6G展望：愿景需求、應用場景及關鍵技術

蔡亞芬，胡博然，郭延東

（1.中國信息通信研究院，北京 100191；2.國才（北京）人力資源服務有限公司，北京 100013）

0 引言

我國2019年實現了5G預商用，2020年開始規模商用。在5G開啟商用之際，業界對6G進行了初步探索。從1G到4G主要改變的是“生活”，5G將改變“社會”，而6G將相比于5G更大程度地改變“社會”——萬物互聯始于5G，進一步蓬勃發展于6G。從而可見，6G的戰略重要性必將甚于5G。本文通過對6G愿景需求的展望，給出了超出當今5G系統性能范圍之外的應用場景，以及針對這些需求的候選關鍵技術。

1 6G愿景需求

到2030年，智能信息社會將實現高度數字化、智能化，并通過近乎即時且無限的全無線連接實現全球數據驅動。6G將成為實現這一藍圖的關鍵推動力。它可以連接一切，提供全方位的無線覆蓋，并集成所有功能，包括傳感、通信、計算、緩存、控制、定位、雷達、導航和成像，以支持全垂直應用。6G將是一個具有人類智慧和意識的自治生態系統，它將從以人為中心演變為以人和機器為中心，并且將提供多種智聯方式，例如通過手指、語音、眼睛和腦電波（或神經信號）與智能終端進行通信和交互。

基于以上6G愿景，6G的通信能力將在5G的基礎上得到進一步升級和擴展，以實現更高的數據速率（5G的10-100倍）、更高的系統容量、更高的頻譜效率、更低的時延、更廣且更深的網絡覆蓋，進而支持更高的移動速度，服務于萬物互聯，并全面支撐泛在智能移動產業（面向智能生活與垂直行業）的發展。

2 6G應用場景展望

本節我們描述6G潛在的應用場景特征及需求，表1總結了各個應用場景的關鍵性能指標（KPI）。

表1 各個應用場景的關鍵性能指標（KPI）

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（1）大規模通信：雖然5G網絡的設計支持超過10萬個連接，但從2016年到2021年，每平方千米的移動通信量將增長3倍，從而將移動設備的數量推向極端，在密集地區每平方千米將擁有107臺設備（5G最大達到106臺設備）。估計到2030年，全球將有超過1，250億個連接設備，這將給已經很擁擠的網絡帶來巨大壓力，導致網絡無法保證所需的服務質量。此外，新5G無線系統提供的數據速率可能不符合完全由數據驅動、近即時、超高吞吐量、連續連接的要求。6G技術應包括擴容戰略，以向用戶提供高吞吐量和連續連接。

（2）全息通信：十年后，人類目前的遠程互動方式將會過時，真正的沉浸式交流會廣泛出現。五維通信和服務，集成了所有人類感知信息（視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺），有望與全息通信一起出現，從而提供真正的沉浸式全息通信。人類趨向于以越來越高的保真度進行遠程連接的趨勢將給6G網絡帶來嚴重的通信挑戰。3D全息顯示的數據速率要求將達到Tb/s，延遲要求將達到亞毫秒級。此外，為了完全實現身臨其境的遠程體驗，必須將五種人類感官數字化并在未來的網絡中轉移，從而提高總體目標數據速率。

（3）高精度制造：6G將推動以5G為起點的工業4.0革命，即通過網絡物理系統和物聯網服務實現制造業的數字化轉型。打破物理工廠和網絡計算空間之間的界限，從而使基于互聯網的診斷、維護、操作和直接機器間通信具有成本效益、靈活性和高效率。自動化在可靠性和同步通信方面的要求，6G將通過太赫茲通信等技術來解決。諸如VR/AR應用之類的工業控制需要實時操作并保證微秒的延遲抖動和Gb/s峰值數據速率。

