終端變革和6G突破：對6G終端的研究判斷和發展展望

李寶榮

（中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510600）

0 引言

6G當前仍處于研究的起步階段，討論的焦點更多聚焦在愿景、關鍵指標、新的頻譜、6G典型應用等，專門探討6G終端的文獻還比較少。6G終端會是一個什么樣的存在？相對于當前終端是演進還是變革？本文認為是后者。6G相對于前幾代通信技術的突破，預判有相當程度依賴于對終端的再認識和創新突破。

值得說明的是，本文不涉及對6G終端的工藝技術、材料的探討，而是假設工藝和材料技術隨著時間的推移，都可以完美地支持6G終端的發展。同時，本文不探討終端多樣化的物理形態，不牽涉具體的種類和規格。文中終端的概念，可以理解為是對終端整體的一個高度的概括和抽象，但凡今后有一種形態（或規格）的終端符合如下特性，結論均視為成立。

1 對6G終端的基本判斷

1.1 支持多樣化無線電接口

6G終端將嵌入多個無線電接口，具有全頻段無線電訪問能力，可以連接到具有不同QoS要求的各種網絡系統，既可以支持D2D短距離通信，也可以支持衛星通信這樣的長距離通信，從而支持任何時間任何地點無處不在的連接[1]。

6G終端要能根據業務應用及當前的網絡環境，自適應地選擇使用的頻段以及網絡制式。Intelligent radio技術在終端上將得到應用和發展，使PHY及MAC層可以根據上層應用及無線環境自適應地進行調整，同時最大限度地規避干擾。

終端能耗管理也變得尤為重要，需要考慮能量采集技術，比如從周圍的無線電、微小的振動、陽光中采集能量；或者是降低能耗的技術，比如通過終端中繼以及增加網絡密度，減少每跳信號傳播距離等，來有效降低終端的發射功率。

1.2 內生感知能力

6G終端將能夠實時采集，測繪和感知世界，比如環境感知、無線現實感知等，將使能安全感知、手勢探測、身體掃描、健康監測、以及3D映射和成像。

太赫茲頻率更高，帶寬更大，天線陣列也更大。可以使能具有非常精細的范圍、多普勒和角度分辨率的傳感解決方案，同時可以提供厘米級精度的定位能力[2]。

具體來說，太赫茲頻段不能穿透很多物體，能讓傳播路徑和傳播環境產生更直接的對應關系；其次，太赫茲頻段具有更大的絕對帶寬，使得在具有更多光譜分量的延遲域中擁有更多可解析的多路徑；第三，更短的波長意味著更小的天線，小小的終端上就能裝置幾十上百個天線，對角度估計大有好處。6G提供的高速通信鏈路能快速和可靠地在不同感知終端之間分享地圖和位置信息，這對感知和定位都有會有很大的幫助。

太赫茲成像技術則是通過太赫茲射線照射被測物體，通過物體的透射、反射獲得具體信息而成像，由于許多生物大分子的振動和旋轉頻率都處于太赫茲頻段，所以利用太赫茲波可以獲得豐富的生物材料信息，并且太赫茲時域頻譜信噪比很高，能以很小的衰減穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物質，使太赫茲技術非常適用于物體高精度成像。由于太赫茲能量很小，不會對物體產生破壞作用，所以與X射線相比更為安全可靠。

6G終端利用太赫茲信號的特性，加上終端上其它類型傳感器以及人工智能算法的加持，將會成為非常好的感知終端，催生極為豐富的應用。

1.3 普遍支持端側人工智能

終端的智能化升級是一個必然趨勢。6G時代，終端將普遍支持端側推斷，而高端一點的終端將支持端側訓練，同時，終端將擁有一定的自主決策自主行動能力。

聯邦學習技術，利用終端進行分布式訓練，數據不出終端，有利于隱私保護，同時，可有效解決人工智能模型訓練數據量不足的問題，將會得到極大的應用和普及。強化學習技術，能提升終端的自主性決策能力，讓終端按照算法要求對外部變化作出自動化的反應，具有更大的能動性。出于用戶對于安全的顧慮，終端的自主決策和行動算法的更大范圍的應用和普及需要依賴于可解釋AI的發展。

終端將成為一個智能體（Agent），智能體之間可以相互發現，并組成自組織網絡。

隨著人工智能終端的發展，終端的隱私和安全保護問題也將日益突出，除了要進行相關法律法規的制定和監管制度的建立之外，急需探討建立有效的技術手段和技術框架來保障用戶的隱私和安全。

