6G網絡潛在關鍵技術研究綜述

林奕琳，陳思柏，單雨威，劉玉芹，唐凌

（中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630）

0 引言

2019年是6G研究相當重要的一年。國內，在2019年11月，科技部會同相關部委召開了6G技術研發工作啟動會，并宣布成立國家6G技術研發推進工作組和總體專家組[1]。同年，工信部也牽頭成立了6G研究組，2020年更名為IMT2030（6G）推進組[2]。國內相關研究機構、設備廠商和運營商等也陸續投入6G研究，相繼發布6G白皮書[3-10]。國際上，歐盟、美國、日本和韓國等也積極投入6G研究[2,5]，2019年9月芬蘭奧盧大學便發布了全球第一份6G白皮書[11]。此后，全球相關組織連續發布多份6G白皮書和研究報告[12-16]，展示各自對6G的設想及研究成果。

本文基于對歷代移動網絡演進的特點分析，以及當前人們對6G網絡的愿景研究進展，從最有可能影響6G網絡架構的角度出發，挑選當前業界關注度較高的6G網絡潛在技術，分析業界研究進展，提出需要解決的關鍵問題或研究方向，為后續6G的進一步研究提供參考。

1 移動通信網絡架構發展路線

自上世紀80年代第一代蜂窩移動通信系統規模應用以來，全球便進入了每十年發展一代的移動通信網絡發展史。社會發展所帶來的人們對新應用的期待、信息通信技術的發展，不斷推動著移動網絡的發展以及網絡架構的演進。

第一代移動通信為用戶提供模擬話音業務，而2G/3G網絡引入了數字語音服務，同時支持短信及上網業務，在架構上，2G/3G核心網在電路域之外引入了分組域，以支持上網業務。到了4G網絡，核心網移除了電路域，此外，還支持3GPP和3GPP2無線系統的統一接入，使得3G網絡兩大陣營統一演進到3GPP的4G框架。

5G網絡借鑒了IT技術，架構發生了較大變化。首先，控制與轉發進一步分離，以支持邊緣計算；其次，網元支持虛擬化，可軟硬分離、靈活編排，從而支持網絡切片；此外，引入SBA服務化架構，采用基于HTTP的服務化接口；最后，還引入了NWDAF網絡數據分析功能，基于智能數據分析協助優化服務。

從移動網絡演進過程可以看到，除了業務需求的驅動，交叉領域技術的進步也是推動網絡發展的強大動力，從1G到5G的演進過程，也是從CT向ICT和DICT融合的演進過程。

2 影響未來6G網絡架構演進的潛在技術

2.1 概述

當前業界對6G的驅動力研究顯示，6G發展將由社會需求、業務與商業、技術發展三方面共同驅動。芬蘭奧盧大學研究者認為，6G將需要更全面的方式、更廣泛的參與方來確定未來的通信需求，這包括確定未來社會所面臨的趨勢、需求和挑戰，以及塑造我們未來世界的全球力量[11]。

基于社會需求、業務和技術發展趨勢的判斷，人們紛紛展開了對未來6G愿景的設想，智能、泛在、綠色、融合、可信和數字孿生等成為了6G重要的關鍵詞[7,9-10]。而在6G網絡時代將會涌現的全新應用，可能包括了全息通信、多感官通信、時間敏感類應用、數字孿生[3,15,17-20]等。在架構方面，業界普遍認為6G網絡將會是空天地海一體化、固移融合、云網邊端協同、智能內生的網絡[3,21-24]。

基于當前業界對6G網絡的設想，本節從最有可能影響6G網絡架構的角度出發，挑選當前關注度較高的數個6G潛在技術，分析業界研究進展，提出需要解決的關鍵問題或后續的研究方向。

2.2 網絡智能化及人工智能技術

AI人工智能技術近十年在自動駕駛、醫療、智慧城市建設等領域得到廣泛應用。在通信領域，AI技術也備受關注，奧盧大學6G白皮書[11]認為AI將在6G網絡中扮演重要角色，ITU-T報告[25]也認為未來復雜網絡架構有必要引入AI技術，6GANA認為除了網絡自身智能化，還需探索如何將6G網絡構建成一個原生支持AI訓練和推理的平臺，并對外提供AIaaS服務[4]。國內眾多6G白皮書[8-10]也相繼提到了6G網絡需具備智慧內生、原生AI的概念，智能成為6G網絡的重要愿景之一。

ITU-T將網絡智能化分成了6個等級，并給出了評估網絡智能等級的基本方法[25]，如表1所示，為后續6G網絡智能化功能設計及評估提供了重要參考標準。

表1 智能網絡分級[25]

