5G應(yīng)用才剛剛啟動(dòng)，6G概念就撲面而來。6G是什么？傳輸速度有多快？有哪些關(guān)鍵特征和挑戰(zhàn)？2019年9月，芬蘭奧盧大學(xué)與70位世界頂尖通信專家共同發(fā)布了全球首份6G白皮書《無處不在的無線智能——6G的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)與研究挑戰(zhàn)》，對6G進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。從中可以看出，6G不僅在速度上更快，而且服務(wù)領(lǐng)域更廣泛，將引發(fā)更全面的社會(huì)角色參與其中。在未來的6G時(shí)代，邊緣計(jì)算將盛行，信任模型必須嵌入其中，隱私保護(hù)將成為關(guān)鍵的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)要素。

一、介紹

從歷史上看，移動(dòng)通信大約每十年就會(huì)出現(xiàn)一次更新?lián)Q代，通過引入新興技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜效率和容量的提升，為新業(yè)務(wù)、新業(yè)態(tài)培育提供基礎(chǔ)。5G新無線電（NR）的第一個(gè)版本已于2018年準(zhǔn)備就緒，在諸多領(lǐng)域已展現(xiàn)出提高生產(chǎn)力的潛能，且有望成為引領(lǐng)許多領(lǐng)域長期發(fā)展、融合發(fā)展和自主應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。與5G相比，6G會(huì)采用新技術(shù)、新模式，能滿足并超越5G所需的通信要求，加速經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的數(shù)字化。從之前移動(dòng)通信技術(shù)更新?lián)Q代的時(shí)間、路徑來看，現(xiàn)在是研究6G通信需求、性能要求、系統(tǒng)和傳輸面臨的挑戰(zhàn)以及技術(shù)路線選擇等核心問題的最佳時(shí)機(jī)。

第一屆6G無線峰會(huì)于2019年3月在芬蘭列維舉行，來自29個(gè)國家的近300名與會(huì)者參加了會(huì)議，包括了主要基礎(chǔ)設(shè)施制造商、運(yùn)營商、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)界的核心人員。該活動(dòng)的6G愿景宣言抓住了6G的本質(zhì)，即“無處不在的無線智能”?！盁o處不在”指服務(wù)與用戶隨時(shí)隨地進(jìn)行無縫對接;“無線”意味著無線連接是關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的一部分;“智能”意味著為人類和非人類用戶提供情景感知的智能服務(wù)和應(yīng)用程序。峰會(huì)結(jié)束后，組織者舉辦了研討會(huì)并起草了第一份6G白皮書《無處不在的無線智能—6G的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)與研究挑戰(zhàn)》（以下簡稱“白皮書”），白皮書確定了與6G相關(guān)的主要驅(qū)動(dòng)因素、研究要求、挑戰(zhàn)和基本研究問題，并指出了6G的主要驅(qū)動(dòng)力：可持續(xù)發(fā)展、社會(huì)、生產(chǎn)力和技術(shù)。此白皮書每年都會(huì)在年度6G無線峰會(huì)結(jié)束后進(jìn)行更新。

說“從5G工程到6G人文”是天真的？還是勢在必行？

2016年，聯(lián)合國發(fā)布了2030年議程的17個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDG），有望推動(dòng)政策并影響許多經(jīng)濟(jì)體的政府支出，從而創(chuàng)造出新的全球需求。到2030年，全球人口將增長到85億，預(yù)計(jì)世界上將有43個(gè)人口超過1000萬的特大城市，其中大多數(shù)位于發(fā)展中地區(qū)。城市化要求在整個(gè)社會(huì)范圍內(nèi)提供超高效、自動(dòng)化、無時(shí)無刻、無處不在的信息與通訊技術(shù)服務(wù)，從而提高生產(chǎn)率、減少碳排放、節(jié)省公共支出。同時(shí)，未來城市地區(qū)開發(fā)的服務(wù)需要轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足偏遠(yuǎn)地區(qū)、貧困地區(qū)的需要，以便實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。在6G時(shí)代，隨著社會(huì)與信息通訊技術(shù)的融合愈發(fā)緊密，將出現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)安全問題，如何應(yīng)對這一難題、做好風(fēng)險(xiǎn)防范將成為6G技術(shù)不容忽視的重點(diǎn)。

白皮書確定了關(guān)鍵的研究領(lǐng)域，以便使6G愿景成為現(xiàn)實(shí)，白皮書的后繼版本將會(huì)補(bǔ)充第一次峰會(huì)上未討論的缺失領(lǐng)域。

二、6G的社會(huì)和商業(yè)驅(qū)動(dòng)力

5G能夠?yàn)楦喾N類的設(shè)備和用戶提供更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足消費(fèi)者預(yù)期的容量增長需求以及行業(yè)的生產(chǎn)力需求，隨著5G的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等領(lǐng)域的重要性正在不斷凸顯。與5G相比，6G的定義不能僅僅考慮其商業(yè)價(jià)值，更需要全面的定義來滿足社會(huì)對未來通信的要求，包括從通信技術(shù)角度確定未來社會(huì)面臨的趨勢、需求、挑戰(zhàn)以及塑造未來世界形態(tài)的力量。在5G時(shí)代，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商依然是網(wǎng)絡(luò)部署的主導(dǎo)者，而6G時(shí)代可能會(huì)出現(xiàn)由更多市場參與者推動(dòng)的超高效短距離連接解決方案，在傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營之外產(chǎn)生新的生態(tài)系統(tǒng)，這也將使6G網(wǎng)絡(luò)更具包容性。

