面向物聯網應用的6G 技術*

苗彥濤，武 強，徐錦亮，李彥琛，王 耀

（1.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.中國人民解放軍61660 部隊，北京 100841）

0 引言

近年來，物聯網（Internet of Things，IoT）相關技術日趨成熟，物聯網系統應用呈現出爆發式增長的趨勢。從個人穿戴、車聯網智慧交通系統、醫療服務到金融行業等各行各業都有物聯網及其垂直行業應用的身影[1]。因此，IoT 網絡的相關研究和應用越來越受到學術界和工業界的青睞，IoT 網絡勢必在未來的信息與通信技術中扮演不可或缺的角色。雖然5G 技術目前也得到了快速發展，商用規模不斷擴大，但是隨著智能化設備數量的井噴式增長和IoT 網絡的快速擴展，5G 相關技術指標已經不能完全滿足IoT 網絡持續增長的技術標準要求，例如自動化控制、超大型規模集成化、高動態和全智能化服務等領域的要求[2]。在不久的將來，快速增長的自動化和智能化IoT 網絡的性能需求很有可能超過5G 無線網絡的最大承載量。與此同時，新型IoT 服務和應用的出現，例如遠程機器人手術、載人飛行器、無人機農業等，需要持續增長的服務質量和規模化的商業應用，也為當前的5G 技術帶來了巨大挑戰。

隨著我國在基礎信息網絡層面的不斷強化投入，移動通信技術也取得了長足進步。尤其在5G時代，我國率先布局，在多項關鍵技術上取得了重要突破，已經初步建成了全球最大規模的5G 移動通信網絡。在5G 落后于我國的日本、韓國、美國、芬蘭等國對6G 技術格外重視，希望能夠借助6G 實現技術反超。尤其是美國，目前已經在6G 技術創新方面進行了提前布局，并占據了軌道位置、衛星位置、衛星頻率等有限通信資源，這會讓其在6G 技術的大國博弈中更有優勢[3]。因此，我國絕不能掉以輕心，針對6G 技術的研究工作可能為我國提供一種快速發展的技術途徑。盡管當前我國關于6G 技術的研究課題很多，但是總體來說，關于6G的技術研究仍處于探索起步階段，技術路線尚不明確，關鍵指標和應用場景還未有統一的定義，尤其是面向IoT 應用的6G 技術研究更是少之又少。在已公開的論文和課題研究中，針對車聯網、自動駕駛、星聯網應用等方面的研究仍然比較匱乏。

基于上述背景，筆者展開了面向IoT 應用的6G技術研究工作。6G 及其相關技術由于可以提供“無處不在的無線智能”服務，受到越來越多的科研機構和科研人員的熱切關注[4]。對比5G 技術，6G 技術具備超低時延通信、超高吞吐量、基于衛星的用戶服務、大規模自動化網絡等非凡特性[2]。毫無疑問，這些特性將加速IoT 網絡在數據感知、設備連接、無線通信、網絡管理等領域的應用部署，并為用戶提供非同尋常的全新服務體驗。因此，本文從6G 的技術應用特點出發，以促使IoT 網絡能夠更好地發展為目的，對邊緣智能、海陸空天一體化通信以及區塊鏈這3 種能夠促進IoT 網絡發展的6G 候選技術應用進行了研究介紹。

1 6G 技術應用

1.1 6G 的定義

6G 技術，即第六代移動通信技術，當前屬于一個概念性的無線網絡移動通信技術。與5G 技術相比，6G 網絡將是一個地面無線與衛星通信集成的全連接世界。通過將衛星通信整合到6G 移動通信，可以實現全球無縫覆蓋。6G 網絡信號能夠抵達任何一個偏遠的鄉村，讓身處山區的病人能夠接受遠程醫療，讓孩子接受遠程教育。

此外，在全球衛星定位系統、電信衛星系統、地球圖像衛星系統和6G 地面網絡的聯動支持下，海陸空天全覆蓋網絡還能幫助人類預測天氣、快速應對自然災害等。6G 通信技術將不再是簡單的網絡容量和傳輸速率的突破，更是縮小數字鴻溝，實現萬物互聯這一“終極目標”的關鍵因素。

