捷性得到極大的提升。5G將開啟一個萬物互聯的新時代，它將實現人與人、人與物、物與物的全面互聯，滲透各行各業，讓整個社會煥發前所未有的活力。未來，隨著5G應用的快速滲透、科學技術的新突破、新技術與通信技術的深度融合，必將衍生出更高層次的新需求，如果說5G時代可以實現信息的泛在可得，6G應在5G基礎上全面支持整個世界的數字化，并結合人工智能等技術的發展，實現智慧的泛在可得、全面賦能萬事萬物。

在2030年及以后的時代，隨著信息和感官的泛在化，整個世界將基于物理世界生成一個數字化的孿生虛擬世界，物理世界的人和人、人和物、物和物之間可通過數字化世界來傳遞信息與智能（如圖2所示）。孿生虛擬世界則是物理世界的數字化模擬，它精確地反映和預測物理世界的每個智能體乃至整個世界的真實狀態，并對未來發展趨勢進行提前預測，提出和驗證對物理世界的運行進行提前干預的必要手段和措施，避免物理世界的個體或群體災害風險和事故的發生，幫助人類更進一步地解放自我，提升生命和生活的質量，提升整個社會生產和治理的效率，實現“重塑世界”的美好愿景。

所以，數字孿生不僅在工業領域發揮作用，也將在通信、智慧城市運營、家居生活、人體機能和器官的活動監控與管理等方面大有可為。

同時，隨著人工智能和大數據技術的突破，數字孿生世界將為AI的應用提供更廣闊的場景，未來6G網絡的作用之一就是基于無處不在的大數據，將AI的能力賦予各個領域的應用，創造一個“智能泛在”的世界。所以，6G將通過泛在智能實現萬物智聯。機器之間可以開展智能協同工作，體域網設備之間可以進行智能監測和協作，人與虛擬助理之間可以進行深度思想交互，甚至人與人之間也可以進行智力交換，全面提升人類學習的技能與效率。

2? ?6G應用新場景與新業務

面向2030年及以后，在數字孿生世界和智慧泛在的背景下，移動通信的應用場景將會呈現出全新的特點，無處不在的無線連接、大數據和人工智能技術的應用將催生智享生活、智賦生產、智煥社會三個方面的全新應用場景，包含孿生體域網、超能交通、通感互聯網、智能交互等。同時移動通信的業務和應用將朝著如下方向發展：一是業務需求的多樣化，業務速率和時延等指標的動態范圍更大;二是覆蓋的立體化，包含空天地海等一體化的網絡覆蓋;三是交互形式與內容的多樣化，包括數據、媒體、生物和智能等;四是業務開放化和定制化，用戶可以按需定制網絡能力;五是通信、計算、人工智能（Artificial Intelligence， AI）和安全融合化，提供可信、安全的服務。

2.1? 孿生體域網

體域網是以人體為中心，由和人體相關的各種設備組成的通信網絡。5G的體域網主要由各種植于體內和體表的傳感器和外部設備組成，常用于人體的健康監測、運動監測等，如器官監測、可穿戴設備、智能外衣等。隨著傳感器等關鍵技術的突破性發展，孿生體域網將成為未來主要發展方向，通過體域網絡，實現人體數據的全量采集，實時構建一個虛擬的“數字人”，并對人體各個器官乃至整個人體的運行狀態進行實時的模擬和預測，即完美地復制出一個與物理人相對應的數字化身體。利用該“數字人”，我們可以模擬病毒攻擊人體的機理，并制定相應的預防方案;可以研究不同器官，比如大腦，探究人類大腦的工作原理;手術時，不僅可以輔助醫生判定人體的目前情況，甚至還可以預測患者在特定手術步驟后身體的可能變化，從而輔助醫生診斷決策。通過追蹤數字化身體各部分的運動與變化，可以更好地進行健康監測和管理，對人體病變等進行預測和提前干預，最大限度地提升人的生命質量。