1.來自社會(huì)的驅(qū)動(dòng)力將塑造6G

從1G到5G，社會(huì)和商業(yè)驅(qū)動(dòng)因素對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的影響愈發(fā)深刻，對于6G而言，政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)、法律和環(huán)境等都是重要的驅(qū)動(dòng)因素。一方面，為了確保智能城市服務(wù)和城市化的紅利得到充分共享且具有包容性，政策要著重關(guān)注城市貧困人口和其他弱勢群體對生活保障的需求。另一方面，無時(shí)無刻、無處不在的系統(tǒng)化、自動(dòng)化的小工具和傳感器將對網(wǎng)絡(luò)的可靠性和魯棒性提出更高要求。預(yù)計(jì)6G“無處不在”的特性將大大擴(kuò)張信息與通信技術(shù)涵蓋的范圍，釋放更多社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和機(jī)會(huì)。與此同時(shí)，高效節(jié)能也是6G的關(guān)鍵性需求，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品使用周期中對材料進(jìn)行選擇、使用、重復(fù)使用和回收利用，可以降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、使用的成本，有助于將網(wǎng)絡(luò)連接擴(kuò)展到更多偏遠(yuǎn)地區(qū)，以持續(xù)、高效、綠色的方式提供無線網(wǎng)絡(luò)。此外，6G對人體健康的影響也是關(guān)注的重點(diǎn)，新型6G技術(shù)的引入需要啟動(dòng)科學(xué)審查，發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)需要開展的研究，以便填補(bǔ)健康風(fēng)險(xiǎn)評估上的理論空白。

2.數(shù)據(jù)所有權(quán)和合同政策問題需要特別關(guān)注

數(shù)據(jù)訪問和使用規(guī)則逐漸成為未來創(chuàng)造價(jià)值的重要要素，為此，對數(shù)據(jù)的限制也變成了一種管理手段。創(chuàng)建一個(gè)可以改變數(shù)據(jù)收集、優(yōu)先級(jí)和共享方式的系統(tǒng)可以為更大程度地發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值提供保障，但也可能導(dǎo)致在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和使用等方面產(chǎn)生嚴(yán)重的隱私及倫理問題。在通信生態(tài)系統(tǒng)中，不同參與者對數(shù)據(jù)的使用權(quán)利和義務(wù)已有界定，但在6G時(shí)代，一個(gè)重大挑戰(zhàn)是如何將這些權(quán)利和義務(wù)映射到高度智能的系統(tǒng)或設(shè)備中，以便使用數(shù)據(jù)創(chuàng)建更多未來服務(wù)。

3.6G將推動(dòng)城市和室內(nèi)空間的網(wǎng)絡(luò)共享，“本地運(yùn)營商”模式將得到推廣

在6G時(shí)代，定位服務(wù)于超高效短距離傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)新頻段將會(huì)開放，各個(gè)參與者將在新頻段上以垂直行業(yè)為目標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，以吸引新的參與者、投資者等共同打開市場。以往重疊的超密集網(wǎng)絡(luò)將不再可行，不同的參與者在一個(gè)設(shè)施內(nèi)只部署單個(gè)網(wǎng)絡(luò)來滿足多個(gè)用戶組和服務(wù)的需求，參與者將借助軟件化、網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化以及接口的開放來共享網(wǎng)絡(luò)連接層和數(shù)據(jù)層。在此背景下，頻譜接入權(quán)、網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)資源、設(shè)施和客戶的所有權(quán)變更將導(dǎo)致多種技術(shù)要求和技術(shù)架構(gòu)組合，大大增加網(wǎng)絡(luò)接入的復(fù)雜性。同時(shí)，頻譜使用的全球協(xié)調(diào)也需要各方共同努力去推進(jìn)解決。

長遠(yuǎn)來看，6G將比任何事物更深入地滲透到社會(huì)和人們的生活中，為避免過高的運(yùn)營成本，6G相關(guān)軟件都將運(yùn)行在具有高度自動(dòng)化水平的云端上，這也將促使責(zé)任部門改進(jìn)監(jiān)管系統(tǒng)。

4.6G中的利益方將發(fā)生變化，并且將出現(xiàn)新的

6G作為共享經(jīng)濟(jì)體將改變現(xiàn)有角色，并引入新的利益相關(guān)方角色，從而形成更加復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)（圖1）。圖1中的利益方代表了來自人和機(jī)器用戶的不同需求，也包括不同垂直領(lǐng)域的公共部門或企業(yè)。滿足需求范圍所需的資源和資產(chǎn)將由提供物理基礎(chǔ)設(shè)施（生產(chǎn)設(shè)施、場地）、裝備（設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)）和數(shù)據(jù)（內(nèi)容、場景）的不同參與者在政策制定者制定的監(jiān)管框架下（外八邊形最外層）提供。需求和資源將通過匹配/共享利益方而整合在一起。這些利益方既包括不同類型的運(yùn)營商（本地或垂直特定運(yùn)營商、固定運(yùn)營商、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、衛(wèi)星運(yùn)營商），也包括資源代理以及各種服務(wù)/應(yīng)用程序提供商，例如信任/安全提供商。

