6G發展和關鍵技術研究現狀

引言

隨著第五代移動通信系統(5G)進入商用階段，第六代移動通信系統(6G)的研發工作已提上日程。各國政府、大型科技企業和研發機構均高度重視6G研發，并希望在6G競爭中獲得更多的主動權[1]。在2018~2020年，歐盟先后啟動Horizon 2020研究與創新計劃，設立Hexa-X 6G研究項目。美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission，FCC)成立了Next G聯盟，并開放95GHz~3THz頻段作為實驗頻譜用于6G技術研究。此外，日本政府也在近期成立了6G技術研究會，并發布了“Beyond 5G促進戰略—6G路線圖”。韓國通信與信息科學研究院召開了6G研究論壇并組建了6G研究小組，正式啟動6G技術研究。全球主要發達國家已達成基本共識，預計6G網絡將在2030年前后正式商用。目前，6G相關標準制定工作還未開始，關鍵使能技術研究尚處于技術遴選和總體評估階段，關鍵技術路線途徑仍有待研究收斂。本文主要針對6G愿景與需求確定以及潛在關鍵技術遴選研究進行介紹。

1? 6G發展和關鍵技術研究現狀

國際電信聯盟(ITU)已啟動開展6G愿景需求及關鍵技術趨勢研究工作。2022年6月，ITU完成《未來技術趨勢研究報告》撰寫工作。作為ITU組織起草的首份面向6G無線技術發展趨勢的研究報告，內容涵蓋無線空口、先進網絡、新型融合技術等重要層面，具體包括：通信與人工智能(Artificial Intelligence，AI)融合、感知通信一體化等新型融合技術；先進調制編碼與多址接入、新型天線、全雙工通信等新型空口技術；太赫茲通信、智能超表面等新維度無線技術；以及數字孿生網絡、空天地融合網絡、超密集接入網絡等新型網絡架構等[2]。同時，ITU也在積極推進6G愿景需求研究，目前已經針對6G發展愿景、重要用例、技術發展等形成階段性共識。例如，從發展愿景看，“可持續與可信任”成為全球6G發展的共同理念。為滿足社會、經濟、環境可持續發展等需求，6G將重點關注新型綠色節能技術與能效提升技術，平衡網絡性能與能耗間制約關系，推動實現“碳達峰、碳中和”。此外，6G還將構建更具包容性的多模、跨域安全可信體系，保護數據安全與隱私安全。 從重要用例看，數字孿生與沉浸化應用將成為6G核心業務之一。全球各方普遍認為6G將通過數字化技術構建多維感知體驗，增強人、機器、環境之間的虛實交互，為娛樂、教育、醫療等帶來全新用戶體驗，為智能制造、工業生產數字化賦能。從技術發展看，通信與感知、通信與人工智能融合等多功能一體化發展的6G技術演進趨勢已達成普遍共識，通信感知融合將有效提升頻譜利用率，提升無線感知性能，服務未來通感算一體等新型無線應用；而近期發展迅速的人工智能技術也將驅動6G向自主決策、分布式協同、高效自治、彈性可靠等方向轉變，提升6G智能化服務能力。

當前6G已經成為全球主要國家重點關注的研究領域之一。歐、美、日、韓等發達國家紛紛通過制定國家戰略、設立科研項目、加大資金投入推進6G研發。美國牽頭成立Next G聯盟，在重點布局6G的可靠通信、泛在計算、存儲和感知系統之外，還更加強調了嵌入式計算能力以及AI技術對現代通信網絡的變革性作用，強調網絡彈性對未來經濟社會發展的重要性[3]。歐盟通過“地平線2020”“5GPPP”等多個重大科研項目布局6G研究，涵蓋了6G需求、典型用例、網絡架構、關鍵技術、試驗平臺等[4]。日本發布的B5G促進戰略，重點布局技術方向包括太赫茲無線通信及全光網絡技術、低功耗半導體技術、高空通信平臺與量子加密技術等[5]。韓國發布的《2021年度“5G+戰略”推進計劃》提出加強6G原材料、零部件及設備的研發，重點推進T比特每秒量級無線通信、太赫茲頻段核心技術、端到端高性能無線網絡技術等6G創新技術研發。我國與全球同步開展6G技術研究，重點布局研究方向涵蓋新型調制編碼、多址接入等空口演進技術；太赫茲通信、可見光通信等新型頻譜技術；通信感知融合、通信與AI融合等跨域融合技術；智能超表面、軌道角動量等新型傳輸技術；以及新型網絡架構、內生安全、算力網絡、分布式自治網絡等網絡架構技術。