1.4 和邊云高效協同

6G的KPI實現，將依賴于端邊云資源的協同和共享，包括更低的時延、更高的安全性、更好的隱私保護等。

端側計算具有最小的時延，最好的隱私保護；云端計算具有最大的算力，最好的軟硬件解耦特性和最好的跨平臺特性。要實現端邊云的有效協同，最直觀的要求是部署的軟件（應用）能在云、邊緣和終端上按需流動。支撐應用在云、邊和終端上按需流動的技術是解決端邊云協同問題的關鍵。終端的虛擬化，實現應用和終端硬件的解耦，是解決這個問題的第一步；其次，決定應用在云邊和終端上部署的比重的決策，涉及終端自身計算和存儲資源、當下網絡負載以及無線環境等多個因素，需要人工智能算法作支撐。6G應內置這樣的算法，通過涵蓋通信底層和應用層的網絡機制來支持端邊云協同。

1.5 廣泛支持D2D

終端直連（D2D）能實現終端間的直接通信，能實現資源的動態共享，降低網絡的負載， 輔助提升網絡的容量和覆蓋，是6G時代非常重要的連接方式。

6G的目標是實現空天地海的立體通信，為了保證通信的實時性，像空中的飛機和飛機之間的直接通信，海上的輪船之間的直接通信，都是有重要需求的場景。對于地面通信，6G由于使用更高的頻段，空間損耗更大，導致更短的蜂窩半徑、更密集的網絡，干擾更加嚴重，切換更加頻繁，手機耗電也更多，而利用D2D和NOMA，則可以緩解這些問題，并提高頻譜效率。

實際上，數量巨大廣泛分布的終端擁有大量的計算、存儲和帶寬資源，如果能夠突破現有的網絡范式，把這些資源加以挖掘利用，將其作為網絡基礎設施的一部分，將會帶來巨大的價值：一方面，可以輔助提升網絡的覆蓋和容量，另一方面，將創造更多新的業務形態和機會[3]。

2 6G終端的變革可帶來的創新突破

2.1 突破香農極限

根據香農定理C=Blog2(1+S/N)=Blog2(1+S/Bn0)，信道容量C和信道帶寬B、信號功率S以及噪聲功率N有關。若S→∞，則C→∞，但S不能無限大，一方面是功耗問題，另一方面會產生對人體有影響的電磁輻射。若B→∞，則C→1.44S/n0，n0是噪聲功率譜密度。

香農公式顯示出理論上可達到的最大值。然而在實際應用中能夠達到的速率要低得多。其中一個原因是該公式假定噪聲為白噪聲，沒有考慮沖激噪聲，也沒有考慮衰減和時延失真。即使在理想白噪聲情況下，因為編碼的原因（如編碼長度和復雜性等），目前的技術仍然無法達到香農極限。

根據香農定理，假設信息以速度R傳送，如果R＜C，那么就存在一種編碼技術使接收端收到的錯誤達到任意小的數值。這意味著理論上，有可能無錯誤地傳送信息直到達到速度限制C。

反過來同樣重要。如果R＞C，那么想達到任意小的錯誤率是不可能實現的。因此，在傳送速度超過信道容量的時候，可靠傳輸信息是不能被保證的。

但以上都基于通信的終端是沒有智能的被動的節點的這一假設。當6G終端都是智能節點的時候，就可以在即使數據傳輸有失真的情況下，通過智能節點的處理，實現語義的正確傳遞。就好比外國人跟native speaker交流時，語法可能是錯誤，句子可能是不完整的，native speaker仍然能夠聽得懂、理解其意思，仍然能夠正常交流一樣。這里外國人說的話就好比通信導致的信號失真，而native speaker就好比擁有智能的通信節點。

香農定理保證傳輸的每一個比特都正確，但是現實生活中，真正關心的是收到的比特能否正確解析出要傳遞的意思，或者是否足以完成某一特定目標。將知識表示、推理工具和機器學習算法相結合，建立語義學習策略，能使通信端點具有更好的信息解析能力[4]。因此，當通信終端擁有智能時，可以實現對失真信號解析，并還原其真實的意圖，于是對通信可以放寬要求為實現信息（意思、意圖）的正確傳遞而非比特的正確傳遞，借助于這個，信道容量就可以突破香農極限。