總體而言，與當(dāng)前的移動(dòng)業(yè)務(wù)生態(tài)系統(tǒng)相比，6G中的參與角色將發(fā)生變化，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)全新的角色。尤其是前文提到的驅(qū)動(dòng)因素，它們將從根本上改變生態(tài)系統(tǒng)，并為6G中的各種利益相關(guān)者帶來新的機(jī)遇。

5.6G在社會(huì)和商業(yè)驅(qū)動(dòng)力方面需要研究的問題

三、6G應(yīng)用場景和新設(shè)備

智能手機(jī)已成為我們生活中不可或缺的一部分，但隨著新的顯示技術(shù)、傳感和成像設(shè)備以及低功耗專用處理器的飛速發(fā)展，硬件設(shè)備將進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。該時(shí)代，設(shè)備將與感官和運(yùn)動(dòng)控制無縫結(jié)合在一起。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和混合現(xiàn)實(shí)（MR）這些技術(shù)正在融合到交叉現(xiàn)實(shí)（XR）中，該技術(shù)包含可穿戴的顯示裝置以及產(chǎn)生并保持感知錯(cuò)覺的交互機(jī)制，提供了更多的可能。

1.智能手機(jī)很有可能被XR眼鏡所替代

未來，輕巧的XR眼鏡能以提前所未有的分辨率、刷新率和動(dòng)態(tài)范圍將圖像投射到眼睛上，并通過耳機(jī)和觸覺界面把反饋提供給其他感官系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)這一體驗(yàn)，必要的配套技術(shù)包括：（1）成像設(shè)備，例如光場、全景、深度感應(yīng)和高速的相機(jī);（2）用于監(jiān)視使用者健康狀況的生物傳感器;（3）用于計(jì)算機(jī)圖形、計(jì)算機(jī)視覺、傳感器融合、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的專用處理器;（4）無線技術(shù)，包括定位和傳感。

2.新的技術(shù)將使遠(yuǎn)程呈現(xiàn)成為可能

隨著高分辨率成像和傳感設(shè)備、可穿戴顯示裝置、移動(dòng)機(jī)器人和無人機(jī)、專用處理器以及下一代無線網(wǎng)絡(luò)等輔助技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程呈現(xiàn)最終將成為現(xiàn)實(shí)。人物模型可以通過實(shí)時(shí)捕獲、傳輸和渲染會(huì)議中每個(gè)參與者的三維全息再現(xiàn)，或者通過圖形組合表示（如化身）和傳感器捕獲的移動(dòng)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。XR設(shè)備等可以創(chuàng)造感知上的錯(cuò)覺，使地理上分散的一群人相信他們出現(xiàn)在同一個(gè)位置。借助這些技術(shù)，人們甚至可以影響遠(yuǎn)程世界的變化，典型的應(yīng)用包括遠(yuǎn)程教育、協(xié)同設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程辦公、先進(jìn)的三維模擬、培訓(xùn)以及國防等。

3.自動(dòng)駕駛汽車將成為可能

即使有了遠(yuǎn)程呈現(xiàn)，人員和貨物的流動(dòng)隨著人口增長和全球化推進(jìn)仍然是一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。暢想在2030年及以后的世界，將會(huì)有數(shù)百萬輛聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)駕駛汽車，通過高度協(xié)同的系統(tǒng)使運(yùn)輸和物流更加高效。這些汽車包括在家庭、工作場所或?qū)W校之間移動(dòng)的自動(dòng)駕駛汽車，也包括送貨的自動(dòng)卡車或無人機(jī)，這對于提高生產(chǎn)效率、減少化石燃料消耗均具有重要意義。

在6G網(wǎng)絡(luò)中，每輛車都將配備許多傳感器，包括相機(jī)、激光掃描儀、可能用于三維成像的太赫茲寬帶陣列成像設(shè)備、里程表和慣性測量單元。在算法上，自動(dòng)駕駛必須快速融合多來源數(shù)據(jù)來決定如何控制車輛，并具有專用的交互界面以提醒乘客或監(jiān)督員注意潛在風(fēng)險(xiǎn)。在網(wǎng)絡(luò)上，無線網(wǎng)絡(luò)除了具有低延遲和高帶寬外，還必須有超高可靠性。

4.6G在應(yīng)用場景和新設(shè)備方面需要研究的問題

四、6G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和頻譜

從已有的技術(shù)指標(biāo)上看，5G的關(guān)鍵指標(biāo)也適用于6G，但必須對這些指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格審查并增添新的內(nèi)容。當(dāng)前5G的指標(biāo)已經(jīng)確定，6G的目標(biāo)與先前的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)升級(jí)一致，將已有指標(biāo)提高10-100倍。

