6G愿景与需求：数字孪生、智能泛在

刘光毅　金婧　王启星　董静　楼梦婷　黄宇红　陈志伟　冯瑶

【摘  要】面向2030年，提出“数字孪生”和“智能泛在”的社会发展愿景，探讨了全新的6G应用场景，并结合未来的新业务新服务，提炼出6G移动通信系统的技术需求指标，并提出了按需服务、极简、柔性、智慧内生和安全内生等6G网络的基本特征构想。

【关键词】5G;6G;愿景与场景;需求指标;极简;智慧内生;安全内生

0   引言

移动通信创新的步伐从未停歇，从第一代模拟通信系统（1G）到万物互联的第五代移动通信系统（5G），移动通信不仅深刻变革了人们的生活方式，更成为社会数字化和信息化水平加速提升的新引擎。5G已经步入商用部署的快车道，通信技术将进一步与云计算、大数据和人工智能等新技术深度融合，带来整个社会的数字化和智能化转型，培育出新的需求并推动移动通信技术向下一代移动通信系统（6G）方向演进和发展。

6G正在成为未来大国科技战略竞争的下一个焦点，各国积极部署6G研发。芬兰政府在世界范围内率先启动6G大型研究计划，美国联邦通讯委员会已为6G研究开放太赫兹频谱，而我国则在2018年3月宣布已经开始着手研究6G。

5G向6G的发展必将经历5G演进（即B5G）和6G两个阶段。目前，B5G和6G的定义和技术需求还处于探索阶段，业界并未得到统一的定义。预计未来几年，世界各国将在6G技术路线和发展愿景上逐渐达成共识。作为面向2030的移动通信系统，6G将进一步融合未来垂直行业衍生出全新业务，并通过全新架构、全新能力，打造6G全新生态，推动社会走向虚拟与现实结合的“数字孪生”世界，真正实现通过“数字孪生”与“智能泛在”实现重塑世界的美好愿景。

1   6G愿景：数字孪生、智能泛在

“马斯洛需求层次理论”将人的需求分成五个层次，受其启发，中国移动将其演化到通信需求层面[1]，提出一种层次化的通信需求模型，分为五个等级：必要通信、普遍通信、信息消费、感官外延、解放自我，如图1所示。该模型中，通信需求和通信系统构成了螺旋上升的循环关系：需求的出现刺激了通信技术和通信系统的发展，而通信系统的完善将通信需求推向更高的层次，最终实现人类的解放，实现人类智能化的终极追求。

依据新通信马斯洛需求模型，低级需求被满足后，高级需求将自然出现。“4G改变生活，5G改变社会”印证了人们从未停止对更高性能的移动通信能力和更美好生活的追求。4G时代是数据业务爆发性增长的时代，随着智能手机的普及和消费互联网的发展，从衣食住行到医疗、教育、娱乐，人类的日常生活的便捷性得到极大的提升。5G将开启一个万物互联的新时代，它将实现人与人、人与物、物与物的全面互联，渗透各行各业，让整个社会焕发前所未有的活力。未来，随着5G应用的快速渗透、科学技术的新突破、新技术与通信技术的深度融合，必将衍生出更高层次的新需求，如果说5G时代可以实现信息的泛在可得，6G应在5G基础上全面支持整个世界的数字化，并结合人工智能等技术的发展，实现智慧的泛在可得、全面赋能万事万物。

在2030年及以后的时代，随着信息和感官的泛在化，整个世界将基于物理世界生成一个数字化的孪生虚拟世界，物理世界的人和人、人和物、物和物之间可通过数字化世界来传递信息与智能（如图2所示）。孪生虚拟世界则是物理世界的数字化模拟，它精确地反映和预测物理世界的每个智能体乃至整个世界的真实状态，并对未来发展趋势进行提前预测，提出和验证对物理世界的运行进行提前干预的必要手段和措施，避免物理世界的个体或群体灾害风险和事故的发生，帮助人类更进一步地解放自我，提升生命和生活的质量，提升整个社会生产和治理的效率，实现“重塑世界”的美好愿景。

所以，数字孪生不仅在工业领域发挥作用，也将在通信、智慧城市运营、家居生活、人体机能和器官的活动监控与管理等方面大有可为。

同时，随着人工智能和大数据技术的突破，数字孪生世界将为AI的应用提供更广阔的场景，未来6G网络的作用之一就是基于无处不在的大数据，将AI的能力赋予各个领域的应用，创造一个“智能泛在”的世界。所以，6G将通过泛在智能实现万物智联。机器之间可以开展智能协同工作，体域网设备之间可以进行智能监测和协作，人与虚拟助理之间可以进行深度思想交互，甚至人与人之间也可以进行智力交换，全面提升人类学习的技能与效率。

