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摘要

隨著5G R16標準的完成以及商用規(guī)模的不斷擴大，針對下一代移動通信即6G的研究也逐步開展起來，旨在為2030年的需求提供服務。盡管5G被賦能給社會帶來多方面變化，但未來隨著需求不斷升級以及新興技術、新型材料及各學科融合的促進，移動通信系統(tǒng)仍有很大的變革空間。針對已開展6G研究的組織機構及國家進行了介紹，包括背景、相關的進展及未來布局，同時分析了面向6G潛在的使能技術及網(wǎng)絡架構，最后根據(jù)目前研究現(xiàn)狀總結了6G的愿景及未來發(fā)展方向。

概述

移動通信技術目前已演進到第五代（5G）,縱觀其發(fā)展歷程，2G/3G實現(xiàn)了基本的移動連接，而部署最廣泛的4G通過智能終端的普及帶來了巨大的數(shù)據(jù)吞吐量，改變了用戶的生活方式。5G更是在還未全面商用就備受關注，其目標不僅僅要提高傳統(tǒng)用戶的業(yè)務體驗，更是將移動通信與垂直行業(yè)結合，大大拓展移動通信業(yè)務領域。雖然全球范圍而言，5G目前仍處于部署初級階段，與垂直行業(yè)的合作也剛剛開始推進，但未來隨著部署及業(yè)務的不斷成熟，定能帶來移動通信市場的繁榮，加速各個行業(yè)甚至整個社會的數(shù)字化進程。

盡管5G的系統(tǒng)指標及能力有了大幅提升，應用場景也逐漸多元化，但是仍然存在局限。面向未來，仍然有巨大驅動力推動移動通信網(wǎng)絡不斷演進。一方面是新興技術的驅動，比如人工智能、區(qū)塊鏈、云計算等ICT技術以及新型材料，天線等工藝。另一方面則是由于需求的不斷演進，隨著多樣化終端的發(fā)展及各行業(yè)數(shù)字化水平的提高，全息類、沉浸式XR、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、智慧工廠等業(yè)務被提出，不僅要求速率、時延、連接數(shù)、覆蓋范圍等傳統(tǒng)性能指標要求提升，還將帶來對感知、定位、安全等全新維度的需求。因此針對下一代移動通信的愿景、需求及技術研究逐步開展起來，而由于5G所給社會帶來的巨大變革及附加經(jīng)濟價值，使得全球具備競爭力的國家及產(chǎn)業(yè)鏈高度重視移動通信技術，不僅各大標準組織、學術界甚至很多國家相關機構、產(chǎn)業(yè)界都紛紛展開預研，旨在下一個10年即2030年到來時，能夠具備成熟的技術體系，滿足新型業(yè)務需求，同時提高自身競爭力。

本文針對下一代移動通信即6G系統(tǒng)，梳理了全球各大標準組織、地區(qū)及國家組織、高校研究機構的研究背景及相關進展，分析了目前潛在的無線側及網(wǎng)絡側技術方向及帶來的技術優(yōu)勢，最后總結了6G進展，提出了針對6G愿景及整體發(fā)展方向的思考。

全球6G研究現(xiàn)狀

2.1 國際組織及區(qū)域組織

2.1.1 國際電信聯(lián)盟（ITU）

國際電信聯(lián)盟下設的電信標準化部門第13研究組（ITU-T SG13）致力于未來網(wǎng)絡研究,并于2018年7月建立了NET-2030網(wǎng)絡焦點組，旨在探索面向2030年及以后的網(wǎng)絡服務需求。該焦點組下設3個子組，包括應用場景與需求，網(wǎng)絡服務與技術以及架構和基礎設施，并于2019年發(fā)布2本白皮書，分別關注應用場景以及2030網(wǎng)絡的新服務能力，提出了全息、觸覺互聯(lián)網(wǎng)等多種新型場景，以及目前網(wǎng)絡Gap和未來網(wǎng)絡最需關注的服務。

此外,ITU下設的無線電通信部門5D工作組（ITU-R WP5D）于2020年2月在瑞士日內瓦召開的會議上，啟動了面向2030及未來（6G）的研究工作。會議形成初步的6G研究時間表，包含未來技術趨勢研究報告、未來技術愿景建議書等重要計劃節(jié)點。本次會議上，ITU啟動“未來技術趨勢報告”的撰寫，計劃于2022年6月完成。該報告描述5G之后IMT系統(tǒng)的技術演進方向，包括IMT演進技術、高譜效技術及部署等。此外，還計劃2021年上半年啟動“未來技術愿景建議書”，到2023年6月完成。該建議書包含面向2030及未來的IMT系統(tǒng)整體目標，如應用場景、主要系能力統(tǒng)等。目前，ITU尚未確定6G標準的制定計劃。