除了已有指標(biāo)，新的6G指標(biāo)大致可以分為兩類，一類是技術(shù)和生產(chǎn)力驅(qū)動(dòng)的指標(biāo)（包括延遲、抖動(dòng)、鏈路預(yù)算、擴(kuò)展范圍/覆蓋范圍、三維地圖保真度、位置精度和更新的速度、成本和能源等），另一類是可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)驅(qū)動(dòng)的指標(biāo)（包括在定義需求和標(biāo)準(zhǔn)化中包含垂直參與者、透明度（例如與AI相關(guān)的指標(biāo)）、隱私/安全/信任、面向應(yīng)用程序接口的全球用例、聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)激勵(lì)、開源以及道德指標(biāo)等），部分指標(biāo)類別目前很難定義，在未來的白皮書版本中將會(huì)改進(jìn)。

1.6G研究應(yīng)突破最高傳輸速率1Tb/每秒的瓶頸

6G有望成為第一個(gè)要求超快速鏈接的無線標(biāo)準(zhǔn)，其每個(gè)鏈接的峰值吞吐量將超過Tb/每秒（Tbps）。6G使用場景（例如無線工廠自動(dòng)化）的操作非常苛刻，例如具有超高可靠性和超低延遲的通信、高分辨率的定位（厘米級(jí)別）和高精度設(shè)備間的同步需控制在1微秒內(nèi)。6G的可靠性和延遲要求非常多樣化，且視具體情況而異。最極端的一個(gè)案例是工業(yè)控制，它要求在10億個(gè)傳輸比特中只允許有一個(gè)錯(cuò)誤比特，且延遲為0.1毫秒?？梢灶A(yù)見，6G時(shí)代數(shù)據(jù)流量和連接物的數(shù)量將大大增加，設(shè)備密度可能會(huì)增長到每立方米數(shù)百個(gè)，這對面積或空間頻譜效率，以及連接所需的頻段都提出了嚴(yán)格的要求。安全性、隱私性和可靠性也是重要的新指標(biāo)，6G必須要有極高的安全等級(jí)，以滿足工業(yè)和高端用戶的極高要求。

當(dāng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入亞太赫茲和太赫茲頻段中，不論硬件還是網(wǎng)絡(luò)都將面臨諸多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。機(jī)遇方面，超高效的短距離連接方案有望成為6G成功的關(guān)鍵，高頻頻段將推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展。挑戰(zhàn)方面，6G網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中分子吸收對路徑損耗有很顯著的影響，且在距離較長時(shí)尤為明顯。因此，在對無線頻譜進(jìn)行歸類時(shí)，除了技術(shù)界限以外，還應(yīng)考慮各種材料的滲透和表面反射等因素。同時(shí)，信號(hào)損耗會(huì)隨著頻段的提升而提升，如果天線面積恒定，則需要通過增加天線增益來補(bǔ)償空間損耗。此外，高頻也將增加射頻硬件復(fù)雜性和并行性，并減少波束寬度，給移動(dòng)應(yīng)用中的信號(hào)采集和波束跟蹤帶來難題。

2.太赫茲中頻譜的利用需要根據(jù)吸收和反射特性來制定

當(dāng)前，許多物聯(lián)網(wǎng)場景都受到范圍、成本和電池的限制，無法輕易擴(kuò)展到更高的頻率，且目前毫米波也無法滿足部分新帶寬場景。在太赫茲體系中，頻譜的利用需要根據(jù)子帶的吸收和反射特性來安排，以優(yōu)化通信和其他應(yīng)用使用和重用。具體而言，在支持多個(gè)應(yīng)用場景中，必須通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念l率規(guī)劃防止諧波疊加。

五、無線硬件的進(jìn)步與挑戰(zhàn)

當(dāng)載波頻率提高到1Tb/每秒時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的定向傳輸和接收作用就變得更加明顯，CMOS晶體管的性能也很難滿足高于100GHz頻率要求，硬件的瓶頸可能會(huì)減慢6G推進(jìn)速度。從已有技術(shù)路線上，一方面，繼續(xù)探索CMOS技術(shù)在100GHz以上頻率的潛能仍然有意義。另一方面，硅鍺（SiGe）或磷化銦（InP）等新材料在高頻環(huán)境下工作也值得期待。

1.太赫茲頻譜可以將通信系統(tǒng)和新應(yīng)用相融合

太赫茲頻譜不僅能提高傳輸速度，同時(shí)還能提高成像和雷達(dá)定位、三維成像和傳感的角度和測距精度。因此，研究超高速低成本通信和先進(jìn)傳感系統(tǒng)的硬件需求、范圍和機(jī)會(huì)具有非常高的理論和實(shí)踐價(jià)值。

波束收發(fā)方面，天線的大小將隨著頻率增加而大大減少。在250GHz頻率下，一個(gè)包含1000個(gè)天線的天線陣列將可以放進(jìn)一個(gè)不到4平方厘米的區(qū)域，筆形波束異常狹窄，這樣更安全但也容易發(fā)生對齊錯(cuò)誤。