2   6G应用新场景与新业务

面向2030年及以后，在数字孪生世界和智慧泛在的背景下，移动通信的应用场景将会呈现出全新的特点，无处不在的无线连接、大数据和人工智能技术的应用将催生智享生活、智赋生产、智焕社会三个方面的全新应用场景，包含孪生体域网、超能交通、通感互联网、智能交互等。同时移动通信的业务和应用将朝着如下方向发展：一是业务需求的多样化，业务速率和时延等指标的动态范围更大;二是覆盖的立体化，包含空天地海等一体化的网络覆盖;三是交互形式与内容的多样化，包括数据、媒体、生物和智能等;四是业务开放化和定制化，用户可以按需定制网络能力;五是通信、计算、人工智能（Artificial Intelligence， AI）和安全融合化，提供可信、安全的服务。

2.1  孪生体域网

体域网是以人体为中心，由和人体相关的各种设备组成的通信网络。5G的体域网主要由各种植于体内和体表的传感器和外部设备组成，常用于人体的健康监测、运动监测等，如器官监测、可穿戴设备、智能外衣等。随着传感器等关键技术的突破性发展，孪生体域网将成为未来主要发展方向，通过体域网络，实现人体数据的全量采集，实时构建一个虚拟的“数字人”，并对人体各个器官乃至整个人体的运行状态进行实时的模拟和预测，即完美地复制出一个与物理人相对应的数字化身体。利用该“数字人”，我们可以模拟病毒攻击人体的机理，并制定相应的预防方案;可以研究不同器官，比如大脑，探究人类大脑的工作原理;手术时，不仅可以辅助医生判定人体的目前情况，甚至还可以预测患者在特定手術步骤后身体的可能变化，从而辅助医生诊断决策。通过追踪数字化身体各部分的运动与变化，可以更好地进行健康监测和管理，对人体病变等进行预测和提前干预，最大限度地提升人的生命质量。

2.2  超能交通

随着科技创新的不断突破，未来人类出行的方式将会变得更加便捷和多样，可以实现立体、多样的超能交通（如图3）。会飞的汽车、背包式个人飞行器、无人驾驶汽车和飞机、水中大巴、胶囊火车等新型的交通工具都将走进人类的生活，按需提供人类所需的交通和运输。所以，未来的交通可能是“海-陆-空-太空”4D的，多模态自由出行将成为人们生活常态，人们能够按需定制立体交通服务，真正实现即时的点对点、门到门的智慧出行。

超能交通的核心是一个强大的城市交通大脑，它包含了AI决策层、思维平台、通信联动层和数据感知层。AI决策层是交通大脑指挥官，负责决策交通事件;思维平台负责分析当前交通状况并预测;通信联动层涵盖蜂窝网、车联网等，实现信息的可靠传输;数据感知层包含了摄像仪等单元，负责基础交通数据采集。

超能交通中的全自动无人驾驶将开启互联美好生活，生活娱乐和办公的界限将完全消失。超能交通還将为人类塑造一个可信的交通环境，保障人们安全出行。

2.3  通感互联网

现有的通信网络传递的内容主要是语音、文字、图片、视频。随着人类社会的数字化和智慧化发展，传递更丰富形式的内容成为一种可能，所以6G网络将把传递的内容从传统的语音、文字、图片、视频拓展到更广泛的人体知觉，包括触觉、味觉、嗅觉甚至情感，形成一个通感互联网。

通感互联网是一种联动多维感官实现感觉互通的体验传输网络。在通感互联网中，人们可以通过互联基础设施，充分调动视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉并实现这些重要感觉的远程传输。基于通感互联网，人们不再局限于与真实或虚拟的人类和物体进行交互，而是可以和整个真实或虚拟的环境进行交互，给使用者带来身临其境的、全维度的沉浸式体验。例如远程教育将不再局限于视觉与听觉，更可以为用户提供丰富的触觉延展，音乐弹奏、美术、运动等技能学习都将可以通过通感互联网获得真实环境的学习体验。日常生活中，通感互联网促使沉浸式购物、娱乐游戏等体验进一步升级，购买食物、花束前都可以得到远程的、不消耗实物的试用体验。未来，通感互联网将以其低时延、高可靠、高安全等特性，广泛应用于自动驾驶、工业自动化、智能电网、娱乐生活和教育等行业，打造通感美好生活。

2.4  智能交互

未来社会通信的主体不再仅仅是人，而是智能体，包括人、虚拟的数字人、类人、机器人等。未来智能体之间的通信不仅仅包含数据和信息的传递，还会出现智能的交互。智能交互是智能体之间产生的智慧交互。现有的智能体交互大多是被动的，依赖于需求的输入，比如人与智慧家居的语音和视觉交互。