2.1.2 電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）

IEEE于2018年8月啟動了目標為“實現(xiàn)5G及更高版本”的未來網(wǎng)絡研究。2019年3月25日，IEEE贊助的全球第一屆6G無線峰會在芬蘭召開，工業(yè)界和學術界眾多參會代表發(fā)表對于6G之最新見解和創(chuàng)新，探討實現(xiàn)6G愿景需要應對的理論和實踐挑戰(zhàn)。該會議的論文及報告涉及對6G的場景暢想、毫米波及太赫茲、智能連接、邊緣AI，機器類無線通信等多項技術，第二屆6G無線峰會也于2020年在線上舉行，由業(yè)界、運營商、研究機構學者及利益相關者進行主題演講、技術會議及相關展示等，6G峰會屬于全球范圍內技術盛會，目標是通過各行業(yè)群策群力，明確6G愿景及發(fā)展方向。

2.1.3 第三代合作伙伴計劃（3GPP）

3GPP目前的在研版本R17仍然是5G特性的演進及增強，但需求組SA1已啟動未來業(yè)務的相關立項，包含智能電網(wǎng)、觸感通信等，有較大可能平滑過渡到下一代移動通信系統(tǒng)。根據(jù)目前進展及計劃，3GPP大概率會在R19(2023年)開始6G愿景、技術、需求方面的工作,在R21或以后階段開始進行6G標準化工作。

2.1.4 6G Flagship

由芬蘭財團贊助，奧盧大學（Oulu University）主導的6G旗艦計劃（6G Flagship）于2019年成立，致力于提供“近即時、無限無線連接”的標準化通信技術，并于2019年9月發(fā)布白皮書《Key Drivers and Research Challenges for 6G Ubiquitous Wireless Intelligence》，初步回答了6G怎樣改變大眾生活、有哪些技術特征、需解決哪些技術難點等問題。內容包括6G愿景、驅動力、應用及服務，無線研究方向集中在人工智能、新的免授權接入、信號成型、模擬調制、大型智能表面等，同時針對無線硬件的進展和難度進行了分析，網(wǎng)絡研究方向則集中在信任鏈的建立。

2.2 國家觀點與布局

2.2.1 歐盟

歐盟在2017年發(fā)起第6代移動通信（6G）技術研發(fā)項目征詢，旨在2030年商用6G技術。同時，歐盟已啟動為期3年的6G基礎技術研究項目，主要任務是研究可用于6G通信網(wǎng)絡的下一代前向糾錯編碼技術、高級信道編碼以及信道調制技術。歐盟Horizon 2020組織也將啟動“智能網(wǎng)絡與服務”的6G研究項目，目前正在前期論證預研階段。

此外，歐盟積極資助大學和研究機構，包括芬蘭國家技術研究中心、奧盧大學等，關注未來應用場景及太赫茲、無線寬帶接入、邊緣智能、編解碼等技術方向。

2.2.2 美國

美國政府十分重視6G技術，且在太赫茲及空天地一體化技術領域持續(xù)發(fā)力。FCC于2019年3月頒布美國在THz頻段上頻譜分配：95 GHz to 3THz，認為6G將邁向太赫茲頻率時代，隨著網(wǎng)絡越加致密化，基于THz、區(qū)塊鏈的動態(tài)頻譜共享技術、空間復用技術等3大類技術正在變成新的技術趨勢。美國紐約大學、加州大學及弗吉尼亞理工大學都在進行太赫茲及其他6G方向的預研工作。此外，SpaceX、OneWeb、Amazon等紛紛推出衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃，作為后續(xù)6G的潛在賦能技術。

2.2.3 日本

日本政府計劃通過官民合作的方式制定未來6G的綜合發(fā)展戰(zhàn)略。經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省設立總額2200億元的基金，建立一個關鍵國家優(yōu)先項目，啟動6G研發(fā)。由東京大學校長擔任主席，東芝等科技巨頭提供技術支持。日本目前在太赫茲領域獨占優(yōu)勢，并將太赫茲技術列為“國家支柱技術十大重點戰(zhàn)略目標”之首。NTT集團就曾經(jīng)宣傳開發(fā)出了太赫茲和軌道角動量兩項B5G和6G技術。此外，日本還將把“光半導體”作為支撐6G的信息處理技術。NTT表示將與65家企業(yè)合作，力爭2030年之前實現(xiàn)用于6G的光半導體量產(chǎn)。