電池管理方面，在低速率傳感應(yīng)用中，需要具有能量收集功能的零能耗、獨(dú)立式無電池解決方案，但在需要寬帶處理的極端預(yù)設(shè)場景和難以意料應(yīng)用情形下，將要求電力效率有巨大改進(jìn)。

信號(hào)傳播方面，太赫茲（THz）頻率下產(chǎn)生射頻功率較為困難，且水吸收對信號(hào)的影響非常明顯，信號(hào)穿透較為困難。但是，物體表面在短波長的情況下，其反射率會(huì)增高，因此信號(hào)穿透雖然是難題，但可以通過有效利用反射實(shí)現(xiàn)波束傳輸。

2.6G需要新的收發(fā)器架構(gòu)和計(jì)算范例實(shí)現(xiàn)1Tb/每秒的傳輸

進(jìn)入太赫茲領(lǐng)域，CMOS以及基于BiCMOS的半導(dǎo)體技術(shù)是否依然有效將是一個(gè)問題。首先，由于接口的速度（即使在硅內(nèi)部）已經(jīng)成為了突破的難題，尤其是在CMOS中，要提高小型晶體管的速度技術(shù)難度很大。其次，在CMOS之上納米技術(shù)只能提供有限的功率傳輸能力，極易結(jié)果導(dǎo)致信號(hào)處理的各個(gè)階段并行性增加。最后，熱效應(yīng)、低擊穿電壓和有限的電池容量也是實(shí)現(xiàn)Tb/每秒通信方式的技術(shù)難點(diǎn)。然而，目前想要找到完全替代硅技術(shù)的新技術(shù)非常困難，要實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的替代需要從設(shè)備到收發(fā)器架構(gòu)等進(jìn)行一系列的深度研究。

當(dāng)頻率達(dá)到太赫茲時(shí)，單個(gè)天線元件的尺寸將變小，即便是頻率最低的太赫茲，天線陣列元件之間的半波長距離也將只有數(shù)百微米，這樣的大小可以使得天線陣列集成到硅材料中。但當(dāng)天線元件的尺寸變得比與其配套的電子元件還要小時(shí)，將可能出現(xiàn)成千上萬帶有天線元件的前端并行收發(fā)的情況。因此，6G必須采用新的收發(fā)器架構(gòu)，而基于透鏡天線陣列的先進(jìn)通信系統(tǒng)很有可能在該方面發(fā)揮重要作用。

3.在太赫茲應(yīng)用中半導(dǎo)體、光學(xué)和新材料有廣闊前景

在半導(dǎo)體方面，材料屬性和寄生效應(yīng)通常會(huì)隨著頻率的增加而降低，硅鍺異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）、III-V半導(dǎo)體技術(shù)（例如磷化銦）由于性能優(yōu)于CMOS，將很快得到更多關(guān)注。在光學(xué)方面，如何利用透鏡技術(shù)、數(shù)字技術(shù)等進(jìn)行集成是關(guān)鍵問題。在太赫茲領(lǐng)域，光子學(xué)將成為主導(dǎo)技術(shù)，隨著太赫茲技術(shù)不斷發(fā)展，電子學(xué)和光學(xué)器件的發(fā)展可以分別在超高速接口和可見光通信領(lǐng)域進(jìn)行互補(bǔ)。

六、物理層和無線系統(tǒng)

沒有任何一種解決方案可以滿足所有垂直應(yīng)用程序的需求。大規(guī)模的寬帶（eMBB），超可靠的低延遲通信（URLLC），大規(guī)模的機(jī)器類通信（mMTC）和極高的用電效率，意味著需要更多的解決方案。解決方案的增多需要逐案優(yōu)化系統(tǒng)，并且必須重新定義不同應(yīng)用之間的兼容性。當(dāng)前的5G新無線電網(wǎng)絡(luò)尚未能夠滿足所有苛刻設(shè)計(jì)需求。因此，我們認(rèn)為未來物理層和無線系統(tǒng)除了地面網(wǎng)絡(luò)以外，還需要基于衛(wèi)星和無人機(jī)（或類似的空中平臺(tái)）的基礎(chǔ)設(shè)施來滿足覆蓋范圍和能力的需求。此外，當(dāng)越來越多的數(shù)據(jù)在微型設(shè)備中被存儲(chǔ)和處理，能源和電力消耗的問題將會(huì)變得越發(fā)突出。

1.工智能將在6G的鏈路層和系統(tǒng)層解決方案中發(fā)揮重要作用

6G要滿足所有已確定的性能要求，就需要具有可配置無線電的超靈活網(wǎng)絡(luò)。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)將與無線感測和定位結(jié)合，學(xué)習(xí)了解無線環(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)構(gòu)成，用于預(yù)測高頻下的鏈路丟失、主動(dòng)確定密集城市網(wǎng)絡(luò)中的最佳切換點(diǎn)并確定基站、以及為基站和用戶確定最佳的無線資源分配等。

目前來看，開發(fā)新的空口需要廣泛應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法，以便改善空中接口的時(shí)變性能，語義識(shí)別方案可能是重要的解決方向。值得注意的是，在給定環(huán)境和特定的需求下，人工智能是否可以被用來做這些設(shè)計(jì)，其真實(shí)使用效果仍值得研究。