随着AI在各领域的全面渗透与深度融合，面向2030+的智能体将被赋予更为智慧的情境感知、自主认知能力，实现情感判断及反馈智能，可产生主动的智慧交互行为，在学习能力共享、生活技能复制、儿童心智成长、老龄群体陪护等方面大有作为。

3   6G网络技术需求

需求是技术发展的最直接、最有效的驱动力。二者如同两辆疾驰的赛车，相互较量、你追我赶。通常需求领先于技术，当需求与技术的差距达到一定程度的时候，就会带来技术的爆发，促使技术加速并实现对需求的反超。为支撑2030年以后的全新业务，提供全新服务，构建起智能泛在网络，一方面，6G需要深入挖掘用户更深层次的智能通信与社交需求;另一方面要与工业、医疗、交通等垂直行业深度融合，满足垂直行业的智慧建设需求，从而助力6G为社会发展带来全新突破，重塑一个全新的世界。

6G网络的技术指标需求来源于2030年以后的新应用场景的需求和新业务的需求。例如：全息通信中，极致的数据速率可带来沉浸式全息连接体验，这要求6G数据速率需达到Tbps量级。触觉通信最主要的挑战源于比5G更低的端到端时延（低于1 ms时延量级），对于高精度和提供保障的服务（如远程手术、云电力线通信、超能交通等），要求数据包传送从“及时”到“准时”，以及较之5G更高的可靠性。超能交通场景下，飞机、磁悬浮列车等承载的终端的移动速度将超过1 000 km/h，这对6G在超高移速下支持实时通信业务和高精度定位业务提出挑战。混合现实生活的典型需求为高吞吐量、超低时延、随时随地一致性体验、可靠性连接、超长电池寿命等。机器人与认知自动化，对6G移动网络在立体覆盖、安全、定位、抖动等方面的需求指标进一步提升。

与此同时，为了支持更灵活的业务适应能力，6G需要具备比5G更全面的性能指标。除传统定义的用户体验速率和峰值速率、频谱效率、时延、可靠性、移动速度等指标之外，6G网络还需要定义一些新的能力指标，如超低时延抖动、超高安全、立体覆盖、超高定位精度等。

如表1所示，6G将在现有5G能力指标基础上，显著提升关键性能指标需求。

5G网络的峰值速率、体验速率、用户面时延等指标已经需要系统支持大带宽和超密集组网，而对于全息通信需要的Tbps量级的数据传输速率、超能交通场景需要支持的超过1000 km/h移动速度等需求指标，依靠5G现有的网络和技术是难以实现的，必将带来新技术的突破。6G亟待潜在使能技术的研究助力智慧网络的到来。

4   6G网络技术特征构想

5G网络设计开启了ICDT融合的大门，在核心网的虚拟化和软件化方面迈出了重要一步，其实践经验必将在6G网络的设计中得到继承和发扬。同时，5G在实际产业发展、网络部署、业务拓展中面临的问题和挑战（如5G发展初期所面临的“3倍成本、3倍高功耗、3倍基站数”等）也将成为6G网络创新的源泉和动力。

结合技术发展趋势，6G网络需要具备如下特征：一是即插即用、灵活按需部署和扩展的极简网络;二是提供按需服务的按需服务网络，可以实现网络能力的极大提升;三是自治自演进的柔性网络。为了达到上述特征，网络还需要具备智慧内生、安全内生的特征。智慧内生保障了网络的极简、柔性、感知能力，安全内生则让网络有更强大的免疫能力。基于这些特征，6G网络将能满足全社会的需求，并实现6G智能世界的构想。

4.1  极简网络

在传统移动通信系统中，参考了蜂窝的密集部署方式，通过对单一六边形元素的镶嵌，实现了平面区域的高效覆盖，可以说蜂窝结构铸就了移动通信的发展历史。然而，现有的基于中心控制的分层网络面临发展瓶颈，无法支持未来6G网络中4D全方位通信的需要，因此必须对蜂窝网络架构进行革新。

另外，现有的网络都是按最大能力要求去设计和部署，导致资源和成本的极大浪费。未来的网络必须能够支持网元的即插即用、网元软硬件资源的按需分配和统筹利用，容量的按需扩展和弹性伸缩。

4.2  按需服务网络

6G网络在大幅超越现有的5G网络能力指标的同时，还需在高度安全、超精定位、全空间覆盖、极低时延抖动等多个维度定义全新的性能指标需求，从而突破垂直行业应用场景和网络性能的短板，提供更卓越、更高效的网络能力，以及极致的、无差异化的用户体验，使用户按需获得网络服务。

在未来6G网络中，依赖于新型编码技术、超大规模天线、太赫兹和可见光通信、电磁波新维度以及空天地一体化网络[4-10]等潜在使能技术，空口能力将得到极大提升，从而可以为用户提供更加丰富的业务和服务。同时，基于区块链“去中心”分布式账本的无线接入信息记录新方式，使人类工作、生活和娱乐更加便利化，构建一个数据智能感知、万物群体协作、天地一体覆盖和安全实时评估的新型绿色网络。