對比5G 技術，6G 的數據傳輸速率可能達到5G 的50 倍，時延縮短到5G 的十分之一，在峰值速率、時延、流量密度、連接數密度、移動性、頻譜利用效率、定位能力等方面遠優于5G 技術。

1.2 6G 的優勢

盡管5G 技術已經被證明可以提升服務質量（Quality-of-Service，QoS），但是5G 的技術指標將無法滿足2030 年及以后IoT 服務的技術需求。面向IoT 應用的無線通信技術演進過程如圖1 所示。同時，由于近年來視頻應用、視頻分辨率，以及機器互聯（machine-to-machnie，M2M）通信的流行推廣，移動流量將呈指數型增長趨勢。

圖1 面向IoT 應用的無線通信技術演進

據研究表明，對比2020 年每月62 EB 全球移動流量數據，在2030 年，該數據將達到5 016 EB。當前，視頻流量在所有移動流量的占比已經達到了2/3，且每年呈持續增長的趨勢[2]。6G 在面向IoT 的應用上，許多性能指標上強于5G，兩者的性能指標對比如表1 所示[2]。

表1 5G 技術與6G 技術性能對比

總的來說，6G 在IoT 網絡的應用方面，主要在以下4 個方面體現了突出的技術優勢：

（1）高達1 Tbit/s 的高數據速率，可以同時滿足大規模IoT 網絡連接在無縫移動性、頻譜有效性以及移動流量等方面的需求。

（2）高達1 Gbit/s/m2的移動流量密度，可滿足高吞吐量需求和IoT 設備部署密度的應用需求。

（3）極高的設備連接密度，可達到107個/km2，滿足大規模IoT 網絡設備的部署要求。

（4）低時延可達10～100 μs，完全滿足觸覺應用需求，例如自動駕駛、遠程手術等。

2 邊緣智能

2.1 邊緣智能技術

在智能6G 系統時代，由于邊緣節點強大的計算能力，人工智能（Artificial Intelligence，AI）應用趨向于向網絡邊界發展[5]。在此背景下，邊緣智能技術應運而生，被認為是AI、通信以及邊緣計算等技術的交叉融合[6-7]。具體來說，邊緣智能是指終端智能，它是融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，并提供邊緣智能服務，滿足行業數字化在敏捷連接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求[8]。

邊緣智能的資源主要包括從終端到云計算中心傳輸路徑上的所有計算和網絡設備，因此能夠為數據源側單元進行收集、分析和決策任務。相比于傳統應用，未來云計算中心的存儲、計算、智能資源將下沉到網絡邊緣側，進而推動智能應用從云端向邊緣持續演進。邊緣智能技術有望滿足基于IoT 場景的多項智能應用的實時響應、智能應用、敏捷感知、隱私保護、數據海量且異構等多方面的關鍵需求。

2.2 面向IoT 應用的邊緣智能技術

邊緣智能技術是IoT 設備實現復雜、友好以及安全應用的基礎，應用邊緣智能的IoT 設備將打開人機交互的新局面。面向IoT 應用的邊緣智能技術的應用優勢主要體現在以下兩個方面[2]。

（1）更好的交互體驗。人類的大部分交流不僅僅是通過語言來傳遞，語調、面部表情、手勢等非語言交流方式也是人類用來交流或者理解對方的一些其他表現形式。在IoT 設備中應用智能邊緣技術，將使這些信號能夠更加高效地傳送給用戶，并進一步形成更好的交互體驗。

（2）提升安全性。邊緣智能技術通過對IoT應用中的智能家居進行深度學習和訓練，來識別危險信號，比如警報聲、人員突然摔倒、玻璃破裂，以及水龍頭滴水等場景。同時，邊緣智能技術可以隨時感知設備問題發生的情況，并向使用者提供及時告警服務，促使使用者能夠做出相應反應。