（4）電子健康：6G將徹底改變醫療保健行業，例如，通過遠程手術消除時間和空間的障礙，并保證醫療保健工作流程的優化。除了高昂的成本外，當前阻礙通信技術在醫療領域應用的主要是缺乏實時觸覺反饋。此外，電子健康服務的激增將挑戰滿足其嚴格的服務質量要求的能力，即持續的連接可用性（可靠性為99.99999%），超低延遲（亞毫秒）和移動性支持。由于毫米波信道固有的可變性和擁塞，5G系統不太可能實現電子健康服務。6G將通過移動邊緣計算、虛擬化和人工智能等創新，釋放電子健康應用的潛力。

（5）智能城市：6G將加快智能城市解決方案的采用，目標是改善生活質量、環境監測、交通控制和城市管理自動化。這些服務建立在傳感器所產生的數據之上，這些傳感器能夠有效地相互作用，并與周圍環境進行交互。目前的蜂窩系統主要是為寬帶應用而開發的，對M2M流量有特殊配置。6G將無縫支持以用戶為中心的機對機通信，以經濟高效的方式為智能城市提供本地支持。6G還將結合能量收集方法延遲電池壽命，這是5G及前幾代通信迄今為止忽視的一項研究。

（6）無人駕駛：6G將向完全自主交通系統的發展提供更安全的出行、改進的交通管理和對信息娛樂的支持，市場規模高達萬億美元。連接自主車輛需要前所未有的可靠性和低延遲（即高于99.99999%和低于1毫秒），即使在超高機動性情況下（高達1，000千米/小時），也必須要保證乘客安全，這是現有技術難以滿足的要求。此外，每輛車上傳感器數量的增加所要求的數據速率超過當前網絡容量。另外，飛行器在各種情況下（如建筑、急救人員）都具有巨大的潛力。成群結隊的無人機將需要提高容量，以擴大互聯網連接。從這個角度來看，6G將通過硬件、軟件和新連接解決方案的進步為連接車輛鋪平道路。

3 6G關鍵技術預測

3.1 突破性的通信技術

為了滿足上節6G應用場景需求，預計6G網絡除了采用傳統頻譜（即sub-6GHz和毫米波），也依賴于尚未考慮用于蜂窩標準的頻帶，即太赫茲頻帶和可見光通信。

（1）太赫茲通信（THzcommunication）。太赫茲通信的工作頻率為0.1–10 THz，這一波段介于微波和紅外之間，兼有微波和光波的特性，具有極高的高頻連接潛力、低量子能量、大帶寬、良好的穿透性等特點，可用于超分辨率感測和高精度定位等，是大容量數據實時無線傳輸最有效的技術手段，符合最苛刻的6G要求。當前有兩種太赫茲通信系統，包括基于混頻機制的固態太赫茲通信系統以及把基帶信號直接調制為連續太赫茲載波的空間直接調制太赫茲通信系統。當前，阻止太赫茲鏈路在商業系統中采用的主要問題是傳播損耗、分子吸收、高穿透損耗以及天線和射頻電路的工程挑戰。最后，在室內通信場景下，這種高頻率可以用于射頻和天線的超小型電子封裝解決方案。

（2）可見光通信（VLC）。可見光通信系統可利用室內照明設備（如LED燈）代替無線局域網基站發射信號，其通信速度達每秒數十兆至數百兆，未來傳輸速度還可能超過光纖通信。利用專用的、能夠收發信號功能的電腦以及移動信息終端，只要在室內燈光能照到的地方就可以長時間高速通信。該系統還具有高安全性的特點。用窗簾遮住光線，信息就不會外泄至室外，同時使用多臺電腦也不會影響通信速度。但VLC具有有限的覆蓋范圍，需要光源并且易遭受來自其他光源（例如太陽）的散粒噪聲，因此主要在室內使用。

3.2 創新性的網絡技術

為了滿足上節應用場景需求，6G將提供面向萬物的卓越的網絡功能。未來網絡應用的異構性和全覆蓋的需求，需要基于不同通信技術緊密集成的新型無蜂窩架構，以及具有虛擬化、軟件化及切片化的網絡技術。另外，人工智能（AI）深度融入6G系統，將在高效傳輸、無縫組網、內生安全、大規模部署、自動維護等多個層面得到實際應用。