2.新的無授權(quán)訪問方式對大規(guī)模機(jī)器類通信至關(guān)重要

6G要擴(kuò)展5G的性能，就必須靈活地開展大規(guī)模的機(jī)器類通信用例，在實(shí)現(xiàn)高頻譜使用的同時(shí)，還需要支持大量低功耗和低復(fù)雜度的設(shè)備。因?yàn)樵O(shè)備偶爾會(huì)生成短數(shù)據(jù)包，并且資源分配時(shí)的消耗可能超過實(shí)際的信息交換量，因此物聯(lián)網(wǎng)對上述指標(biāo)的要求更加苛刻。為解決這些問題，基于適當(dāng)協(xié)議設(shè)計(jì)并依靠連續(xù)干擾抵消的現(xiàn)代隨機(jī)訪問協(xié)議可能會(huì)發(fā)揮作用，這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在某些衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)中被采用，且被證明可以達(dá)到預(yù)定的訪問性能要求，同時(shí)真正實(shí)現(xiàn)了無授權(quán)訪問。此外，現(xiàn)代隨機(jī)訪問協(xié)議可以利用物理層和MAC層的聯(lián)合設(shè)計(jì)來提高數(shù)據(jù)吞吐量，這些對于短距離連接解決方案可能是有用的。

3.信號(hào)成形是一種實(shí)現(xiàn)高頻譜使用效率的方法

為了增強(qiáng)比特率的性能，需要使用非常高階的星座調(diào)制。然而，這些高階星座調(diào)制對傳輸介質(zhì)中的非線性非常敏感，用于正交幅度調(diào)制（QAM）的信號(hào)成形可能可以克服其中一些困難。信號(hào)成形方式有兩種：幾何成形和概率成形，不論是基于幾何成形還是概率成形的正交幅度調(diào)制，都有望在光學(xué)和太赫茲無線通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的高比特/秒/赫茲/極化。

4.強(qiáng)大的模擬調(diào)制方案對6G至關(guān)重要

事實(shí)證明，正交頻分復(fù)用（OFDM）對于寬帶連接非常有效。早前，也有人提出了在60GHz下具有大于500兆Hz帶寬、超寬帶（UWB）系統(tǒng)的多頻帶正交頻復(fù)用版本。當(dāng)傳輸帶寬達(dá)到極限，如在數(shù)百GHz頻段上達(dá)到幾GHz甚至幾十GHz帶寬使用率時(shí)，傳統(tǒng)的收發(fā)器設(shè)計(jì)就會(huì)開始出錯(cuò)，并且多載波調(diào)制也無法正常工作。因此，6G需要更強(qiáng)大的模擬調(diào)制方案。

5.多種方案可在物理層實(shí)現(xiàn)6G的安全保護(hù)

未來的光無線通信可能依賴于量子密鑰分發(fā)（QKD）方案，通過量子力學(xué)而不是計(jì)算的方法在兩個(gè)用戶之間分發(fā)密鑰，從而為部分6G應(yīng)用提供所需的超安全網(wǎng)絡(luò)。此外，通過使用物理層簽名（例如射頻指紋）和某些其他技術(shù)，如利用MIMO（多輸入多輸出）傳輸系數(shù)的隨機(jī)化、編碼等進(jìn)行身份驗(yàn)證的方式可能會(huì)在6G中得到應(yīng)用。

6.使用射頻功率進(jìn)行連接和計(jì)算的反向散射通信可以實(shí)現(xiàn)超低功率通信

6G對能效比要求極高，這就需要通過以節(jié)能的方式進(jìn)行編碼、調(diào)制、發(fā)送和接收處理，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射能量和所需處理能量之間的平衡。此外，終端、低功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對節(jié)能的要求更高。在設(shè)計(jì)的過程中，節(jié)能的大多數(shù)問題可以通過適當(dāng)?shù)纳漕l和基帶硬件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，但是在低功耗編碼、調(diào)制和物理層（非正交頻分復(fù)用）等層面需要更多解決方法。使用射頻功率進(jìn)行連接和計(jì)算的反向散射通信可能是實(shí)現(xiàn)超低功率通信的有效方法，反向散射通信可以從環(huán)境和射頻波形中獲取能量，這樣能夠讓物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的壽命延長。

7.6G無線網(wǎng)絡(luò)或許能自主搭建無線環(huán)境

在電磁可調(diào)表面（如基于特異材料）革命的推動(dòng)下，6G將控制來自大型智能表面（LIS）的信號(hào)反射和折射。開放研究的問題涉及從無源反射器和超材料涂層智慧表面的優(yōu)化部署到可重構(gòu)大型智能表面的AI驅(qū)動(dòng)操作。為了解大型智能表面和智慧表面在速率、延遲、可靠性和覆蓋率方面的性能，需要對其進(jìn)行基礎(chǔ)分析。另一個(gè)重要的研究方向是環(huán)境AI，智能表面可以通過學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)自主地重新配置其材料參數(shù)，現(xiàn)有挑戰(zhàn)包括如何在大型超材料表面上聚焦具有不同入射角的信號(hào)，這就需要反射/折射系數(shù)的可控性。在移動(dòng)環(huán)境中，由機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的智能曲面可能需要連續(xù)的再訓(xùn)練，這就需要訪問足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)、高計(jì)算能力和有保證的低訓(xùn)練收斂性。