2? 6G發展愿景

通過國內外針對6G發展和關鍵技術的研究現狀分析可以窺探出當前工業界和學術界對6G發展的愿景?？傮w來說，雖然各機構對6G愿景仍保留部分不同意見，但是總體上已達成普遍共識。相比于5G技術，6G需要有更強的連接能力和覆蓋范圍，以及6G在部署和研究時也需要考慮對各垂直業務和應用的支持。整體而言，6G愿景可以概括為“三全一強”，即全連接、全覆蓋、全應用和強安全[6]。除此之外，內生智能也是6G區別于5G的另一個重要特征。具備了這些特征，6G可以實現“數據不出域、請求就近服務”的本地化智能服務，從而在降低業務端到端時延的同時，保證用戶隱私和無線數據安全。

為了實現上述發展愿景，6G需要定義一組關鍵性能指標(Key Performance Indicator，KPI)。以基于擴展現實(Extended Reality，XR)的智能維護應用為例，為了支持XR數據流的高效傳輸，未來網絡需要T比特每秒量級的峰值傳輸速率，需求遠高于當前5G可支持的峰值傳輸速率10G比特每秒[7]。另一方面，工業物聯網場景中通常需要同時接入大量節點設備并進行數據傳輸，該場景對頻譜效率的需求超過1K比特每秒每赫茲，而當前5G網絡可支持的頻譜效率指標為30比特每秒每赫茲，仍有數量級差距[8]。此外，車聯網和工業控制等極致場景中通常需要達到微秒量級端到端時延以及99.99999%以上可靠性的需求，而5G網絡目前支持的1毫秒時延和99.9999%可靠性也與這類新需求有著明顯差距[9-10]。綜上所述，6G需要支持的KPI期望值可以歸納為TKμ，即v>T比特每秒量級的峰值數據傳輸速率、K比特每秒每赫茲量級的頻譜效率、微秒量級的通信時延。

3? 6G使能技術

為了實現上述提到的6G發展愿景，全球各國研究者已開始探索和研究諸多候選技術，包括通信與AI融合、感知通信一體化等新型融合技術；先進調制編碼與多址接入、全雙工通信等新型空口技術；內生安全網絡、空天地融合網絡等新型網絡架構技術；以及軌道角動量、智能超表面等新維度無線技術等。本節將著重從網絡架構、空口傳輸、網絡安全和智能通信等方面介紹6G關鍵使能技術。

3.1 6G網絡架構

在面向數字化時代變革與新場景新需求的雙驅動下，6G旨在為全場景、全行業、全生態提供安全可信、多維立體的智能覆蓋。作為使能6G愿景與需求的基礎研究，6G網絡架構應具備通信功能、計算功能、人工智能與大數據存儲分析等多功能融合(ICDT)、通信—安全—業務一體化、空天地立體化覆蓋等三大特征。6G網絡架構如圖1所示。

圖1 6G網絡架構圖

在ICDT方面，6G應無縫融合智能、感知、計算三大功能，實現網絡架構演進。其中，智慧內生技術將AI內嵌于網絡中，實現高質量數據感知、AI模型訓練、存儲與分發、AI模型驗證，為無所不及的泛在智能構建基礎。內嵌式智能對網絡的感知能力、算力能力以及高效服務能力提出更高要求。通感一體化技術使得通信網絡具有原生的感知能力，通過感知信道狀態、目標位置等，充分挖掘通信能力并賦能內生智能。算力網絡旨在通過算力感知與度量、算力編排、算力交易等為網絡AI任務訓練與驗證提供充足及時的算力。確定性網絡技術則通過網絡接入與管理，保障AI任務的有限時延、高可靠性、低抖動性。

在通信—安全—業務一體化方面，6G旨在打造內嵌式的原生安全，將網絡與安全深度融合，以實現高安全、高保密、高隱私的未來網絡，同時借助AI賦能安全，應用于物聯網、智慧城市等全場景，達到網絡智能可信、智能自動防御的目的。此外，安全網絡架構設計還需要支持多模并存信任與分布式彈性自治能力，保證通信—安全—業務的協同信任與網絡彈性自治安全。通過隱私計算與安全AI等技術的應用，將極大提高6G的處理能力、高輕量級能力、智能可信能力與智能自我防御能力。

