6G之路：愿景、需求、关键技术及实验平台

来源： 边缘计算社区

作者：王承祥

2021年1月在《中国科学：信息科学》发表的6G英文长篇综述论文《Towards 6G wireless communication networks: Vision, enabling technologies, and new paradigm shifts》， 得到了广泛关注与引用，目前谷歌学术引用已经超过860次，并荣获了2022年中国电子学会电子信息领域优秀论文奖、2022年第七届中国科协优秀论文奖。

近几年6G白皮书与6G综述论文层出不穷，我们也在不断思索：

1) 到底如何凝聚共识，定义6G愿景与关键性能指标（KPIs）？

2) 6G有哪些可能的应用场景、网络架构与关键技术？

3) 6G距离实现还有多远？有没有实验平台探索验证新的6G信道特性、6G关键技术及性能指标？

4) 6G的基础理论突破可能在哪些方向？

5) 6G有哪些面临的未来挑战与研发方向？

历经1年多调研与探讨，东南大学再一次联合紫金山实验室、华为、英国爱丁堡大学、英国杜伦大学、英国南安普顿大学、英国思克莱德大学、瑞典林雪平大学、法国巴黎萨克雷大学、加拿大滑铁卢大学、美国普林斯顿大学共11家国内外通信领域优势科研院校及企业的顶尖学者（包含12位IEEE Fellow），倾心撰写的6G英文长篇综述论文《On the Road to 6G: Visions, Requirements, Key Technologies and Testbeds》，被通信领域影响因子最高（33.84）的国际顶级期刊IEEE Communications Surveys & Tutorials （IEEE COMST）接受发表。

主要创新点与贡献

此6G综述论文篇幅长达70页，包含参考文献662篇，对6G进行了全面的探讨和总结，旨在提出更全面的6G定义，涵盖目前对6G的普遍理解，并全面综述6G的最新发展。与现有6G综述论文和6G白皮书相比，创新点和贡献总结如下：

1) 对全球6G愿景、技术需求、应用场景进行了全面的描述，涵盖了当前业界对6G的普遍认识；

2) 全面综述了6G网络架构和关键技术的发展趋势、研究现状以及标准化进展，并提出了一种综合的 6G 网络架构；

3) 首次对现有的6G实验平台进行了调研总结，包含6G无线信道实验平台、6G关键技术仿真实验平台以及6G系统综合实验平台；

4) 从全球 6G 愿景出发，讨论了 6G 的一系列开放研究方向和主要挑战，并总结了从大量文献批判性评估中吸取的经验教训。

1 6G愿景展望

       

— 图1：6G愿景：全覆盖、全频谱、全应用、全感官、全数字、强安全 —

6G愿景可以描述为“全覆盖、全频谱、全应用、全感官、全数字、强安全”，如图1所示。

全覆盖

为了实现全覆盖，6G将从地面通信扩展到空、天、地、海一体化通信网络。

全频谱

为了满足大流量、大连接的应用需求，6G通信网络将全面挖掘全频谱资源，包括sub-6 GHz、毫米波、太赫兹、光波段。

全应用

为了服务各个垂直行业，通信、计算、存储、控制、传感、定位、AI、大数据等将深度融合，产生通感一体化等全应用场景。

全感官

6G还将通过全息通信和存储、沉浸式扩展现实、触觉互联网和其他应用，为用户提供完整的感官体验。

全数字

6G将以数字孪生为基础，实现数字世界与物理世界的映射，最终实现“人-机-物-环境”的智能连接。

强安全

强安全体现在通信网络设计时考虑到安全性，称为网络内生安全，包括物理层安全和网络层安全。与AI相结合，6G也将实现智能化的内生安全。

2 6G技术需求与应用场景

       

— 图2 6G关键性能指标 —

ITU-R选取了8个参数作为国际移动无线通信2020（IMT-2020）的KPI，然而随着移动通信网络的快速发展，这些指标将不足以满足6G的变革性应用场景。本文旨在提出更全面、更合理的KPI，并在广泛调研的基础上定义其参考值。图2展示了6G的17个KPI，其中红色部分为5G标准未考虑到的指标，并将6G指标和5G指标进行了直观地比较。

— 图3 6G潜在应用场景 —

在5G时代，主要有增强移动宽带（eMBB）、大规模机器通信（mMTC）和uRLLC三大应用场景，分别满足大带宽、高速率、大连接密度、高可靠性和低时延的高要求。一方面，6G将继续增强和扩展上述应用场景；另一方面，随着技术的不断融合发展，6G衍生出的一些潜在应用也将融合多种场景的特点，对通信网络提出了更高的要求。此外，6G可能还有一些其他的新型场景，包括超低功耗通信、空天地海一体化网络、数字孪生应用等。

3 6G网络架构与关键技术

       

— 图4 6G网络架构发展趋势 —

应用的需求和成本的考虑推动着网络架构的演进，5G网络架构主要提出了软件定义网络、网络功能虚拟化、网络切片、基于服务的网络架构这些概念，6G网络架构将在这些5G架构进一步演进的基础上，融合一些新型的网络架构与技术，向着三维多域融合、安全可靠、灵活轻量化、内生AI的智能化以及网络计算感知融合的方向发展。

— 图5 6G潜在关键技术 —

6G系统将采用全频段技术，为用户提供全球覆盖，并进一步扩展通信系统的内涵，实现基于安全保证的通信、感知和计算相融合的智能服务。基于现有研究和相关技术的最新发展，本文筛选出16个潜在6G关键技术并将其分为四个演进方向。部分潜在6G技术是5G关键技术的演进，同时，新的物理维度和新型技术将致力于实现革命性数据传输方式的突破以及扩展通信网络的功能。

4 6G实验平台

       

— 图6 6G关键性能指标 —

为了调查用于信道特性探索、关键技术验证和通信系统整体评估的实验平台研发现状，本节6G实验平台的最新发展做出了总结。包括6G信道实验平台、6G关键技术实验平台和6G系统综合实验平台。文中通过表格形式给出了现有可用于研究全频段、全覆盖和全应用场景的信道特性的信道探测器的具体配置以及6G核心技术实验平台的信息。

5 未来挑战与经验教训

       

— 图7 6G未来研究方向和挑战 —

为了实现“全覆盖、全应用、强安全、全频谱、全感官、全数字”的6G愿景，还有很多问题和研究方向需要进一步探索。此外，6G通信理论亟待突破。这些研究方向给6G研究带来了挑战和新的机遇，如图7所示。本文首先讨论基础理论方面的挑战，即新型信道研究、电磁信息论、统一基带信号处理和6G性能指标折中。然后，分析并指出未来的研究方向和关键挑战，以接近6G愿景。最后，介绍整个系统研究和部署研究面临的挑战，包括实现绿色网络和为6G发展建立实验平台。

— 图8 经验教训 —

基于对6G研发的深入调查，如图8所示，本文总结了一些6G发展的经验教训：6G未来的发展需要注重场景化设计，应用多成分优化工具；通过合理规划研发和部署，降低成本，最大化6G网络能力；基础研究是6G研究的重要支柱之一，重视基础研究以寻求发展突破；将人工智能技术深度集成到6G网络的所有开放系统互连层中，寻求互惠融合、协调发展；发展绿色网络，以环境保护和成本为目标，关注绿色技术和效率指标；最后，本文呼吁6G发展需要国际合作，构建全球标准和全球统一的6G生态。