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文丨學(xué)術(shù)頭條，編審丨王新凱
近日，由東南大學(xué)尤肖虎教授領(lǐng)銜，王承祥教授組織起草，聯(lián)合國內(nèi)外 24 家科研院校及企業(yè)的 50 位業(yè)內(nèi)專家，針對 6G 最新進展及未來發(fā)展趨勢撰寫了一篇長達 70 多頁的綜述 “Towards 6G wireless communication networks: vision, enabling technologies, and new paradigm shifts”，文章發(fā)表在 Science China Information Sciences 2021 年第 1 期。
文章從 6G 性能指標、應(yīng)用場景、垂直行業(yè)應(yīng)用、使能技術(shù)、新的范式轉(zhuǎn)換等方面對 6G 研發(fā)的最新進展以及未來的發(fā)展趨勢進行了全面的綜述。
面對未來網(wǎng)絡(luò)需求的不斷增強，5G 網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸速率、接入密度等方面面臨新的技術(shù)瓶頸，而6G 的發(fā)展或?qū)⑼黄七@些技術(shù)壁壘，提供更加快速更加深遠的通信服務(wù)，并最終消除現(xiàn)實世界和網(wǎng)絡(luò)世界的界限。
從 5G 到 6G
2019 年 11 月 1 日，隨著三大運營商 5G 套餐的上線，標志著國內(nèi)第五代（5G）無線通信網(wǎng)絡(luò)正式進入商用。2020 年以來，5G 網(wǎng)絡(luò)開始在世界范圍內(nèi)部署，大規(guī)模連接、高可靠性、保證低延遲等各項關(guān)鍵技術(shù)逐步走向標準化，一個萬物互聯(lián)、人機交互的新時代正在加速到來。
與第一代到第四代無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，5G 網(wǎng)絡(luò)擁有傳輸速率快、低時延、高容量等優(yōu)勢。但隨著車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療等新業(yè)務(wù)類型和需求的發(fā)展，5G 網(wǎng)絡(luò)顯然無法滿足 2030 年及未來的網(wǎng)絡(luò)需求，研究人員已經(jīng)現(xiàn)在開始關(guān)注第六代（6G）無線通信網(wǎng)絡(luò)。
多樣化的通信場景必將對未來網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)程度提出更大需求，對無線通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和容量方面提出更高需求，6G 網(wǎng)絡(luò)將借助人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）、體驗質(zhì)量（QoE）、安全性和能源效率等性能上，實現(xiàn)自動提升。
6G 無線通信網(wǎng)絡(luò)有望提供更高的頻譜、能量、成本效率、更高傳輸速率、更低傳輸時延、超大連接密度、更高的智能化水平、亞厘米級的地理定位精度、接近 100% 的覆蓋率和亞毫秒級的時間同步。
網(wǎng)絡(luò)通信正在經(jīng)歷著與 80 年代計算機產(chǎn)業(yè)相似的巨大變化，網(wǎng)絡(luò)軟件化逐步成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新趨勢，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件供應(yīng)鏈的多樣化，并推動網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�能夠支持新興物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)科學(xué)應(yīng)用的高能力平臺。而 6G 的發(fā)展，為推動網(wǎng)絡(luò)軟件化提供了一種新的計算范式，同時不增加能耗成本。
相較于 5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能 eMBB，mMTC 和 uRLLC 等指標，6G 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了性能的進一步增強，并在應(yīng)用場景實現(xiàn)擴展。
2019 年 3 月，美國貝爾實驗室提出了一些 6G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標。其中提到，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯殿A(yù)計將超過 100 Gbps，連接密度達到 107 個設(shè)備 /km2，時延應(yīng)小于 0.3 毫秒，能源效率將是 5G 的 10 倍，容量將達到 5G 系統(tǒng)的 10000 倍。
圖 | 5G 和 6G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標和應(yīng)用場景的比較
通過應(yīng)用 AI 技術(shù)，6G 網(wǎng)絡(luò)將可以實現(xiàn)更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)管理和自動化水平，由于使用了極為異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)、多樣化的通信場景、大量的天線和較寬的帶寬，6G 網(wǎng)絡(luò)的連接密度將增加 10100 倍。
圖 | 6G 通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景
為了滿足 6G 網(wǎng)絡(luò)即將出現(xiàn)的帶寬、時延、可靠性以及應(yīng)用程序所設(shè)置的彈性需求，下一階段網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模設(shè)計將是重點研究內(nèi)容。
2018 年 7 月 16 日，國際電信聯(lián)盟（ITU）成立 ITU-T 2030 網(wǎng)絡(luò)焦點組技術(shù)研究組（FG NET-2030），致力于研究 2030 年及以后的網(wǎng)絡(luò)能力，以支持未來如全息通信等新穎的前瞻性場景，滿足在緊急情況下可以快速地響應(yīng)新興市場和垂直領(lǐng)域的高精度通信需求。