在空天地立體化覆蓋方面，6G將以空天地立體化覆蓋為基準，通過天地一體網絡管控與立體按需服務覆蓋來深度融合空天地網絡，實現全域覆蓋。天地一體網絡管控通過實現邏輯功能分離部署、天地一體靈活部署、天基輔助管控等，使網絡系統覆蓋調度顆粒度更細、連接能力更強、通信效率更高。立體按需服務覆蓋通過星座構型構造、高空站點機動部署、接入與承載容量一體化等技術，實現具備全球及重點區域信號可達的能力，提升面向全球及局部熱點區域的網絡吞吐量，保障業務服務質量(Quality of Service，QoS)需求。

表1總結了現階段全球主要國家和學術組織在6G網絡架構方面的工作[11-14]?？偟亩?，針對網絡架構關鍵技術，全球已對網絡智慧內生及其相關技術達成共識，而中美在天地一體化技術潛力更突出，而科研機構與企業運營商方面則重點關注智慧內生、網絡安全內生技術、通感算一體化等三個方面。

表1 6G網絡架構技術遴選情況

3.2 6G空口技術

美國Next G聯盟在《可持續6G之路》中突出了可見光和太赫茲頻段通信等空口技術在支撐6G高速通信方面的重要性；歐洲5G基礎設施協會(Infrastructure Association，IA)在空口方面重點涉及了智能無線傳播環境和先進信道編碼技術等，預計智能反射表面和新一代極化碼等技術將被優先考慮應用到未來6G商用網絡中；日本的B5G推進聯盟、韓國5G Forum以及DOCOMO和諾基亞等公司則重點提到人工智能在空口傳輸中的應用，表明機器學習等AI算法將會廣泛應用于6G波束管理與信道反饋等方面；國內的紫金山實驗室和華為等公司在他們聯合發布的白皮書中提出全頻譜、全應用和空天地一體化將是6G空口的核心發展方向。

總體而言，6G將在空口方面呈現出以下三個特點。首先，覆蓋技術呈現多樣化。6G將逐步實現“空—天—地—?！钡娜蚋采w，未來一體化覆蓋網絡將由具備不同功能、位于不同高度的衛星、高空、近地通信平臺以及陸地和海洋等多種網絡節點實現互聯互通，支撐包括智能反射表面、星地互聯和太赫茲在內的關鍵技術。其次，通信過程呈現出智能化特征。21世紀是人類社會全面走向智能化的時代，特別是隨著大模型驅動的人工智能方法，如ChatGPT快速興起，6G將加速打造人—機—物智慧互聯、高效互通、通感算一體的架構級智能網絡，應用在包括波束管理、信道反饋、編碼調制、語義通信、邊緣智能等層面。最后，接入服務呈現均質化特點。隨著工業互聯網和物聯網的興起，海量機器通信場景越來越受到6G研究組織的重視，未來海量應用將迫切需要一種能為大量接入的人、機、物提供統一可靠服務的支撐技術，包括無蜂窩(Cell-free)覆蓋、非正交多址接入(NOMA)、全雙工(Full-duplex)通信等。

目前，ITU已經對6G場景進行凝練，在5G三大應用場景，即eMBB、uRLLC、mMTC，基礎上增加AI應用與通感知一體化兩個新場景。這五個場景對數據傳輸速率、通信時延、誤碼率和終端連接密度等6G KPI有不同需求，需要由不同空口技術支撐?？紤]到技術的延續性、適用性以及保護運營商投資等因素，超大規模MIMO和智能反射表面技術更加適用于eMBB場景，且需增加對空間波束的支持以及增強干擾協調能力。如圖2所示，無蜂窩技術更加適用于其他四個場景。通過與AI技術融合，形成無蜂窩大規模MIMO(CF-mMIMO)，進一步提升網絡覆蓋與服務能力，滿足未來智能化無線服務均質化的需求。此外，軌道角動量技術雖然頻譜效率高，但由于其波束對準較為困難，則更適用于固定無線傳輸業務；太赫茲通信技術具有頻譜寬，空間分辨率高等優勢，但隨距離增加太赫茲信號衰減較大，此技術則更適用于近距離通感知一體化場景。對于NOMA技術，由于其已經在5G標準化過程中被大量討論，預計也會進入6G標準化的研究項目(Study Item)部署，適用于mMTC等場景。而其他一些熱點技術，如全雙工、索引調制和OTFS等，對現有標準改動較大，應用場景也可能受到一定限制。全息無線電和量子通信等全新技術由于器件和理論尚不完全成熟，在6G商用階段被廣泛應用的可能性則相對較低。