3GPP在無線、核心網和網管等領域都有與AI相關的項目。在無線領域，開展了自組織網絡SON的研究；在核心網領域，在5G中引入NWDAF核心智能化網元[26]，通過收集并分析網元、應用、終端數據，按需提供各類統計或預測服務，輔助其他網元進行網絡及業務決策；在網管領域，通過與AI/ML技術結合，增強MDA管理數據分析服務。

ETSI的ENI經驗式網絡智能工作組定義了一種感知網絡管理架構[27]，利用AI技術和上下文感知策略，基于用戶需求、環境條件和業務目標的變化調整網絡所提供的服務。

當前不同域的智能相對獨立，網元智能也集中在單一網元，未來6G網絡的內生智能，需要一個全網統一、分布式協同的智能體系。GSMA提出了一種三層的智能自治網絡架構[28]，跨域協同層將專家經驗轉換成AI模型，提供AIaaS新型智能服務，單域自治層可以是核心網、無線網或專網，基于管控融合的智能引擎，實現域內的自治和閉環，網元層則主要提供場景化AI模型庫和結構化數據。

智能作為6G的主要特征，業界對其展開了大量的研究。文獻[29]提出一種支持AI的6G網絡智能架構，以實現知識發現、智能資源管理、自動網絡調整和智能服務提供。面向6G的網絡智能還有不少問題有待解決：如6G網絡對在線學習能力和所學習系統的高可解釋性有更嚴格的要求，但深度學習經常被視為“黑匣子”，文獻[30]提出一種方法，利用從GBDT梯度提升決策樹中學到的重要特征對GBDT2NN的個體預測進行解釋性的實證研究，然后進一步探討該解釋是否可以改善學習過程。對于資源分配調度的問題，文獻[31]設計了支持6G的大規模IoT架構，該架構支持動態資源分配，構建動態嵌套神經網絡，使之可以在線調整嵌套學習模型的結構，以滿足動態資源分配的訓練要求；文獻[32]將深度學習集成到邊緣計算框架中構建用于動態維護和管理的智能邊緣，讓深度學習和邊緣計算彼此受益。

如上所述，網絡智能化及人工智能與6G的結合，將是6G研究和標準化的重要方向，以下課題或方向尤其值得進一步關注：（1）6G智能化，需要一個更加柔性、極簡的網絡架構；（2）網絡數據將被廣泛用于機器學習等人工智能技術，為網絡創造更多價值；（3）人工智能在通信的應用將由普通機器學習方法（如聚類、降維分析）滿足數據的分析和單一任務的實施，過渡到借助GAN、知識圖譜、強化學習等技術實現自主網絡管控和決策；（4）網絡數據交互的安全性非常重要，6G網絡的數據交互將更加頻繁，需要借助聯邦學習、區塊鏈等技術解決安全隱患，保護用戶數據隱私，使整個網絡更安全可靠。

2.3 分布式異構網絡技術

6G異構網絡的一個特點，是空天地海一體化。奧盧大學白皮書[12]指出6G可能是第一個真正實現網絡公平接入、消除數字鴻溝的移動通信網絡。ITU-T則認為Network-2030需要通過共存的異構網絡設施實現全球連接，包括衛星接入[17]。此外，ITU-T還將空天地一體網絡架構列為6G的七大關鍵網絡需求之一，并描述了未來無縫覆蓋的衛星和地面網絡融合的場景，如圖1所示[19]。NTN非地面網絡系統包括不同軌道的衛星、高空平臺、無人機和氣球等，長期以來NTN和地面網絡相對獨立發展，而當前3GPP正在促使5G系統支持衛星接入，并實現5G接入與衛星接入之間的服務連續性。5G兼容衛星通信，6G將實現真正融合，以TN與NTN融合組網為基本特征的三維連接技術，將成為6G的關鍵使能技術[33]。文獻[34]給出了一種以服務為中心的、隨需應變的自適應分層6G網絡架構。文獻[22]則討論了從平面蜂窩網絡到未來空天地一體化融合通信的網絡建模方法，并提出了一種含無人機、平流層以及低軌衛星的多層異構3D網絡架構。文獻[35]則為6G物聯網設想了一個敏捷、智能、安全的混合星地網絡。

圖1 LEO衛星和地面網絡融合舉例[19]