通過使用大型智能表面和類似結(jié)構(gòu)，6G可使全息成像成為可能，全息圖像射頻通過合成空間光譜全息技術(shù)和空間波場來控制整個(gè)物理空間和電磁場的完整閉環(huán)。這將大大提高頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)容量，并有助于集成成像和無線通信。

七、6G網(wǎng)絡(luò)

1.6G需要嵌入信任

到2030年，數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界將深度交織，人們的生活將依賴于網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，重要的工業(yè)價(jià)值將會(huì)喪失。在網(wǎng)絡(luò)物理世界中，有形資產(chǎn)可能會(huì)因數(shù)字攻擊而被竊取、滅失或受到損害，惡意網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)可能導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)和生命的損失。

為了解決這個(gè)問題，信任模型應(yīng)當(dāng)嵌入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，以提高用戶對網(wǎng)絡(luò)通信的信任度。對于安全、信任和服務(wù)來說，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)提供嵌入的分布式拒絕服務(wù)（DDoS）來實(shí)現(xiàn)緩解和保護(hù)功能，以使其免受其他人的攻擊。

2.6G采用身份與位置分離的方案，主要依靠設(shè)備的私有地址

從保障安全上看，將信任關(guān)系嵌入網(wǎng)絡(luò)需要為設(shè)備和節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)更穩(wěn)定的ID，而不僅僅是可轉(zhuǎn)換或動(dòng)態(tài)的地址。每個(gè)設(shè)備至少應(yīng)具有一個(gè)唯一的名稱或多個(gè)可由網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)轉(zhuǎn)換為地址的名稱，并且可以將這些名稱轉(zhuǎn)換為地址以及根據(jù)需要轉(zhuǎn)換回ID，在設(shè)備連接后，設(shè)備應(yīng)能夠控制其自身的可達(dá)性。這種尋址原則的結(jié)果是端到端通信“層”與用戶的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)是分開的，如同軟件定義的OpenFlow網(wǎng)絡(luò)一樣，該網(wǎng)絡(luò)可以使用多種轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，例如IPv4、IPv6、以太網(wǎng)和多種隧道協(xié)議等。

3.6G的隱私保護(hù)將是一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素

未來，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等將產(chǎn)生大量前所未有的私人信息?；ヂ?lián)網(wǎng)公司已經(jīng)證明了私人信息具備使用價(jià)值，從現(xiàn)實(shí)世界中收集私人信息可能非常敏感，諸多場景私人信息的使用或多或少涉及侵犯私人利益。對于6G而言，要為社會(huì)所接受，對私人信息的保護(hù)是一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素。

4.6G需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模式升級(jí)

5G采用了網(wǎng)絡(luò)切片（Network slicing）方案，為用戶直接定制網(wǎng)絡(luò)資源、容量和功能，通過鏈接和計(jì)算機(jī)資源分配以及虛擬網(wǎng)絡(luò)功能在每個(gè)切片中控制和處理流量。網(wǎng)絡(luò)切片可以為用戶提供最好的服務(wù)，也可以應(yīng)用一些服務(wù)質(zhì)量模式來處理數(shù)據(jù)包。

在6G中，5G范式將得到細(xì)化和擴(kuò)展。一種可能性是虛擬化（關(guān)鍵）設(shè)備之間通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)到分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)并直達(dá)云端，實(shí)現(xiàn)端到端連接。在6G范式下，網(wǎng)絡(luò)可以通過多種技術(shù)手段（智能流量管理、邊緣計(jì)算、用戶主動(dòng)或流量編排設(shè)置等）來最大化用戶體驗(yàn)，如通過將用戶或運(yùn)營商設(shè)置為一組訂閱用戶，每個(gè)訂閱用戶在該組中統(tǒng)一進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分配。在某種意義上說，網(wǎng)絡(luò)是中立的，它平等地對待一個(gè)切片中的所有應(yīng)用程序，并且平等對待具有相同訂閱類型的所有用戶。

在6G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)中立性法規(guī)可能會(huì)更新，并會(huì)強(qiáng)制移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商向用戶提供可在其控制之下的增值安全服務(wù)，在這樣的規(guī)定下，運(yùn)營商可以向無法保障自己設(shè)備安全性的用戶收取合理、可接受的費(fèi)用。與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)為服務(wù)和應(yīng)用程序的競爭提供公平的基礎(chǔ)，以最大限度增加最終用戶的選擇權(quán)。

6G研究還需要研究私有網(wǎng)絡(luò)和公共網(wǎng)絡(luò)之間的責(zé)任劃分，短程連接解決方案與大覆蓋蜂窩系統(tǒng)的無縫集成將會(huì)變得更加普遍，并需在開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化方面提供更多的支持。

