6G展望：愿景需求、应用场景及关键技术

蔡亚芬，胡博然，郭延东

（1.中国信息通信研究院，北京 100191；2.国才（北京）人力资源服务有限公司，北京 100013）

0 引言

我国2019年实现了5G预商用，2020年开始规模商用。在5G开启商用之际，业界对6G进行了初步探索。从1G到4G主要改变的是“生活”，5G将改变“社会”，而6G将相比于5G更大程度地改变“社会”——万物互联始于5G，进一步蓬勃发展于6G。从而可见，6G的战略重要性必将甚于5G。本文通过对6G愿景需求的展望，给出了超出当今5G系统性能范围之外的应用场景，以及针对这些需求的候选关键技术。

1 6G愿景需求

到2030年，智能信息社会将实现高度数字化、智能化，并通过近乎即时且无限的全无线连接实现全球数据驱动。6G将成为实现这一蓝图的关键推动力。它可以连接一切，提供全方位的无线覆盖，并集成所有功能，包括传感、通信、计算、缓存、控制、定位、雷达、导航和成像，以支持全垂直应用。6G将是一个具有人类智慧和意识的自治生态系统，它将从以人为中心演变为以人和机器为中心，并且将提供多种智联方式，例如通过手指、语音、眼睛和脑电波（或神经信号）与智能终端进行通信和交互。

基于以上6G愿景，6G的通信能力将在5G的基础上得到进一步升级和扩展，以实现更高的数据速率（5G的10-100倍）、更高的系统容量、更高的频谱效率、更低的时延、更广且更深的网络覆盖，进而支持更高的移动速度，服务于万物互联，并全面支撑泛在智能移动产业（面向智能生活与垂直行业）的发展。

2 6G应用场景展望

本节我们描述6G潜在的应用场景特征及需求，表1总结了各个应用场景的关键性能指标（KPI）。

表1 各个应用场景的关键性能指标（KPI）

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（1）大规模通信：虽然5G网络的设计支持超过10万个连接，但从2016年到2021年，每平方千米的移动通信量将增长3倍，从而将移动设备的数量推向极端，在密集地区每平方千米将拥有107台设备（5G最大达到106台设备）。估计到2030年，全球将有超过1，250亿个连接设备，这将给已经很拥挤的网络带来巨大压力，导致网络无法保证所需的服务质量。此外，新5G无线系统提供的数据速率可能不符合完全由数据驱动、近即时、超高吞吐量、连续连接的要求。6G技术应包括扩容战略，以向用户提供高吞吐量和连续连接。

（2）全息通信：十年后，人类目前的远程互动方式将会过时，真正的沉浸式交流会广泛出现。五维通信和服务，集成了所有人类感知信息（视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉），有望与全息通信一起出现，从而提供真正的沉浸式全息通信。人类趋向于以越来越高的保真度进行远程连接的趋势将给6G网络带来严重的通信挑战。3D全息显示的数据速率要求将达到Tb/s，延迟要求将达到亚毫秒级。此外，为了完全实现身临其境的远程体验，必须将五种人类感官数字化并在未来的网络中转移，从而提高总体目标数据速率。

（3）高精度制造：6G将推动以5G为起点的工业4.0革命，即通过网络物理系统和物联网服务实现制造业的数字化转型。打破物理工厂和网络计算空间之间的界限，从而使基于互联网的诊断、维护、操作和直接机器间通信具有成本效益、灵活性和高效率。自动化在可靠性和同步通信方面的要求，6G将通过太赫兹通信等技术来解决。诸如VR/AR应用之类的工业控制需要实时操作并保证微秒的延迟抖动和Gb/s峰值数据速率。

（4）电子健康：6G将彻底改变医疗保健行业，例如，通过远程手术消除时间和空间的障碍，并保证医疗保健工作流程的优化。除了高昂的成本外，当前阻碍通信技术在医疗领域应用的主要是缺乏实时触觉反馈。此外，电子健康服务的激增将挑战满足其严格的服务质量要求的能力，即持续的连接可用性（可靠性为99.99999%），超低延迟（亚毫秒）和移动性支持。由于毫米波信道固有的可变性和拥塞，5G系统不太可能实现电子健康服务。6G将通过移动边缘计算、虚拟化和人工智能等创新，释放电子健康应用的潜力。

（5）智能城市：6G将加快智能城市解决方案的采用，目标是改善生活质量、环境监测、交通控制和城市管理自动化。这些服务建立在传感器所产生的数据之上，这些传感器能够有效地相互作用，并与周围环境进行交互。目前的蜂窝系统主要是为宽带应用而开发的，对M2M流量有特殊配置。6G将无缝支持以用户为中心的机对机通信，以经济高效的方式为智能城市提供本地支持。6G还将结合能量收集方法延迟电池寿命，这是5G及前几代通信迄今为止忽视的一项研究。

（6）无人驾驶：6G将向完全自主交通系统的发展提供更安全的出行、改进的交通管理和对信息娱乐的支持，市场规模高达万亿美元。连接自主车辆需要前所未有的可靠性和低延迟（即高于99.99999%和低于1毫秒），即使在超高机动性情况下（高达1，000千米/小时），也必须要保证乘客安全，这是现有技术难以满足的要求。此外，每辆车上传感器数量的增加所要求的数据速率超过当前网络容量。另外，飞行器在各种情况下（如建筑、急救人员）都具有巨大的潜力。成群结队的无人机将需要提高容量，以扩大互联网连接。从这个角度来看，6G将通过硬件、软件和新连接解决方案的进步为连接车辆铺平道路。