6G異構網絡的另一個特點是固定與移動融合FMC。FMC這一概念由來已久，但4G FMC主要聚焦移動終端如何通過固定網絡接入4G核心網，是交互而非真正的融合。在這基礎上，3GPP在5G Rel-16階段引入兩個特性，其中5WWC[36]實現不同類型的有線網絡通過適配轉換后接入融合的5GC核心網，而ATSSS[37]可以使終端同時接入Wi-Fi和5G，并根據接入網絡情況和業務需求為業務流靈活選擇不同接入網絡。長期以來固網和移動網由不同的標準組織設計并使用互不相同的協議棧，融合多個網絡是6G時代一大極富挑戰性的方向[21]?，F有網絡的固網和移動網分立導致維護成本高，為了適應未來新的數字基礎設施要求，現階段重新思考固移融合極為重要[23]。

除支持異構接入，6G網絡另一個特點是分布式[10]。如上文所述，為滿足多樣化場景的網絡要求，6G需實現空、天、地、海多維立體覆蓋以及多種異構接入網絡的融合共存，因此，6G網絡架構將進一步向集中與分布式相結合的方式演進。文獻[38]提出了一種名為“Ubiquitous-X”的6G網絡架構，旨在實現網絡架構的有序演進，從集中式、分布式、去中心逐漸演進至多層次去中心結構。用戶面的分布式部署已經在5G網絡實現，而6G除了用戶面分布式部署更為靈活之外，控制面相關功能也可能進一步下沉以提升網絡運行效率，甚至有可能是多個分布式邊緣網絡協同形成的一個集中與分布結合的融合架構。

對于6G來說，分布式異構融合通信網絡架構的實現和其依賴的技術在實際研究中還存在一些挑戰，如衛星通信集成進手機還需要克服衛星成本、衛星系統的容量以及衛星信號的牌照許可的問題，以及從設計上解決多個接入網如何融合、固網接入移動網協議棧互不相通等問題[21]。若這些問題都能有效地解決，未來的6G網絡將真正意義上的“泛在連接”，包括對分布式邊緣計算資源的靈活調配、邊緣網絡與中心網絡協同、地面與非地面網絡的深度融合以及固定網絡和移動網絡等各種異構網絡的深度融合，實現多維度立體化的無縫通信覆蓋，滿足全球范圍內終端無差別隨時隨地接入的需求，實現萬物智聯的未來愿景。

2.4 數字孿生技術

數字孿生近幾年成為了業界關注的熱點，ITU-T報告[19]也將數字孿生技術列為未來網絡的代表性應用。數字孿生對于移動通信領域來說則仍然是一個相對較新的理念，近兩年來，業界嘗試將數字孿生的理念引入通信領域，將網絡看做數字孿生概念中的物理實體，構建一個實時地、精確地反應實體網絡全部細節，并能對實體網絡提供反饋的數字孿生體-虛擬網絡，進而實現網絡的數字化、智能化。

文獻[39]提出了如圖2所示的5G網絡數字孿生概念，包含真實5G網絡、虛擬5G數字孿生體以及兩者之間的雙向互動三部分。構建5G網絡數字孿生時可以結合AI技術，讓其從簡單的形式開始，演變為更全面的模型。文獻認為數字孿生在5G系統研發中有兩種用途：一是使用數字孿生代替實體部件進行測試；二是使用數字孿生為5G進行持續驗證和優化。

圖2 5G云數字孿生示例場景[39]

文獻[40]提出了DTN（Digital Twin Network，數字孿生網絡）的概念，將其定義為一個具有物理網絡實體及虛擬孿生體，且二者可進行實時交互映射的網絡系統，認為通過DTN可以低成本、高效部署網絡應用，同時減少對現網的影響，實現網絡的極簡化和智慧化。

文獻[41]提出了一種面向6G的基于網絡孿生（Cybertwin）的網絡結構，文獻[42]提出了一種將專家知識、強化學習和數字孿生相結合的移動網絡自優化方法，文獻[43]提出了一種數字孿生邊緣網絡（DITEN），文獻[44]則提出一種數字孿生無線網絡（DTWN）和基于區塊鏈的聯合學習框架。

關于數字孿生與6G的結合，一方面，數字孿生技術在6G移動通信領域的應用將會帶來諸多好處。首先，在空天海地一體化的大趨勢下，6G將面臨多種異構網絡混合部署的艱巨挑戰，多廠商場景和安全風險帶來了令人望而卻步的復雜性，數字孿生技術將為全球運營商6G建設提供一種低成本的試錯空間，譬如通過該技術提前準確預測方案的結果，避免代價高昂、不可逆轉的投資錯誤。其次，運營商可以依靠數字孿生技術加快產品開發，開拓新一代的商業模式。試設想，利用數字孿生技術將新的6G用例（例如新的網絡切片）的驗證、測試和優化時間從幾個月縮短至幾分鐘，這將充分適應市場需求，極大提高運營商的競爭力。最后，數字孿生結合AI技術，能夠為6G網絡提供自動優化、主動保障、提前預測的能力，降低網絡運維復雜度，減少網絡故障幾率，節省網絡維護和故障排除成本并改善用戶體驗。