4.3  柔性网络

未来6G网络的另外一个重要特征就是柔性，即网络可以实现端到端的软件可定义和云化，通过基于大数据和人工智能的孪生网络，实现网络的智能化，达到“0”人工干预的网络维护，以及新功能的自动化引入和定义，实现网络的自我演进。为使网络具备柔性，6G网络需要满足三个基本条件：

（1）全软件定义的端到端网络。它要求网络具有开放的空口、端到端软件可定义以及灵活便捷的软硬件扩展能力。有了上述能力，6G网络就基本具备了软件快速迭代的能力。

（2）网络协议的前向兼容性设计。它将使新功能的设计和引入不会影响旧版本的网元和终端。

（3）去小區的网络结构。未来6G网络将完成“以小区为中心”网络向“以用户和终端为中心”网络的转变，从而按需和灵活地启动必要的接入点和网元功能配置，实现按需组网。6G网络将根据监测到的各个网元的行为、形态、负荷等各种参数，进行实时的网络形态和结构的管理，包括网元间的协作、空口覆盖、网元间的路由更新等，从而实现网络自治与自演进。未来网络将愈加接近“无蜂窝”状态，消除小区边缘差异，提供一致性用户体验。

4.4  智慧内生

现有5G通过打补丁和外挂的方式引入了AI的应用，导致AI仅能在网络中发挥有限的作用，效率也不高。所以6G网络在设计之初就必须考虑内生AI的理念，将AI和大数据的应用融入网络的基因当中，形成一个端到端的体系架构，根据不同的应用场景需求，按需提供AI能力和服务。未来6G网络还将通过内生的AI功能、协议和信令流程，实现AI能力的全面渗透，驱动智慧网络向前演进，即“网络无所不达，算力无处不在，智能无所不及”。

6G网络中的算力将从外延走向内生，最终实现网络与计算的深度融合。6G将进一步超越5G时代的边缘计算，并走向“在网计算”。而“在网计算”则构成了“泛在智能”的算力基础。通过网络与计算深度融合形成的基础设施，为AI提供了无处不在的算力，从而实现无所不及的泛在智能。

为了实现Zero Touch运营运维，基于智慧内生的6G网络将从网络自动化需求和控制机制、网络自动化管理、AI及大数据能力共享三个维度构建各个阶段网络的自动化发展目标。智慧内生网络可以通过自聚焦的方式，有效满足不断出现的新需求，使能资源管理的智慧决策，驱动自动化，降低成本并提高效率，实现数字转型按需提供服务。

4.5  安全内生

对于未来的数字孪生世界，安全至关重要。6G网络将实现由互联网安全向网络空间安全的全面升级，网络安全的内涵和外延将不断扩大。6G网络将以AI为引擎，实时监控安全状态并预判潜在风险，抵御攻击与预测危险相结合，从而实现智能化的内生安全。

（1）通过联网的智能体间的交互和协同形成共识，并基于共识来排除干扰，从而保障信息的完整性、一致性和可用性，为信息和数据提供高安全等级。

（2）基于AI和大数据技术，精准部署安全功能并优化安全策略，实现主动的纵深安全防御。

（3）使用可信计算技术，为网络基础设施、软件等提供主动免疫功能，增强基础平台的安全水平。

（4）通过端、边、管、云的泛在协同，准确感知整个系统安全态势，敏捷处置安全风险。

未来的6G网络的内生安全能力也将基于自适应、自主、自生长三大特点不断演进。

5   结束语

本文聚焦下一代移动通信系统，探讨了面向2030年的“数字孪生”与“智能泛在”的社会发展愿景与全新的移动通信应用场景，包括孪生体域网、超能交通、通感互联网和智能交互等，分析了6G网络需求指标，包括峰值速率、可靠性、超精定位等，提出了6G网络五大技术特征构想，即极简网络、柔性网络、按需服务网络、智慧内生、安全内生。

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作者簡介

刘光毅（orcid.org/0000-0002-8656-1946）：教授级高级工程师，博士毕业于北京邮电大学电路与系统专业，现任中国移动通信有限公司研究院首席专家及6G总监，长期负责4G、5G的研究、标准化和产业化工作，现负责6G相关的研究、标准化和产业化工作。

金婧：博士毕业于北京邮电大学，现任中国移动通信有限公司研究院高级研究员，研究方向为5G和6G关键技术研究和标准化，现负责6G的愿景与需求研究。

王启星：博士毕业于北京邮电大学，现任中国移动通信有限公司研究院未来移动通信技术研究所副所长，研究方向为5G和6G关键技术研究和标准化。