2.2 精確定位下通信資源的精準分配，提升資源使用效率和網絡性能

利用太赫茲，可以實現室外的厘米級的高精度的定位。太赫茲基站通過大規模的天線陣列，可以實現對周圍環境的精確探測和感知，建立周圍環境的三維地圖。當基站收到終端發射的上行導頻信號，就能夠根據AoA和ToA，結合前面建立的三維地圖，精確地判斷終端所處的位置。這使網絡可以為低速移動的終端精準地配置網絡資源，包括高度方向性的天線、波束，頻率、帶寬和功率資源、智能反射面，邊緣計算資源等。對終端位置的高精度定位和周圍環境的精確了解，可能會改變移動通信的一些基本面，比如傳輸模型、信道估計[5]等，甚至是調制方式和多址接入方式等，至少可以極大地降低基站的能耗。

另一方面，利用端側數據訓練，終端能感知本地信道模型、話務模型、運動軌跡，能了解用戶的行為，以及預測網絡的狀態。利用端側人工智能來協助網絡優化和自動化技術，能實現動態地感知本地網絡環境，動態進行網絡狀態預測，主動配置，有效率地優化調整網絡參數以適應不同網絡應用的要求，并能協助網絡實現故障情況下的自愈[6]。

2.3 6G終端作為移動的（中繼/網關+邊緣計算）混合節點，傳統網絡承擔的任務可以卸載一部分到終端上

對于網絡覆蓋不到的地方的終端，可以借助其他終端作為中繼，通過一跳或多跳，最終到達網絡覆蓋區內，通過這種方式來實現通信的正常化開展。利用終端的廣泛分布的特性，可以很好地彌補網絡覆蓋不足的問題。特別是對于6G，由于太赫茲高頻網絡的特性，這種需求就特別突出。通過終端的中繼作用，可以讓更多的終端享受到高頻段大帶寬通信的好處，享受更高的數據速率，同時，也極大地提升了網絡的頻譜效率和網絡容量。

除此之外，終端還可以作為移動的邊緣計算節點，為其他終端提供邊緣計算資源、存儲資源、感知資源，甚至包括數據資源、人工智能算法模型資源。可以利用終端形成自組織的網絡，執行特殊任務的處理，包括完成人工智能模型的推斷甚至是訓練。終端可以和云邊協同，云邊端構成三級計算體系，分別承擔不同計算復雜度和時延要求的任務。終端還可以作為提供CDN熱點信息存儲的節點，加速信息的獲取和內容的分發速度。

2.4 驅動網絡架構的變革

（1）無線網

6G終端具有更好的無線感知、場景感知、現實感知和用戶的意圖感知能力，終端作為一個智能體，可以主動進行所需通信網絡資源的識別、選擇、協商和聚合，圍繞要執行的任務，選擇最佳的網絡資源。

終端和網絡之間不再是固定的綁定的關系，可以實現終端對網絡的靈活選擇，實現終端和網絡的解耦。

終端可以通過在PHY層進行頻譜分析，明確未被使用的頻譜。可采用的方式有兩類，一類是對終端接收機接收到的環境信號中的調制方式進行自動識別，以此判定周圍環境中存在的通信制式和發射機種類。另一類是對環境信號中振幅/相位的不同特征、時域正交特性等進行分類識別，從而進行周圍環境中存在的干擾的相關判定[7]。

在MAC層，可通過識別環境信號中的MAC信息，進一步了解資源占用的時間信息，有利于終端更精準地選擇可使用的頻段，最大限度地規避干擾。在MAC層還可以進行頻譜預測，了解無線信道的空閑概率和空閑時間，從而選擇一個最好的無線信道進行傳輸，減少傳輸碰撞，提升資源共享效率。

從移動通信代際發展來看，自IMT-Advanced開始，采用分布式方案，把RRM的監控和決策實體下放到網絡的各個節點上（包括終端），以減小信令的信息交換量和傳輸時延。所以在網絡層，終端一方面可以接收網絡的指令對終端的參數/設置進行優化，以適應環境的變化和應用的QoS要求，另一方面，終端也可以通過自己的智能分析和預測，把通信參數優化的要求提給網絡端，主動影響網絡，來達到通信性能提升的目的。

（2）核心網

移動通信的核心網的技術和形態一直在演進，但功能一直以來沒有太大的變化，主要是實現會話接續、流量疏導和業務連續性等。隨著人工智能技術的發展和應用的普及，計算資源成為數字化基礎設施非常重要的一部分，如何進行計算資源的識別和統一管理，如何實現對計算資源的靈活分配和調度，急需建立起相應的管理框架。