2.2? 超能交通

隨著科技創新的不斷突破，未來人類出行的方式將會變得更加便捷和多樣，可以實現立體、多樣的超能交通（如圖3）。會飛的汽車、背包式個人飛行器、無人駕駛汽車和飛機、水中大巴、膠囊火車等新型的交通工具都將走進人類的生活，按需提供人類所需的交通和運輸。所以，未來的交通可能是“海-陸-空-太空”4D的，多模態自由出行將成為人們生活常態，人們能夠按需定制立體交通服務，真正實現即時的點對點、門到門的智慧出行。

超能交通的核心是一個強大的城市交通大腦，它包含了AI決策層、思維平臺、通信聯動層和數據感知層。AI決策層是交通大腦指揮官，負責決策交通事件;思維平臺負責分析當前交通狀況并預測;通信聯動層涵蓋蜂窩網、車聯網等，實現信息的可靠傳輸;數據感知層包含了攝像儀等單元，負責基礎交通數據采集。

超能交通中的全自動無人駕駛將開啟互聯美好生活，生活娛樂和辦公的界限將完全消失。超能交通還將為人類塑造一個可信的交通環境，保障人們安全出行。

2.3? 通感互聯網

現有的通信網絡傳遞的內容主要是語音、文字、圖片、視頻。隨著人類社會的數字化和智慧化發展，傳遞更豐富形式的內容成為一種可能，所以6G網絡將把傳遞的內容從傳統的語音、文字、圖片、視頻拓展到更廣泛的人體知覺，包括觸覺、味覺、嗅覺甚至情感，形成一個通感互聯網。

通感互聯網是一種聯動多維感官實現感覺互通的體驗傳輸網絡。在通感互聯網中，人們可以通過互聯基礎設施，充分調動視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺并實現這些重要感覺的遠程傳輸。基于通感互聯網，人們不再局限于與真實或虛擬的人類和物體進行交互，而是可以和整個真實或虛擬的環境進行交互，給使用者帶來身臨其境的、全維度的沉浸式體驗。例如遠程教育將不再局限于視覺與聽覺，更可以為用戶提供豐富的觸覺延展，音樂彈奏、美術、運動等技能學習都將可以通過通感互聯網獲得真實環境的學習體驗。日常生活中，通感互聯網促使沉浸式購物、娛樂游戲等體驗進一步升級，購買食物、花束前都可以得到遠程的、不消耗實物的試用體驗。未來，通感互聯網將以其低時延、高可靠、高安全等特性，廣泛應用于自動駕駛、工業自動化、智能電網、娛樂生活和教育等行業，打造通感美好生活。

2.4? 智能交互

未來社會通信的主體不再僅僅是人，而是智能體，包括人、虛擬的數字人、類人、機器人等。未來智能體之間的通信不僅僅包含數據和信息的傳遞，還會出現智能的交互。智能交互是智能體之間產生的智慧交互。現有的智能體交互大多是被動的，依賴于需求的輸入，比如人與智慧家居的語音和視覺交互。

隨著AI在各領域的全面滲透與深度融合，面向2030+的智能體將被賦予更為智慧的情境感知、自主認知能力，實現情感判斷及反饋智能，可產生主動的智慧交互行為，在學習能力共享、生活技能復制、兒童心智成長、老齡群體陪護等方面大有作為。

3? ?6G網絡技術需求

需求是技術發展的最直接、最有效的驅動力。二者如同兩輛疾馳的賽車，相互較量、你追我趕。通常需求領先于技術，當需求與技術的差距達到一定程度的時候，就會帶來技術的爆發，促使技術加速并實現對需求的反超。為支撐2030年以后的全新業務，提供全新服務，構建起智能泛在網絡，一方面，6G需要深入挖掘用戶更深層次的智能通信與社交需求;另一方面要與工業、醫療、交通等垂直行業深度融合，滿足垂直行業的智慧建設需求，從而助力6G為社會發展帶來全新突破，重塑一個全新的世界。