圖2 全新6G無蜂窩大規模MIMO架構

針對以上6G空口技術研究情況，表2總結了各國對6G空口技術的遴選情況[10,15]。具體來說，美國更側重于太赫茲和衛星通信技術，歐洲側重智能反射表面增強的通信技術，韓國關注無蜂窩通信和衛星通信，而日本則將重點放在光子計算和軌道角動量技術。從這些技術遴選可以看出無蜂窩MIMO和智能反射表面技術儲備較多，潛在具有高的研究優先級；衛星通信和空天地一體化具有超出技術本身的戰略意義，也值得重點推動；而超低時延、新波形和NOMA技術作為候選項，在6G熱點區域覆蓋等其它典型場景可能會發揮突出作用。

表2 6G空口關鍵技術遴選情況

3.3 6G網絡安全技術

6G作為面向2030年后智能網聯基礎設施的重要支撐技術，需變革依賴少數標志性接入技術“裸奔”、網絡與業務“解耦”、基于先驗知識的“補丁”式安全措施等傳統發展范式，開辟內生安全的新發展范式[16]。

首先，中國在國際上率先提出內生安全6G愿景，主要面向6G空口內源性安全、異構高效組網接入安全、海量用戶隱私數據安全等問題，研究內生安全和通信安全一體化防御技術，實現通信與安全的共生發展。IMT-2030(6G)推進組認為，6G安全架構應與網絡架構的迭代進行一體化設計，通信網安全需兼顧通信和安全，在代價和收益之間做出平衡[17]。未來移動通信FuTURE論壇認為，6G安全需向內思考，開展通信和安全一體化設計，構建自免疫的安全體系。中興通訊聯合中國信通院和中國三大運營商等發布了《2030+網絡內生安全愿景白皮書》，提出內生安全是一種網絡綜合能力，“功能網絡+管理+安全”將共同構成具備內生安全的6G網絡，安全既與網絡深度一體化，又能形成獨立完整的網絡安全平面。

其次，美歐日等主要發達國家也紛紛把網絡彈性、可信賴等廣義功能安全概念列為6G核心愿景和優先啟動的項目清單。美國發布了面向Next G網絡的RINGS項目，要求參研單位考慮Next G使能技術，包括無線、頻譜、網絡等與網絡彈性技術的融合創新[3]。該項目將網絡彈性作為主要考慮因素，包括安全性、適應性、自主性和可靠性等，同時兼顧追求優越的性能，使得網絡系統在面對惡意攻擊、部件故障以及自然/人為中斷時具備自適應和快速恢復的能力，保持6G的高性能。歐盟FP7的可信系統體系項目認為，系統體系的可信度是一種整體屬性，需要功能安全和網絡安全協同，將6G功能安全與網絡安全單獨處理都是不夠的，僅把那些本身值得信賴的系統部件組裝成系統體系也是不夠的。愛立信公司認為，為了應對未來的挑戰，6G安全范式須發生轉變，從確保安全通信轉型為提供值得信賴的平臺，將范圍從保護數據擴展到確保相關場景中端到端服務交付。

6G必須在內生安全發展新范式的指導下，整體考慮底層網絡與上層應用服務的安全保障，在不依賴但不排斥先驗知識和附加防御手段的條件下，探索能對基于軟硬件設計缺陷的網絡攻擊理論與方法產生顛覆性影響的內生安全機制[18-19]。因此，要對傳統功能安全概念在網絡攻擊條件下進行拓展和延伸，建立內生安全模型，設計6G內生安全可信體系，如圖3所示。為構建內生安全、彈性、可信賴的、可擴展的6G提供理論和技術支撐[20-21]。

圖3 網絡內生安全可信體系圖

表3總結了當前各國對6G網絡安全關鍵技術的遴選情況[22-26]。從技術角度來看，內生安全、網絡彈性、數據安全與隱私保護將成為重點發展方向，以保護6G功能安全和信息安全?？紤]到數據安全與隱私保護屬于網絡安全共性技術，建議可以優先部署內生安全、物理層安全等研究方向。 表3 6G內生安全關鍵技術遴選情況