另一方面，數字孿生技術在6G時代的應用研究也面臨許多挑戰。首先，這依賴于數字孿生技術本身的成熟度。另外，從現有研究來看，AI技術將是在6G中引入數字孿生時至關重要的元素，畢竟數字孿生并非實體過往歷史的單純記錄，其必須在已有數據的基礎上，不加以人工干預即為實體帶來預測性的結果。最后，數字孿生技術涉及海量的結構多樣的數據的實時采集、存儲和高速使用，對底層承載網絡的帶寬、時延和可靠性等方面提出了極高要求，數據的隱私和可信問題也有待解決，這可能需要考慮區塊鏈等技術的協助。

2.5 通信與計算融合技術

ITU-T報告[19]中提及，未來的網絡可能需要多個分布式節點相互連接和協作，網絡需要支持與計算相關的編排功能，因此在6G中，通信與計算融合是一個十分重要的研究方向。

6G網絡支持空天地海一體化、多種形態終端的接入，同時網絡功能將進一步下沉，從而形成中心與分布式相結合的網絡架構，因此6G時代所需的網絡算力是一種“云-邊-端”協同的算力架構。而業界對通信和計算融合的一個目標是希望基于上層應用的需求，實現全體資源的最優化配置。實現這一目標需要是制定一個合理的體系架構，因此驅動了CPN算力網絡和CAN算力感知網絡等概念的出現[45-46]。

CPN或CAN的研究重點之一是網絡如何獲取算力節點的信息，確定算力路由的方案。網絡只有獲得了算力節點的資源狀態，才能聯合網絡信息進行路由決策。文獻[47]認為，算力路由可分集中、分布和混合三種方案。IETF研究了一種分布式技術方案——CFN（Computing First Networking，計算優先網絡）[48]，其典型架構如圖3所示。CFN將當前的計算能力和網絡狀況結合作為路由信息發布到網絡中，并將計算任務路由到相應的計算節點，以實現整體系統最優和用戶體驗最優。此外，文獻[49]提出了一種基于云、網、邊深度融合的集中式方案，而文獻[50]則分別提出了集中式和分布式兩種控制方案。

圖3 CFN技術架構圖[45]

算力的度量是CPN或CAN另一個需要解決的難題。文獻[51]、[52]對異構的IT算力資源進行歸一化建模，提出算力的分級標準；文獻[53]研究了算力需求與資源映射機制、算力度量及算力建模技術，探索泛在異構算力的統一化標識方式；文獻[54]則研究了異構算力統一標識技術。

6G時代，應用的速率和時延要求會越來越高，新型業務更帶來計算輕量化、動態化的需求，因此迫切需要構建一張云、網、邊、端、用深度協同融合，信息傳輸和應用需求緊密聯系的通信、計算一體化網絡，實現全頻域、全場景、全業務的靈活適配與資源協同[20]。整合泛在、異構的算力，實現資源統一供給，結合用戶需求和網絡信息，聯合編排調度，實現整網資源的最優化配置，這將成為實現6G網絡智能化、數字化、安全化的重要手段。算力網絡很可能成為6G的資源底座，成為6G網絡對內部署網絡功能及開展人工智能計算、對外提供強算力型服務的基礎。但是，當前仍有很多難題需要突破。首先，算力網絡技術還不成熟，仍需大力推動。其次，6G網絡架構將是一個分布式異構網絡，將向應用提供更高于5G的性能體驗，因此，在架構設計時，應充分考慮與算力資源底座的協同調度，并可考慮基于AI技術，使得算力網絡向網絡功能實體和應用提供服務更高效、節能的服務。最后，未來6G時代，算力的異構、分布等特性，使得算力的多方共享成為可能，可考慮納入區塊鏈技術，提高算力安全，支持算力交易。

2.6 網絡安全與區塊鏈技術

毫無疑問，安全是6G網絡的關鍵需求和特性。奧盧大學6G白皮書[11]指出，6G需要一個內生信任的網絡，且區塊鏈技術可能會在6G網絡中扮演重要角色。應對各種各樣復雜的新型隱私挑戰，區塊鏈是6G隱私保護潛在的解決方案[13]，其具有去中心化、不可篡改、可追溯、匿名性和透明性五大特征，可以為構建分布式安全可信交易環境提供堅強保障。