6G網絡的技術指標需求來源于2030年以后的新應用場景的需求和新業務的需求。例如：全息通信中，極致的數據速率可帶來沉浸式全息連接體驗，這要求6G數據速率需達到Tbps量級。觸覺通信最主要的挑戰源于比5G更低的端到端時延（低于1 ms時延量級），對于高精度和提供保障的服務（如遠程手術、云電力線通信、超能交通等），要求數據包傳送從“及時”到“準時”，以及較之5G更高的可靠性。超能交通場景下，飛機、磁懸浮列車等承載的終端的移動速度將超過1 000 km/h，這對6G在超高移速下支持實時通信業務和高精度定位業務提出挑戰。混合現實生活的典型需求為高吞吐量、超低時延、隨時隨地一致性體驗、可靠性連接、超長電池壽命等。機器人與認知自動化，對6G移動網絡在立體覆蓋、安全、定位、抖動等方面的需求指標進一步提升。

與此同時，為了支持更靈活的業務適應能力，6G需要具備比5G更全面的性能指標。除傳統定義的用戶體驗速率和峰值速率、頻譜效率、時延、可靠性、移動速度等指標之外，6G網絡還需要定義一些新的能力指標，如超低時延抖動、超高安全、立體覆蓋、超高定位精度等。

如表1所示，6G將在現有5G能力指標基礎上，顯著提升關鍵性能指標需求。

5G網絡的峰值速率、體驗速率、用戶面時延等指標已經需要系統支持大帶寬和超密集組網，而對于全息通信需要的Tbps量級的數據傳輸速率、超能交通場景需要支持的超過1000 km/h移動速度等需求指標，依靠5G現有的網絡和技術是難以實現的，必將帶來新技術的突破。6G亟待潛在使能技術的研究助力智慧網絡的到來。

4? ?6G網絡技術特征構想

5G網絡設計開啟了ICDT融合的大門，在核心網的虛擬化和軟件化方面邁出了重要一步，其實踐經驗必將在6G網絡的設計中得到繼承和發揚。同時，5G在實際產業發展、網絡部署、業務拓展中面臨的問題和挑戰（如5G發展初期所面臨的“3倍成本、3倍高功耗、3倍基站數”等）也將成為6G網絡創新的源泉和動力。

結合技術發展趨勢，6G網絡需要具備如下特征：一是即插即用、靈活按需部署和擴展的極簡網絡;二是提供按需服務的按需服務網絡，可以實現網絡能力的極大提升;三是自治自演進的柔性網絡。為了達到上述特征，網絡還需要具備智慧內生、安全內生的特征。智慧內生保障了網絡的極簡、柔性、感知能力，安全內生則讓網絡有更強大的免疫能力。基于這些特征，6G網絡將能滿足全社會的需求，并實現6G智能世界的構想。

4.1? 極簡網絡

在傳統移動通信系統中，參考了蜂窩的密集部署方式，通過對單一六邊形元素的鑲嵌，實現了平面區域的高效覆蓋，可以說蜂窩結構鑄就了移動通信的發展歷史。然而，現有的基于中心控制的分層網絡面臨發展瓶頸，無法支持未來6G網絡中4D全方位通信的需要，因此必須對蜂窩網絡架構進行革新。

另外，現有的網絡都是按最大能力要求去設計和部署，導致資源和成本的極大浪費。未來的網絡必須能夠支持網元的即插即用、網元軟硬件資源的按需分配和統籌利用，容量的按需擴展和彈性伸縮。

4.2? 按需服務網絡

6G網絡在大幅超越現有的5G網絡能力指標的同時，還需在高度安全、超精定位、全空間覆蓋、極低時延抖動等多個維度定義全新的性能指標需求，從而突破垂直行業應用場景和網絡性能的短板，提供更卓越、更高效的網絡能力，以及極致的、無差異化的用戶體驗，使用戶按需獲得網絡服務。