3 6G关键技术预测

3.1 突破性的通信技术

为了满足上节6G应用场景需求，预计6G网络除了采用传统频谱（即sub-6GHz和毫米波），也依赖于尚未考虑用于蜂窝标准的频带，即太赫兹频带和可见光通信。

（1）太赫兹通信（THzcommunication）。太赫兹通信的工作频率为0.1–10 THz，这一波段介于微波和红外之间，兼有微波和光波的特性，具有极高的高频连接潜力、低量子能量、大带宽、良好的穿透性等特点，可用于超分辨率感测和高精度定位等，是大容量数据实时无线传输最有效的技术手段，符合最苛刻的6G要求。当前有两种太赫兹通信系统，包括基于混频机制的固态太赫兹通信系统以及把基带信号直接调制为连续太赫兹载波的空间直接调制太赫兹通信系统。当前，阻止太赫兹链路在商业系统中采用的主要问题是传播损耗、分子吸收、高穿透损耗以及天线和射频电路的工程挑战。最后，在室内通信场景下，这种高频率可以用于射频和天线的超小型电子封装解决方案。

（2）可见光通信（VLC）。可见光通信系统可利用室内照明设备（如LED灯）代替无线局域网基站发射信号，其通信速度达每秒数十兆至数百兆，未来传输速度还可能超过光纤通信。利用专用的、能够收发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要在室内灯光能照到的地方就可以长时间高速通信。该系统还具有高安全性的特点。用窗帘遮住光线，信息就不会外泄至室外，同时使用多台电脑也不会影响通信速度。但VLC具有有限的覆盖范围，需要光源并且易遭受来自其他光源（例如太阳）的散粒噪声，因此主要在室内使用。

3.2 创新性的网络技术

为了满足上节应用场景需求，6G将提供面向万物的卓越的网络功能。未来网络应用的异构性和全覆盖的需求，需要基于不同通信技术紧密集成的新型无蜂窝架构，以及具有虚拟化、软件化及切片化的网络技术。另外，人工智能（AI）深度融入6G系统，将在高效传输、无缝组网、内生安全、大规模部署、自动维护等多个层面得到实际应用。

（1）无蜂窝多连接网络技术。无蜂窝网络将确保无缝的移动性支持，而不会因切换而造成开销，并将提供与6G设想的最具挑战性的移动性要求相符的服务质量保证。6G将支持设备的异构性，这些设备将能够在不同的异构链路（例如sub-6 GHz、毫米波、太赫兹或可见光通信）之间无缝过渡，而无需人工干预或配置。最后，根据特定的使用场景，用户还可以同时使用不同的网络接口来利用这些异构链路的互补特性，例如，sub-6 GHz链路用于信令控制传输，太赫兹链路用于数据传输。

（2）天地一体化网络技术。5G只提供基本二维空间的连接性，即部署了网络接入点以提供与地面设备的连接性，所以无法满足所有垂直应用需求，未来需根据不同的应用场景重新定义网络能力的适配性。因此，考虑未来需要无所不在全覆盖网络，除了地面网络，6G还需要基于卫星、气球和无人飞行器的基础设施来满足覆盖和容量需求，形成天地一体的立体三维（3D）网络。而在将飞行平台有效用于无线网络之前，仍需要解决各种挑战，例如空对地信道建模、拓扑和轨迹优化、资源管理和能源效率。

（3）虚拟和软件化的网络技术。6G网络软件、开源和虚拟的特性将更为明显，网络设备不需要特定的硬件，以使软硬件换代升级更加便利和高效。6G网络的硬件将更为集成化、模块化和白盒化，软件将更为本地化、个性柔性化和开源化，网络结构上将更虚拟化，未来网络基础设施建设和优化升级将主要依托云存储资源和软件升级。基于上述发展趋势，现有虚拟化、软件化及开源的网络技术将得到持续发展，包括大数据挖掘及处理、人工智能（AI）、软件无线电（SDR）、软件定义网络（SDN）、数据云化、虚拟化、切片化、开源分布式网络软件及系统、开源网络安全、软硬件系统集成等关键技术。

（4）人工智能与无线网络融合技术。未来的网络越来越复杂，应用越来越多样化，无线收发器处理和终端应用也越来越复杂，能耗的挑战也越来越大。因此，人工智能将在6G无线空口和系统级解决方案中扮演重要角色。比如，人工智能与无线电感测、定位等技术结合，可实时了解无线环境，主动预测无线链路丢失和最佳切换目标，以及主动分配最优无线资源等，甚至还可根据特定环境和业务需求，通过AI快速设计最佳无线空口。人工智能（AI）和机器学习（ML）已经渗透到许多应用程序中，机器学习支持主动分配网络资源，从而提高性能，特别是在延迟敏感的应用中。

3.3 动态频谱共享技术

6G的太赫兹频率特性使其网络密度骤增，动态频谱共享成为提高频谱效率、优化网络部署的重要手段。动态频谱共享采用智能化、分布式的频谱共享接入机制，通过灵活扩展频谱可用范围、优化频谱使用规则的方式，进一步满足未来6G系统频谱资源使用需求。未来结合6G大带宽、超高传输速率、空天海地多场景等需求，基于授权和非授权频段持续优化频谱感知、认知无线电、频谱共享数据库、高效频谱监管技术是必然趋势。同时也可以推进区块链+动态频谱共享、AI+动态频谱共享等技术协同，实现6G时代网络智能化频谱共享和监管。

4 结束语

本文主要介绍了6G潜在的应用场景和候选关键技术，它们应该代表了6G通信系统的核心。在物理层，随着太赫兹和可见光通信技术的成熟，十年后将为6G的发展提供强大的推动力。同时，6G也需要更先进可靠的多链路技术，以应对高频通信所带来的挑战。在更高层次上，全覆盖和无蜂窝的新架构以及大规模人工智能的引入，将推动通信、计算、缓存和控制资源的大规模集成和分布式优化。