與此同時，在面向IoT 應用的6G 邊緣智能技術領域，近年來已經出現了一些研究成果。例如，文獻[9]提出了一種分布式的6G 云邊協同計算架構，設計了一種基于雅可比交替方向乘子法的云邊協同計算任務的近似調度算法，將云邊協同計算任務的調度問題建模為綜合考慮時延、能耗、帶寬成本及服務質量損失等因素的系統開銷最小化問題，并通過高效的分布式并行計算方式進行了求解。仿真實驗結果表明，該算法可以在保障用戶服務質量的同時，提高收斂速度和執行效率，降低網絡運營成本的相關開銷。文獻[10]對面向IoT 網絡中的6G 技術應用進行了展望，尤其是對邊緣智能技術在自動駕駛領域的應用前景進行了研究，指出邊緣智能技術是動態頻譜接入的關鍵技術。研究結果表明，該技術能夠為街上的車輛、路側單元、路側平臺邊緣設備等提供快速可靠的人工智能數據處理服務。文獻[11]提出，對于無處不在的邊緣設備，可以利用基于大數據分析的人工智能技術提供大規模的邊緣智能服務。研究實驗數據表明，基于6G 的大數據分析通過利用大規模的超高可靠與低時延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communication，URLLC）和海陸空天一體化技術，能夠明顯提升大規模的數據傳輸能力和數據計算速率。

3 海陸空天一體化通信

3.1 海陸空天一體化通信

6G 在5G 的基礎上，將陸地移動通信網擴展至天空，構建了一個天地互聯、陸海空一體、全空間覆蓋的超帶寬移動通信系統，該系統融合了衛星通信網絡、無人機通信網絡、陸基超密集網絡、水下通信網絡、海洋通信網絡等異構通信網絡。

海陸空天一體化通信利用全時空信息的持續支撐特性，可以為陸基、海基、空基、天基等各類用戶提供全球隨意接入、信息安全可靠服務的能力，是我國避免受制于人，實現網絡強國的重要網絡基礎設施之一。

3.2 海陸空天通信網絡架構及其相關應用

文獻[12]提出了一種面向IoT 應用的海陸空天一體化通信網絡架構，該架構主要包括空間通信層、大氣通信層、陸地通信層以及水下通信層[12]，共4 層。

（1）空間通信層。空間層利用近軌軌道、中軌軌道以及地球同步軌道，實現無線通信全覆蓋。空間通信技術可以在不同的空間或海拔中進行應用，以此來滿足高吞吐量的空間網絡進行星地通信的應用需求。

（2）大氣通信層。無人機和熱氣球在大氣層中扮演飛行基站的角色，以此滿足大氣層覆蓋率和連接性的需求。該層可以利用6G 網絡的超高可靠和低時延特性管理受災區域，滿足公共安全網絡需求以及緊急情況下的應用需求。無人機也可切換為天線用戶接入陸地基站，構建直接的空地鏈路，用于合作感知和數據傳輸。

（3）陸地通信層。物理基站、移動設備以及計算中心通過互聯實現無線覆蓋和連接。在基于IoT 的6G 技術應用中，太赫茲頻段將被開發利用，從而實現頻譜效率和通信速率的有效提升，尤其是在百萬級用戶的超高密度異構網絡中將會有廣泛應用前景。

（4）水下通信層。該層為水下IoT 設備提供連接服務，例如為遠洋和深海作業的潛水艇提供連接服務。同時，該層提供水下IoT 設備和控制中心之間的雙向通信，用于雙方的相互連接。