未來的 6G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，將支持更加廣泛的應(yīng)用場景，實現(xiàn)安全可靠的穿戴設(shè)備、集成耳機、可植入傳感器等以人為本的服務(wù)，支持更遠距離的高速移動、極低功耗的通信，為 VR、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)自動化、C-V2X、數(shù)字雙體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、節(jié)能無線網(wǎng)絡(luò)控制和聯(lián)合學(xué)習(xí)系統(tǒng)等方面的發(fā)展，提供更加可靠的網(wǎng)絡(luò)支撐。
圖 | 協(xié)助管理疫情的數(shù)字孿生局域網(wǎng)示意圖
數(shù)字孿生局域網(wǎng)利用 6G 和 ICT 技術(shù)，可以模擬虛擬人體，實施全天候跟蹤人體體征，提前預(yù)測疾病，還可以模擬虛擬人體的手術(shù)和用藥，利用虛擬人體預(yù)測效果，加速藥物研發(fā)，降低成本，從而提高人類的生活質(zhì)量。
覆蓋全球：“太空-空中-地面-海洋” 一體化網(wǎng)絡(luò)
為了實現(xiàn) 6G 網(wǎng)絡(luò)更優(yōu)的性能指標，擴展更加廣泛的應(yīng)用場景，6G 網(wǎng)絡(luò)將在當(dāng)前 5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)上，發(fā)生四個新的模式轉(zhuǎn)變：
覆蓋全球（global coverage），利用衛(wèi)星通信、無人機通信、地面通信和海上通信，實現(xiàn) “太空-空中-地面-海洋” 一體化網(wǎng)絡(luò)。
全頻譜（all spectra），所有頻譜將得到充分探索，包括 6 GHz 以下、毫米波、太赫茲和光學(xué)頻帶。
完整應(yīng)用程序（full applications），將與通信、計算、控制 / 緩存和 AI 技術(shù)相結(jié)合，以實現(xiàn)更高的智能性。
內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)安全性（endogenous network security），開發(fā)物理層和網(wǎng)絡(luò)層的 6G 網(wǎng)絡(luò)時，還將考慮內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)安全性。
當(dāng)前，一些研究已經(jīng)初步嘗試對不同網(wǎng)絡(luò)的集成，但尚未充分研究用于全球覆蓋的 “ 太空-空中-地面-海洋 ” 綜合集成方法。
人們普遍認識到，由于 5G 地面通信網(wǎng)絡(luò)受無線電頻譜、服務(wù)地理區(qū)域覆蓋范圍和運營成本的限制，無法覆蓋在所有地方不分時段地提供高質(zhì)量和高可靠性的服務(wù)，尤其是對于偏遠地區(qū)即將到來的萬億級連接。
為了在全球范圍內(nèi)提供真正無所不在的無線通信服務(wù)，必須開發(fā)一種 “太空-空中-地面-海洋 ” 一體化網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)全球連通性，并允許各種應(yīng)用程序訪問，尤其是在偏遠地區(qū)。
圖 | “太空-空中-地面-海洋” 網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)
為了有效地將具有不同規(guī)模的各種網(wǎng)段和多樣化的無線電接入技術(shù)有效地整合到 “太空-空中-地面-海洋” 網(wǎng)絡(luò)，6G 仍存在著許多挑戰(zhàn)和機遇，需要進一步研究。
全面應(yīng)用：具有更高的智能化水平
人工智能和 ML 技術(shù)的快速發(fā)展，6G 網(wǎng)絡(luò)有望具有更高的智能化水平。人工智能和 ML 方法可以從海量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)特征，而不是從預(yù)先建立的固定規(guī)則中學(xué)習(xí)特征，從而極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的效率和延遲。
下一代無線網(wǎng)絡(luò)必將向復(fù)雜系統(tǒng)方向發(fā)展，面對不同的應(yīng)用場景，對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求也會不同，因此，也就對于網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的自適應(yīng)性和智能化水平提出了更高的要求。
人工智能可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)流量、資源利用、用戶需求和潛在威脅的變化等功能，并提供智能協(xié)調(diào)，而機器學(xué)習(xí)方法也可用于優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)的物理層，可以用來重新設(shè)計當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
目前，以深度學(xué)習(xí)和知識圖譜為代表的人工智能技術(shù)正在迅速發(fā)展，通過將人工智能技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò)，將對網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)用戶、服務(wù)和環(huán)境的多維主客觀要素進行表征、構(gòu)建、學(xué)習(xí)、應(yīng)用、更新和反潰在獲取知識的基礎(chǔ)上，還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的立體感知、決策推理和動態(tài)調(diào)整。
圖 | 智能 - 內(nèi)生性網(wǎng)絡(luò)的自演化閉環(huán)結(jié)構(gòu)
因此，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)我們想要的任何服務(wù)需求自動進行調(diào)整，研究人員將這樣的網(wǎng)絡(luò)稱為 IEN，即自進化的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
概括而言，這篇綜述文章指出了當(dāng)前 5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)的局限性，并提出了 6G 無線通信網(wǎng)絡(luò)的愿景、使能技術(shù)、四個新的范式轉(zhuǎn)換以及未來的研究方向。同時，引入了 6G 的新性能指標和應(yīng)用場景，給出 6G 無線通信網(wǎng)絡(luò)在垂直行業(yè)的應(yīng)用場景，面對未來網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，為實現(xiàn)完全集成的 6G 網(wǎng)絡(luò)提出建議。
參考資料：