6G需要把云網邊端的計算資源綜合利用起來，需要探討通過統一的資源管理機制對云網邊端的計算資源、通信資源、感知資源進行綜合管理和調度。我們認為，要能充分實現好云網邊端的協同和資源共享，需要有一個聯系云網邊端的操作系統，這個操作系統管理云網邊端的硬件資源，提供統一的硬件抽象，屏蔽底層的差異。通過這個操作系統，把網絡中不同節點的通信資源、計算資源、存儲資源、感知資源統籌管理起來，并實現以Serverless的方式支持應用開發者開發上層應用。

基于這樣的操作系統，可以實現伴隨終端的移動，將蜂窩網絡的切換（通信資源）和邊緣計算服務器的切換（計算資源）有機協同起來。也可以更好地實現網絡切片服務，這個切片可以做到不光涵蓋了云邊計算資源、核心網資源、無線網資源，還涵蓋了終端能提供的計算資源、存儲資源、感知資源等。

云網操作系統，把通信、計算、存儲、感知資源統籌了起來，解決了當前通信網絡和計算網絡是兩張網的問題，解決了算力網絡這個概念想要解決的根本問題，規避了算力網絡需要遷就現有網絡實現算力信息傳遞的困擾。

（3）業務提供

對于業務的提供，傳統網絡是基于C/S或B/S的模式，終端上只是一個瘦客戶端或瀏覽器，業務的主體在服務器端，由于RTT的原因導致實時性要求高的業務難以實現。用戶數據通常需要上傳到服務器端處理，也造成了隱私保護方面的風險。

6G時代，相較于傳統網絡業務在終端和服務器間的分割是靜態的模式，業務應用將會在端邊云合理分割，首先會盡可能將涉及原始數據的處理保留在終端上，以保護用戶的隱私，在此基礎上將根據終端能力的大小、業務應用的實時性要求、網絡的狀況等確定業務應用中不涉及隱私處理的部分在端邊云之間的分割和部署。對于時延敏感的應用，業務應用將會被分布式地部署在鄰近的邊緣節點或終端上。應用的宿主終端，作為一個智能Agent，將根據帶寬、時延、代價等，策略地選擇需要接入的業務資源。

3 下一代終端——主動式終端

通過對6G終端的研究判斷，可以看出6G終端將不同于之前幾代的終端，在和網絡的相對關系中也將發生根本性的變化，因此，有必要針對這種新類型的終端定義一個新的名稱——主動式終端。

主動式終端具有如下的幾點特征：

（1）擁有一定的智能；

（2）擁有主動感知的能力；

（3）不只是被動接受網絡控制，而是能對網絡施加積極的影響，甚至是作為網絡基礎設施的一部分；

（4）能和云網邊有效協同；

（5）能和其它主動式終端對等通信，能夠根據任務要求形成自組織網絡，完成復雜的計算、通信、感知任務。

主動式終端是針對網絡和終端的關系而言的，主動式終端改變了傳統的終端和網絡的關系，改變了終端和網絡的交互方式和程度。終端和網絡將在更大程度上成為對等的節點，網絡也相應地變得更加扁平和靈活。對等關系體現在三方面：一方面，終端和網絡解耦，終端可以對接入的網絡資源作出選擇。第二，終端可以主動讓網絡根據終端的要求進行配置。終端具有更好的無線感知、場景感知、現實感知和用戶的意圖感知，通過終端主動和網絡交互，讓網絡根據終端的要求進行針對性和適應性的資源配置，可以讓網絡為每一個終端提供合適的資源切片。第三，網絡可以根據需要調度終端的資源。終端的計算資源、存儲資源和感知資源，甚至是人工智能模型等智能資源，也能被作為網絡基礎設施的一部分，按需進行服務的提供。

主動式終端將會逐步成為主流的終端形態。

4 結束語

6G時代，終端將發揮更重要的作用，將朝著主動式終端的方向深化發展。眾多終端以及網絡的邊緣節點，將構成動態的、自組織的、智能的邊緣網絡，為用戶提供豐富的、低時延的、智能化和個性化的服務，將顛覆現有的網絡范式及應用的客戶端-服務器范式。

在終端變革的作用下，將使能更加扁平、更加彈性的網絡架構，使能分布式的計算環境，從而實現6G全新一代更加靈活、高效和智能的網絡組織形態的建立，對整個信息社會將產生深遠的影響。