文獻[55]認為，區塊鏈可應用于5G生態系統中的諸多領域，并按圖4所示的分類對區塊鏈在網絡管理等多個方面的應用進行了詳細的分析。

圖4 區塊鏈在5G中的應用分類[55]

根據目前已有的研究，區塊鏈在6G時代可能在以下應用中發揮重要作用：

（1）頻譜和基礎設施等資源共享[56-57]。美國FCC提出6G可以采用更智能、分布更強的基于區塊鏈的動態頻譜共享接入技術。此外，通過區塊鏈將賦能網絡基礎設施的靈活共享按需分配，可降低運營商的成本以及節約能源。

（2）身份驗證[58]。隨著6G網絡中終端設備的增加，完全集中的身份驗證可能會導致網絡的瓶頸和時延增加，可借助區塊鏈技術實現集中與分布式相結合的身份認證、授權和記賬。

（3）數據共享。文獻[59]提出了一種基于區塊鏈的分布式、透明、安全的數據共享方案，用于6G網絡中的人工智能應用，證明了區塊鏈在數據安全方面的有效性。

（4）網絡安全。文獻[60]認為傳統的“外掛式”“補丁式”網絡安全防護機制已無法對抗未來6G網絡潛在的泛在攻擊與不定性安全隱患，區塊鏈與通信技術結合可望成為未來實現6G網絡內生安全的有效途徑。文獻[61]指出區塊鏈將為6G提供多種安全服務，包括訪問控制、數據完整性、認證和隱私保護等。

（5）應用安全。文獻[62]表明，區塊鏈等技術可以為應用程序安全和隱私提供解決方案。

6G的安全體系和架構將很大限度上取決于未來5G網絡的變化以及相關新型技術的研究和發展[63]，5G網絡在規模使用過程中，也可能會遭遇不同于傳統的攻擊方式，這將成為6G制定安全策略的重要參考標準，同時區塊鏈、人工智能等新技術也將在未來的6G安全解決方案中發揮重要作用。為解決這些問題，需要在6G網絡架構設計之初融入安全方案和相對完整的安全體系，以保證6G網絡具有更高的安全性和可信度，實現6G網絡的內生安全。

3 6G技術研究展望

如何結合人們和社會對6G網絡的期待以及業務需求、DICT技術的發展，打造6G網絡架構和技術標準，是未來幾年6G領域的重要課題?；谏弦还澋姆治觯覀儗?G關鍵技術的研究可做如下展望。

首先，網絡智能化并不一定依賴于AI，但有了AI的加持，網絡智能化等級將會實現質的突破。AI技術在移動網絡核心架構的應用目前還較少，人工智能算法如何適配移動網絡需求場景，如何將AI技術與網絡架構深度融合，是一個重要的研究方向。

其次，未來6G網絡將是一個綜合空天地海接入需求、支持固定移動融合、集中與分布式結合的異構網絡。傳統的移動網絡基本功能，如移動性管理、接入認證、會話管理等如何在這個復雜網絡中實現，如何基于復雜網絡架構為上層應用提供無處不在的智能泛在連接服務，是一個亟待解決的問題。

再者，需要關注DICT交叉領域技術發展對6G網絡帶來的推動作用。除了人工智能和機器學習，數字孿生、區塊鏈、云原生、可編程網絡、確定性網絡等交叉領域理念和技術發展很可能影響網絡架構的設計。

最后，6G網絡架構的設計需要統籌考慮相關技術的協同。例如，智能化將是6G網絡的一個核心基礎，需要著重考慮人工智能技術與網絡的核心功能、數字孿生或區塊鏈等技術相互協同。

4 結束語

當前，5G演進版本5G-Advanced的標準化工作剛剛啟動，6G的前期研究工作也已經展開，在兩代網絡標準及研究工作并行開展階段，需要區分哪些需求歸于5G增強，哪些需要留待6G解決。但從網絡架構及相關關鍵技術的角度看，5G增強不會對架構做重大變動，新技術的引入也需考慮對架構的影響，因此，DICT新技術創新在移動網絡的應用重點將主要在6G中實現突破?；诋斍皹I界對6G愿景、業務及應用場景的想象，6G網絡將發生革命性的技術和架構創新。4G改變生活、5G改變社會，6G將重塑智慧未來，當前迫切需要產業界各方攜手，一起推動6G時代的到來。本文對當前網絡架構潛在技術的研究進展做了分析和展望，希望對后續的6G研究起到一定的參考借鑒意義。