（1）無蜂窩多連接網絡技術。無蜂窩網絡將確保無縫的移動性支持，而不會因切換而造成開銷，并將提供與6G設想的最具挑戰性的移動性要求相符的服務質量保證。6G將支持設備的異構性，這些設備將能夠在不同的異構鏈路（例如sub-6 GHz、毫米波、太赫茲或可見光通信）之間無縫過渡，而無需人工干預或配置。最后，根據特定的使用場景，用戶還可以同時使用不同的網絡接口來利用這些異構鏈路的互補特性，例如，sub-6 GHz鏈路用于信令控制傳輸，太赫茲鏈路用于數據傳輸。

（2）天地一體化網絡技術。5G只提供基本二維空間的連接性，即部署了網絡接入點以提供與地面設備的連接性，所以無法滿足所有垂直應用需求，未來需根據不同的應用場景重新定義網絡能力的適配性。因此，考慮未來需要無所不在全覆蓋網絡，除了地面網絡，6G還需要基于衛星、氣球和無人飛行器的基礎設施來滿足覆蓋和容量需求，形成天地一體的立體三維（3D）網絡。而在將飛行平臺有效用于無線網絡之前，仍需要解決各種挑戰，例如空對地信道建模、拓撲和軌跡優化、資源管理和能源效率。

（3）虛擬和軟件化的網絡技術。6G網絡軟件、開源和虛擬的特性將更為明顯，網絡設備不需要特定的硬件，以使軟硬件換代升級更加便利和高效。6G網絡的硬件將更為集成化、模塊化和白盒化，軟件將更為本地化、個性柔性化和開源化，網絡結構上將更虛擬化，未來網絡基礎設施建設和優化升級將主要依托云存儲資源和軟件升級。基于上述發展趨勢，現有虛擬化、軟件化及開源的網絡技術將得到持續發展，包括大數據挖掘及處理、人工智能（AI）、軟件無線電（SDR）、軟件定義網絡（SDN）、數據云化、虛擬化、切片化、開源分布式網絡軟件及系統、開源網絡安全、軟硬件系統集成等關鍵技術。

（4）人工智能與無線網絡融合技術。未來的網絡越來越復雜，應用越來越多樣化，無線收發器處理和終端應用也越來越復雜，能耗的挑戰也越來越大。因此，人工智能將在6G無線空口和系統級解決方案中扮演重要角色。比如，人工智能與無線電感測、定位等技術結合，可實時了解無線環境，主動預測無線鏈路丟失和最佳切換目標，以及主動分配最優無線資源等，甚至還可根據特定環境和業務需求，通過AI快速設計最佳無線空口。人工智能（AI）和機器學習（ML）已經滲透到許多應用程序中，機器學習支持主動分配網絡資源，從而提高性能，特別是在延遲敏感的應用中。

3.3 動態頻譜共享技術

6G的太赫茲頻率特性使其網絡密度驟增，動態頻譜共享成為提高頻譜效率、優化網絡部署的重要手段。動態頻譜共享采用智能化、分布式的頻譜共享接入機制，通過靈活擴展頻譜可用范圍、優化頻譜使用規則的方式，進一步滿足未來6G系統頻譜資源使用需求。未來結合6G大帶寬、超高傳輸速率、空天海地多場景等需求，基于授權和非授權頻段持續優化頻譜感知、認知無線電、頻譜共享數據庫、高效頻譜監管技術是必然趨勢。同時也可以推進區塊鏈+動態頻譜共享、AI+動態頻譜共享等技術協同，實現6G時代網絡智能化頻譜共享和監管。

4 結束語

本文主要介紹了6G潛在的應用場景和候選關鍵技術，它們應該代表了6G通信系統的核心。在物理層，隨著太赫茲和可見光通信技術的成熟，十年后將為6G的發展提供強大的推動力。同時，6G也需要更先進可靠的多鏈路技術，以應對高頻通信所帶來的挑戰。在更高層次上，全覆蓋和無蜂窩的新架構以及大規模人工智能的引入，將推動通信、計算、緩存和控制資源的大規模集成和分布式優化。