在未來6G網絡中，依賴于新型編碼技術、超大規模天線、太赫茲和可見光通信、電磁波新維度以及空天地一體化網絡[4-10]等潛在使能技術，空口能力將得到極大提升，從而可以為用戶提供更加豐富的業務和服務。同時，基于區塊鏈“去中心”分布式賬本的無線接入信息記錄新方式，使人類工作、生活和娛樂更加便利化，構建一個數據智能感知、萬物群體協作、天地一體覆蓋和安全實時評估的新型綠色網絡。

4.3? 柔性網絡

未來6G網絡的另外一個重要特征就是柔性，即網絡可以實現端到端的軟件可定義和云化，通過基于大數據和人工智能的孿生網絡，實現網絡的智能化，達到“0”人工干預的網絡維護，以及新功能的自動化引入和定義，實現網絡的自我演進。為使網絡具備柔性，6G網絡需要滿足三個基本條件：

（1）全軟件定義的端到端網絡。它要求網絡具有開放的空口、端到端軟件可定義以及靈活便捷的軟硬件擴展能力。有了上述能力，6G網絡就基本具備了軟件快速迭代的能力。

（2）網絡協議的前向兼容性設計。它將使新功能的設計和引入不會影響舊版本的網元和終端。

（3）去小區的網絡結構。未來6G網絡將完成“以小區為中心”網絡向“以用戶和終端為中心”網絡的轉變，從而按需和靈活地啟動必要的接入點和網元功能配置，實現按需組網。6G網絡將根據監測到的各個網元的行為、形態、負荷等各種參數，進行實時的網絡形態和結構的管理，包括網元間的協作、空口覆蓋、網元間的路由更新等，從而實現網絡自治與自演進。未來網絡將愈加接近“無蜂窩”狀態，消除小區邊緣差異，提供一致性用戶體驗。

4.4? 智慧內生

現有5G通過打補丁和外掛的方式引入了AI的應用，導致AI僅能在網絡中發揮有限的作用，效率也不高。所以6G網絡在設計之初就必須考慮內生AI的理念，將AI和大數據的應用融入網絡的基因當中，形成一個端到端的體系架構，根據不同的應用場景需求，按需提供AI能力和服務。未來6G網絡還將通過內生的AI功能、協議和信令流程，實現AI能力的全面滲透，驅動智慧網絡向前演進，即“網絡無所不達，算力無處不在，智能無所不及”。

6G網絡中的算力將從外延走向內生，最終實現網絡與計算的深度融合。6G將進一步超越5G時代的邊緣計算，并走向“在網計算”。而“在網計算”則構成了“泛在智能”的算力基礎。通過網絡與計算深度融合形成的基礎設施，為AI提供了無處不在的算力，從而實現無所不及的泛在智能。

為了實現Zero Touch運營運維，基于智慧內生的6G網絡將從網絡自動化需求和控制機制、網絡自動化管理、AI及大數據能力共享三個維度構建各個階段網絡的自動化發展目標。智慧內生網絡可以通過自聚焦的方式，有效滿足不斷出現的新需求，使能資源管理的智慧決策，驅動自動化，降低成本并提高效率，實現數字轉型按需提供服務。

4.5? 安全內生

對于未來的數字孿生世界，安全至關重要。6G網絡將實現由互聯網安全向網絡空間安全的全面升級，網絡安全的內涵和外延將不斷擴大。6G網絡將以AI為引擎，實時監控安全狀態并預判潛在風險，抵御攻擊與預測危險相結合，從而實現智能化的內生安全。