2.2.4 韓國

韓國的6G研究主要集中在企業(yè)及高校研究機構，包括三星、SK、LG電子、韓國高級科學技術研究院等，其中LG電子與韓國高級科學技術研究院合作建立了6G研究中心；電子和電信研究院已與芬蘭奧盧大學簽署了一項備忘錄，以開發(fā)6G網(wǎng)絡技術。SK Telecom與芬蘭諾基亞公司和瑞典愛立信公司簽署了協(xié)議，以加強在6G網(wǎng)絡研發(fā)方面的合作。2019年6月，三星成立高級通訊研究中心，開始對6G網(wǎng)絡進行研究，2020年7月，三星發(fā)布6G愿景白皮書《6G：The Next Hyper Connected Experience for All》，內容涵蓋了三星的6G愿景、演進趨勢、應用場景、指標需求、候選技術及預期的標準化時間表。

2.2.5 中國

2019年11月，科技部召開6G技術研發(fā)工作啟動會，宣布成立國家6G技術研發(fā)推進工作組和總體專家組，其中，推進工作組負責推動6G技術研發(fā)工作實施；總體專家組負責提出6G技術研究布局建議與技術論證，為重大決策提供咨詢與建議。工信部也于2019年成立6G研究組，后又更名為IMT-2030，聚集工業(yè)界和高校等各方力量，涵蓋了需求、無線及網(wǎng)絡技術，加強前瞻性愿景需求及技術研究，目標在于明確6G推進思路和重點方向。

潛在研究方向

針對下一代移動通信的研究離不開對新技術及新型網(wǎng)絡架構的探討，本章節(jié)梳理了各大組織、高校及研究機構目前研究方向的重點，并分為新型頻譜、新型無線側技術以及新型組網(wǎng)架構及網(wǎng)絡能力3類，主要介紹了技術特點及面向6G系統(tǒng)的必要性，為后續(xù)更豐富、系統(tǒng)的研究工作提供基本參考。

3.1 新型頻譜

未來業(yè)務類型及用戶都將向更加多樣化發(fā)展，對網(wǎng)絡性能要求越來越高，而目前低頻頻率資源已逐漸被完全占用，因此向更高段頻譜延伸將成為6G的探究方向，目前較受業(yè)界關注的頻譜包括太赫茲和可見光頻段。

太赫茲指的是從100 GHz到10 THz的頻段，波長范圍為 0.03~3 mm 介于無線電波和光波之間的電磁輻射，具有攜帶信息豐富，亞皮秒量級脈寬、高時空相干性、低光子能量、穿透性強、使用安全性高、定向性好、帶寬高等特性。太赫茲通信類應用可根據(jù)覆蓋距離分為2類，長距離覆蓋的應用包括大容量無線前傳/回傳、無線數(shù)據(jù)中心、空間應用等，覆蓋距離約為百米到千米的量級。短距離覆蓋的應用包括近距離點對點通信、芯片通信、健康監(jiān)測及納米級物聯(lián)網(wǎng)等，覆蓋范圍為毫米到米。目前關于太赫茲研究的關鍵問題是核心器件的研發(fā)及靈活動態(tài)的空口設計。

可見光波段頻譜在420~780 THz，波長范圍380~780 nm，無需授權即可使用，而可見光通信又具有照明和通信結合、無電磁干擾、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，因此，VLC作為解決近距離家庭介入重要手段，被認為是未來通信系統(tǒng)可選技術。VLC的主要應用場景包括室內無線接入、室內定位、室內導航、智能交通、在航空領域應用、設備間數(shù)據(jù)共享、高速率信息傳輸、水下通信、信息安全領域等，但目前可見光通信產(chǎn)業(yè)鏈不夠成熟，瓶頸在于移動終端的可見光收發(fā)器件。