當前，一些研究已經表明，海陸空天一體化通信因其具有便捷性，在面向IoT 的6G 技術應用中已經顯現出較為廣闊的應用前景。例如，文獻[13]提出了一種基于低軌道地球衛星（Low Earth Orbit，LEO）通信的多用戶衛星IoT 系統。在該系統中，移動邊緣計算服務器與全雙工的接入點通過協作的模式建立衛星鏈路，以此提升關鍵任務中IoT 應用的通信時延性能。此外，在衛星向路基終端提供廣泛的區域網絡連接的應用場景中，文獻[13]將同步無線信息和功率轉換（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT）技 術 與 混合能量存儲方法進行了有機結合，提出了一種星地通信模型，以此最大化IoT 終端的CPU 頻率、計算任務以及終端發射功率等方面的理想速率。文獻[14]在無線6G 通信場景中提出了一種通過無人機（Unmanned Aerial Vehicles，UAV）進行萬物互聯的方法，該方法可以支持不同的數據傳輸方案應用于IoT 數據感知、緊急搜索與監測、視頻數據流等領域的IoT 應用。

4 區塊鏈

4.1 區塊鏈技術體系

當前的中心化網絡面臨著數據中心的高額維護成本等在內的諸多瓶頸，并不能適應萬物互聯的場景。因此，在面向IoT 應用的6G 系統中，可以通過區塊鏈構建“去中心化”網絡架構，解決IoT 網絡中設備的安全和隱私問題。

具體來說，區塊鏈作為一種技術體系，由歸屬權各異的分布式數據庫組成，并按照時間順序，將數據區塊以鏈式結構進行組織，同時應用密碼學算法來確保區塊鏈上數據及行為記錄的公開、安全、可追溯且不可篡改性。同時，區塊鏈的共識機制可以用于交易驗證，防范惡意攻擊、篡改，減少網絡攻擊、惡意節點的欺騙和來自外部環境的攻擊。

4.2 面向IoT 應用的6G 區塊鏈

總的來說，面向IoT 應用的6G 區塊鏈可分為公有鏈和私有鏈[2]。公有鏈是指允許世界上任何人都可以讀取、發送交易且能獲得有效確認的，也可以參與其共識過程的區塊鏈。最廣為人知的公有鏈的應用是比特幣和以太坊。私有鏈是對單獨個人或組織開放的區塊鏈系統，即由一個組織機構控制該系統的寫入權限和讀取權限。私有鏈的應用場景一般包括兩方面，一是進行公有鏈的區塊鏈功能驗證，二是企業內部的審計管理。

由于區塊鏈具備去中心化、可追溯、可靠性高、不可篡改等特性，區塊鏈技術體系在面向IoT 的6G生態系統中的安全性和私有性方面將會有著非常廣泛的應用場景。例如，文獻[15]在基于IoT 的6G通信環境中，利用區塊鏈去中心化和不可篡改的特征構建了一種可靠資源接入控制和保護用戶私有性的網絡安全接入體制。在6G 無人機應用方面，文獻[16]基于區塊鏈技術體系構建了一種安全自動化系統。在該系統中，無人機擔任區塊鏈用戶與地面基站通信載體的角色。此外，無人機、地面用戶以及網絡操作者均可利用總賬中的可信數據，以此實現數據的安全交換和共享，并提升任務完成效率。在6G智能健康應用方面，文獻[17]提出了基于IoT 的6G康復系統，該系統可以利用區塊鏈技術體系構建沒有第三方介入的信任體系，以此來降低康復費用。

5 結語

簡單的IoT 連接時代即將謝幕，未來復雜的IoT 網絡將通過6G 技術進行構建，以此構建智能與泛在連接的人類共同體。

首先，本文提出了當前IoT 網絡的應用需求和面向IoT 應用的6G 技術的研究意義；其次，介紹了面向IoT 應用的6G 技術的應用技術優勢；最后，著重討論了在IoT 應用中比較有應用前景的邊緣智能技術、海陸空天一體化通信以及區塊鏈技術體系3 項6G 候選技術。

總的來說，當前面向IoT 網絡的6G 技術的研究比較匱乏，相關技術體制和技術手段不夠成熟，整體研究仍然處于初始探索階段。但是不可否認的是，6G 技術在未來IoT 網絡的應用和發展中將起到至關重要的作用。筆者相信研究者將緊跟信息化的前沿發展，攻堅克難，持續創新，以此加快我國面向IoT 應用的6G 技術的商用化和規模化發展。