5.人工智能和區(qū)塊鏈可能在6G網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色

在6G時(shí)代，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能越來越重要，依賴于挖掘大數(shù)據(jù)來訓(xùn)練學(xué)習(xí)，不斷增強(qiáng)應(yīng)對更高傳輸速率的計(jì)算能力，同時(shí)通過不斷學(xué)習(xí)獲得更多的靈活性。

區(qū)塊鏈?zhǔn)橇硪粋€(gè)備受期待的新技術(shù)，該技術(shù)在沒有中樞機(jī)構(gòu)的情況下，以分布式方式存儲(chǔ)和共享不常更改的信息，但變更的完整記錄也會(huì)被保存。這可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)市場組織方式的變更，也可能有助于運(yùn)營商在相互設(shè)置網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)保持相互信任。

八、新服務(wù)的推動(dòng)者

1.6G將發(fā)展成一個(gè)包含通信服務(wù)在內(nèi)的服務(wù)框架

5G網(wǎng)絡(luò)之前，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)側(cè)重在通信方面，而定位服務(wù)等其他服務(wù)的優(yōu)先級(jí)很低，其后果是系統(tǒng)功能無法被充分利用或者達(dá)到最佳性能。又如，5G很難提供混合現(xiàn)實(shí)這樣的服務(wù)，因?yàn)樗枰罅糠?wù)，如定位、三維映射、數(shù)字化內(nèi)容與物理模型的融合以及低延遲的超高速通信等。擁有高頻天線陣列的密集無線網(wǎng)絡(luò)和布置在邊緣云的強(qiáng)大算力將使得此類集成服務(wù)成為可能。6G網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)在于如何以節(jié)能的方式實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

2.6G中所有用戶導(dǎo)向的計(jì)算和人工智能都移至邊緣云

隨著深度學(xué)習(xí)方面的突破、可用數(shù)據(jù)的增長以及智能設(shè)備興起，人工智能正在見證無線領(lǐng)域的空前發(fā)展。隨著新一代智能設(shè)備的激增，它們在其使用場景下進(jìn)行傳感、通信和操作將產(chǎn)生大量的本地?cái)?shù)據(jù)，但將大量本地?cái)?shù)據(jù)都傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行訓(xùn)練和推理并不切實(shí)際。該問題需要新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)的無線鏈路通信效率訓(xùn)練算法解決。但這種新架構(gòu)也帶來了新的挑戰(zhàn)：如對訓(xùn)練數(shù)據(jù)訪問受限、推理精度低、缺乏歸納性以及邊緣設(shè)備處理能力和內(nèi)存受限。

邊緣計(jì)算為運(yùn)行計(jì)算密集型、低延要求高的用戶提供了新的可能性。邊緣計(jì)算的一個(gè)使用案例是在邊緣端對虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行焦點(diǎn)渲染，另一個(gè)案例是在邊緣端對物理世界和數(shù)字世界進(jìn)行融合（將虛擬內(nèi)容與三維點(diǎn)云進(jìn)行匹配），以實(shí)現(xiàn)混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

此外，邊緣云還可以提供即時(shí)信息服務(wù)，在邊緣端快速感知人員、服務(wù)、設(shè)備、資源以及用戶附近的任何動(dòng)態(tài)且高度本地化的信息，而這些信息是集中式搜索引擎無法收集到的。未來，隨著邊緣計(jì)算與硬件設(shè)備的集合，將成為一種能夠與人類感官或神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行交互的低能耗設(shè)備，未來所有用戶導(dǎo)向的計(jì)算都將在邊緣云中進(jìn)行。

3.傳感、成像和高精度定位能力與移動(dòng)性的集成將在6G中創(chuàng)造出大量的新應(yīng)用

與現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)不同，未來的通信系統(tǒng)將在多個(gè)需要定位的垂直行業(yè)領(lǐng)域變得無處不在，如資產(chǎn)跟蹤、運(yùn)輸和物流系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和醫(yī)療保健等，極高的載波頻率、大帶寬、龐大的天線陣列、密集化以及設(shè)備到設(shè)備的通信等將會(huì)被廣泛應(yīng)用。同時(shí)，三維波束賦形等技術(shù)由于可以提高頻譜利用率和整體的信號(hào)質(zhì)量，也將為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供定位服務(wù)。

基于射頻的傳感服務(wù)是未來的另一個(gè)機(jī)會(huì)。例如，三維太赫茲成像可通過精確的定位和物體檢測來提高交通安全性?；诠鈱W(xué)或無線電技術(shù)的三維投影在未來混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中將發(fā)揮重要作用，成為未來邊緣服務(wù)的重要組成部分。

4.信任和隱私是6G服務(wù)平臺(tái)成功實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵前提

上述的應(yīng)用在使用過程中將處理和存儲(chǔ)有關(guān)用戶的私密信息。當(dāng)服務(wù)使用者在沒有E2EE加密保護(hù)（例如VPN）的情況下處理個(gè)人數(shù)據(jù)時(shí)，它們在數(shù)據(jù)隱私安全性方面面臨著更高的要求。邊緣服務(wù)相比云服務(wù)，面臨著移動(dòng)性管理的挑戰(zhàn)。
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