3.2 新型無線側技術

3.2.1 大型智能表面

在以前的移動系統(tǒng)中，很多無線單項技術致力于更好的適應不斷變化的無線信道環(huán)境，利用優(yōu)化收發(fā)機的設計（如波形方案、編碼方案、時頻空傳輸機制等）來提高系統(tǒng)容量。可以以前對電磁波的控制力僅局限在發(fā)射機和接收機上，而近年來智能超表面的出現(xiàn)，使得信道環(huán)境的電磁特性能夠被靈活控制，引起了學界和業(yè)界的廣泛關注。智能超表面是一種具有可編程電磁特性的人工電磁表面結構，通常由可編程新型超材料構成。智能超表面可以通過數(shù)字編碼對電磁波進行主動的智能調控，形成幅度、相位、極化和頻率可控制的電磁場。這一機制提供了智能超表面的物理電磁世界和信息科學的數(shù)字世界之間的接口，智能超表面技術優(yōu)勢還包括低能耗、低硬件成本、無自干擾、配置靈活、應用廣泛，能夠根據(jù)不同應用場景，通過反射、透射、散射等方式實時調控電磁波束，改變無線環(huán)境，增強有用信號質量，進而達到增強覆蓋、提升系統(tǒng)容量、簡化設計的目的，對于未來移動通信的發(fā)展尤其有吸引力。

3.2.2 新型編碼與波形

在以前移動系統(tǒng)演進過程中，從4G到5G，峰值速率增長了10倍以上，可以預測，到下一代移動系統(tǒng)，速率增長趨勢仍然會保持，甚至可能加速。譯碼的吞吐量需求達到百Gbps以上，需要對譯碼算法、糾錯碼重新設計，提高譯碼并行度。同時可靠性要求也逐漸提高，要求編碼要有更低的差錯平層，優(yōu)化相關設計。目前研究比較多的編碼技術包括Spinal編碼技術、索引調制技術、非線性預編碼，同時人工智能用于編碼也逐漸受到關注。此外，5G系統(tǒng)中，波形設計能夠靈活適配不同應用場景，而未來6G支持的場景及業(yè)務更為復雜，性能指標也將大幅提升，新波形的設計及引入勢在必行。目前研究包括基于非正交波形設計，變換域波形設計等。新型編碼及波形都將在未來系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，是需要重點探究的技術方向。

3.3 新型組網(wǎng)架構與網(wǎng)絡能力

3.3.1 天地空海一體化

衛(wèi)星通信在改善當今數(shù)字經(jīng)濟生活中起著至關重要的作用，與地面網(wǎng)絡相比，衛(wèi)星網(wǎng)絡具有完整的地球表面覆蓋、先進的移動性、高安全性和可靠性、遠距離傳輸?shù)臅r延保障等。將衛(wèi)星、飛行器與地面網(wǎng)絡結合實現(xiàn)立體和異構網(wǎng)間互聯(lián)，可以實現(xiàn)廣范圍、大容量、巨連接的信息分發(fā)與交互，滿足存在局限的農村地區(qū)連接、空域海域連接、災害管理等特殊場景，實現(xiàn)全球無縫覆蓋及無感知切換，為下一代移動通信覆蓋要求、連接要求提供保障。目前技術體系面臨的技術挑戰(zhàn)包括傳輸鏈路高動態(tài)變化、網(wǎng)絡時空行為復雜、異質業(yè)務尺度差異大，同時空天地一體化組網(wǎng)、傳輸理論、優(yōu)化調度、智能協(xié)同等技術層面也需要很大的技術突破。

3.3.2 確定性網(wǎng)絡

確定性網(wǎng)絡（DetNet——Deterministic Networking）原本是一項幫助實現(xiàn)IP網(wǎng)絡從“盡力而為（best-effort）”到“準時、準確、快速”，控制并降低端到端時延的技術，最初主要針對工業(yè)、能源、車聯(lián)網(wǎng)等對網(wǎng)絡低時延、可靠性和穩(wěn)定性要求極高的垂直行業(yè)。目前IEEE制定的TSN標準提供了以太網(wǎng)的確定性，IETF成立的確定性網(wǎng)絡工作組則致力于將TSN中開發(fā)的技術擴展到路由器，擴展網(wǎng)絡規(guī)模。未來隨著移動終端及所搭載業(yè)務類型更加多樣化，高精度時間同步，絕對的端到端上限時延，超可靠零丟失的數(shù)據(jù)包傳遞等“確定性”的需求將成為下一代移動系統(tǒng)的要求。而無線側是實現(xiàn)移動系統(tǒng)端到端確定性的關鍵，無線傳輸容易受到環(huán)境影響，傳輸質量難以保障。在5G時代，3GPP標準制定了TSN與5G融合的方案，將5G系統(tǒng)作為TSN橋，以黑盒子的方式進行架構融合，但兩者仍是獨立的系統(tǒng)，難以充分保障TSN的性能。未來在下一代移動通信系統(tǒng)中，將充分考慮業(yè)務的特性，使得6G原生支持確定性，相關的技術方案和架構體系需要進一步完善。