（1）通過聯網的智能體間的交互和協同形成共識，并基于共識來排除干擾，從而保障信息的完整性、一致性和可用性，為信息和數據提供高安全等級。

（2）基于AI和大數據技術，精準部署安全功能并優化安全策略，實現主動的縱深安全防御。

（3）使用可信計算技術，為網絡基礎設施、軟件等提供主動免疫功能，增強基礎平臺的安全水平。

（4）通過端、邊、管、云的泛在協同，準確感知整個系統安全態勢，敏捷處置安全風險。

未來的6G網絡的內生安全能力也將基于自適應、自主、自生長三大特點不斷演進。

5? ?結束語

本文聚焦下一代移動通信系統，探討了面向2030年的“數字孿生”與“智能泛在”的社會發展愿景與全新的移動通信應用場景，包括孿生體域網、超能交通、通感互聯網和智能交互等，分析了6G網絡需求指標，包括峰值速率、可靠性、超精定位等，提出了6G網絡五大技術特征構想，即極簡網絡、柔性網絡、按需服務網絡、智慧內生、安全內生。

參考文獻：

[1]? ?李正茂. 通信4.0[M]. 北京： 中信出版社， 2017.

[2]? ? E CALVANESE STRINATI. 6G： The Next Frontier：??FromHolo-graphic Messaging to Artificial Intelligence?Using Subterahertz and Visible Light Com-munication[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine， 2019，14（3）： 42-50.

[3]? ? Z XIANG， F GABRIEL， E URBANO， et al. Reducing Latency in Virtual Machines： Enabling Tactile Internet for Human-Machine Co-Working[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2019，37（5）： 1098-1116.

[4]? ? M MOZAFFARI， A TALEB ZADEH KASGARI， W SAAD， et al. Beyond 5G With UAVs： Foundations of a 3D Wireless Cellular Network[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2019，18（1）： 357-372.

[5]? ? ? D LI. Overlapped Multiplexing Principle and an Improved?Capacity on Additive White Gaussian Noise Channel[J]. IEEE Access， 2017（6）： 6840-6848.

[6]? ? E BJ?RNSON， L SANGUINETTI， H WYMEERSCH， et al. Massive MIMO is a reality—What is next？ Five promising research directions for antenna arrays[Z]. 2019.

[7]? ? W C CHENG， W ZHANG， H Y JING， et al. Orbital angular momentum for wireless communications[J]. IEEE wireless communication， 2019，26（1）： 100-107.

[8]? ?HAIPENG YAO， LUYAO WANG， XIAODONG WANG， et al. The Space-Terrestrial Integrated Network： An Overview[J]. IEEE Communications Magazine， 2018，56（9）： 178-185.

[9]? ? ?A BOULOGEORGOS. Terahertz technologies to deliver optical network quality of experience in wireless systems beyond 5G[J]. IEEE Communications Magazine， 2018，56（6）： 144-151.

[10]? P H PATHAK， X FENG， P HU， et al. Visible light communication， networking， and sensing： A survey， potential and challenges[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2015，17（4）： 2047-2077.

[11]? M B H WEISS， K WERBACH， D C SICKER， et al. On the Application of Blockchains to Spectrum Management[J]. IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking， 2019，5（2）： 193-205.

[12]? M ELSAYED， M EROL-KANTARCI. AI-Enabled Future Wireless Net-works： Challenges， Opportunities， and Open Issues[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine， 2019，14（3）： 70-77.

[13]? ZHENGQUAN ZHANG， YUE XIAO， ZHENG MA， et al. 6G Wireless Networks： Vision， Requirements， Architecture， and Key Technologies[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine， 2019，14（7）： 28-41.

作者簡介

劉光毅（orcid.org/0000-0002-8656-1946）：教授級高級工程師，博士畢業于北京郵電大學電路與系統專業，現任中國移動通信有限公司研究院首席專家及6G總監，長期負責4G、5G的研究、標準化和產業化工作，現負責6G相關的研究、標準化和產業化工作。

金婧：博士畢業于北京郵電大學，現任中國移動通信有限公司研究院高級研究員，研究方向為5G和6G關鍵技術研究和標準化，現負責6G的愿景與需求研究。

王啟星：博士畢業于北京郵電大學，現任中國移動通信有限公司研究院未來移動通信技術研究所副所長，研究方向為5G和6G關鍵技術研究和標準化。