在當前世界各國關于6G網絡安全的初期探討中，國內提出的內生安全以及美歐日等提出的網絡彈性均受到了廣泛重視，兩者的目標內涵基本一致；其次，工業和學術界都比較關注人工智能安全、零信任安全、區塊鏈、軟件定義安全等賦能技術，以利用它們來提升6G網絡安全水平；最后，隨著數據成為越來越重要的資產，對傳統信息安全研究領域的隱私保護和加密技術也提出了更高要求。

3.4 6G智慧內生技術

6G的目標是提高吞吐量、降低時延、增強可靠性、擴大連接規模、優化頻譜效率等。深度學習技術的快速發展，使得AI能夠在多個方面發揮重要作用，例如在復雜未知環境中進行建模和學習、預測信道狀態、生成和處理智能信號、跟蹤和調度網絡狀況及優化網絡部署等。如圖4所示，通過將智慧內生嵌入到6G各系統組件中，使通信設備無縫地利用網絡中心和本地計算資源實現智能化服務，從而優化網絡性能，提高網絡資源利用效率，實現6G“萬物智聯”的美好愿景。在物理層技術方面，未來的6G無線網絡在吞吐量、時延、可靠性、連接數、頻譜效率等網絡性能指標上將實現更大的突破；新的應用、要求和指標都對空口設計帶來了巨大的挑戰。因此，AI使能的物理層技術引起了學界和業界廣泛的關注。目前，AI技術在復雜未知環境的建模與估計、智能信號調制與編碼、網絡智能調度、網絡智能優化部署等方面具有重要的應用潛力，對6G技術的研究和演進具有重要價值。

圖4 6G智慧內生技術關聯圖

在網絡層技術方面，6G視頻流媒體和面向AI檢測任務的視頻流傳輸對數據包丟包率、延遲和延遲抖動提出了更高要求?；谝巹t的傳統算法通常遵循類似AIMD的方法來適應比特率，將數據包丟包率、延遲和延遲抖動等度量作為網絡條件的關鍵指標。然而，由于它們使用基于簡化或不準確的部署環境模型的固定控制規則，這種預先編程的通用規則很難適應多樣化和異構的現代網絡。隨著深度學習的發展，數據驅動的基于學習的擁塞控制方法逐步得到大家關注?；趯W習的方法通常使用覆蓋各種網絡條件的大規模數據集來訓練神經網絡模型，相比傳統算法可以實現更高的吞吐量和更低的傳輸時延。

在智慧環境感知方面，未來的6G應具備對環境的感知和自適應能力，實現通信與感知功能協同。例如，通過環境參數訓練出高精度的無線環境地圖，從而幫助通信系統更加高效地完成智能調度、智能功率控制、智能波束管理等任務。傳統的信道估計方法面臨著復雜度高的問題，而基于AI的信道估計方法根據已有信道模型數據，離線訓練人工神經網絡，所得到的網絡具有相對較低的復雜度和較好的信道估計準確率。同時，通過利用AI的特征提取能力來獲得基站到用戶信道測量信息的抽象特征，可實現傳統算法無法達到的高精度定位，從而有效提升網絡能效和譜效。

表4總結了各國對6G智慧通信關鍵技術的遴選情況[1,2,16,27-31]。從表中可以看到，國內外主要組織對6G智慧通信關鍵技術的研究趨勢和側重點比較一致。智慧內生網絡架構是6G萬物智聯的基礎，信道建模估計與智慧調制編碼是高效傳輸的核心，環境自適應與感知是提升網絡性能的關鍵，數字孿生網絡助力通信網絡自治，因此應優先發展該五項技術，助力6G智慧內生加速發展。另外，中國5G建設的堅實基礎和海量用戶數據(終端用戶占全球80%以上，基站占全球70%以上)，可為6G智慧內生技術的快速發展與垂直行業應用的廣泛部署賦能。 表4 6G智慧內生關鍵技術遴選情況

4? 結語

針對5G網絡的發展現狀及面臨的問題，6G勢必將逐步演進以更好地支持垂直行業應用和體現6G新特征。文章探討了國內外各機構對6G的研究工作，總結出“三全一強”的6G愿景。此外，文章從6G網絡架構、空口傳輸、網絡安全、智慧內生方面介紹了6G潛在技術并對不同使能技術進行了遴選，以實現6G愿景及推動我國未來6G高速發展和落地。

審核編輯：劉清