3.3.3 云原生

云原生是指應用部署在云端服務器，且具備容器化、微服務、持續(xù)交付和DevOps幾大特征，這些技術能夠構建容錯性好、易于管理和便于觀察的松耦合系統(tǒng)。5G時代，核心網(wǎng)基于服務化架構，使得網(wǎng)絡功能更易于利用通用化服務器實現(xiàn)，在數(shù)據(jù)中心達到云化效果。但目前5G核心網(wǎng)部署仍未具備容器化、微服務等特性。未來為了構建靈活性、可擴展性，快速創(chuàng)新及上線的網(wǎng)絡服務，云原生可作為適合的解決方案。盡管移動網(wǎng)傳統(tǒng)無線設備一直以來封閉性程度高，且網(wǎng)絡功能對實時性等要求極高，但對于移動網(wǎng)云原生相關研究及探索一直在推進，相信隨著技術及產(chǎn)業(yè)不斷成熟，未來能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢構建靈活、彈性的新型網(wǎng)絡架構。

3.3.4 泛在智能

人工智能的不斷繁榮正在徹底改變科技的每一個分支，將人工智能與下一代移動網(wǎng)絡結合已成為不可阻擋的趨勢。目前通信領域與智能化的結合方式大多是在完成系統(tǒng)部署后，利用數(shù)據(jù)搜集和人工智能算法對業(yè)務進行優(yōu)化，但其應用的程度及范圍較低。未來隨著網(wǎng)絡架構不斷演進，以及泛在連接的發(fā)展，人工智能能夠更密切地與網(wǎng)絡的每一個環(huán)節(jié)結合，不僅僅部署在云端，還將深入到邊緣側、終端側，不僅僅用于特定業(yè)務的智能優(yōu)化，還將更廣泛與系統(tǒng)設計結合，包括網(wǎng)絡部署、算法設計、算力分配，將智能化更廣泛地植入在網(wǎng)絡中，實現(xiàn)真正的智能泛在，全面提升未來移動網(wǎng)絡能力。

3.3.5 內生安全

未來新型業(yè)務愿景和網(wǎng)絡架構，包括沉浸式XR、全息、空天地一體化泛在連接、AI等，將會引入更多的攻擊點，為安全帶來更多的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的安全防御模式為補丁式，即在系統(tǒng)構建完成后，通過孤立的安全設計、堆疊、加固，是被動的防護模式，存在低效、不經(jīng)濟的問題。因此，未來移動網(wǎng)絡要探索新型的安全模式。內生安全基于內聚、協(xié)同、原生等屬性，使安全具備原生創(chuàng)建、共生演進的特征。通過對不同安全協(xié)議與安全機制的聚合來對網(wǎng)絡進行安全治理，同時安全防護能力具備自主驅動力，來同步甚至前瞻性地適應網(wǎng)絡變化，以衍生網(wǎng)絡內在穩(wěn)健的防御力，不再是對安全威脅進行被動的應對，在未來6G網(wǎng)絡中可發(fā)揮重要的作用。

總結

6G網(wǎng)絡是將是面向2030年及以后的網(wǎng)絡，雖然目前處于研究的初級階段，但仍然可以從業(yè)務及技術的演進趨勢初步窺探，6G網(wǎng)絡需要支持未來業(yè)務的更高帶寬、更嚴格的確定性，更廣更深程度的覆蓋，同時考慮提供更智能、更安全、更靈活的網(wǎng)絡服務。本文梳理了研究機構針對6G的進展及潛在技術方向，盡管目前6G路線尚不明確，潛在方向也存在理論、物理實現(xiàn)以及組網(wǎng)等各方面的問題，但隨著科研的不斷投入及產(chǎn)業(yè)界持續(xù)推進，相信下一代移動通信系統(tǒng)定將帶來更多維度的改變及更深層次的顛覆！

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作者簡介：

劉珊，畢業(yè)于北京交通大學，碩士，主要從事5G移動通信系統(tǒng)及未來網(wǎng)絡相關研究工作；

黃蓉，畢業(yè)于北京郵電大學，高級工程師，博士，主要從事無線移動通信相關技術研究及標準化工作；

王友祥，高級工程師，博士，主要從事5G新技術研究及試驗工作。