终端变革和6G突破：对6G终端的研究判断和发展展望

李宝荣

（中国电信股份有限公司研究院，广东 广州 510600）

0 引言

6G当前仍处于研究的起步阶段，讨论的焦点更多聚焦在愿景、关键指标、新的频谱、6G典型应用等，专门探讨6G终端的文献还比较少。6G终端会是一个什么样的存在？相对于当前终端是演进还是变革？本文认为是后者。6G相对于前几代通信技术的突破，预判有相当程度依赖于对终端的再认识和创新突破。

值得说明的是，本文不涉及对6G终端的工艺技术、材料的探讨，而是假设工艺和材料技术随着时间的推移，都可以完美地支持6G终端的发展。同时，本文不探讨终端多样化的物理形态，不牵涉具体的种类和规格。文中终端的概念，可以理解为是对终端整体的一个高度的概括和抽象，但凡今后有一种形态（或规格）的终端符合如下特性，结论均视为成立。

1 对6G终端的基本判断

1.1 支持多样化无线电接口

6G终端将嵌入多个无线电接口，具有全频段无线电访问能力，可以连接到具有不同QoS要求的各种网络系统，既可以支持D2D短距离通信，也可以支持卫星通信这样的长距离通信，从而支持任何时间任何地点无处不在的连接[1]。

6G终端要能根据业务应用及当前的网络环境，自适应地选择使用的频段以及网络制式。Intelligent radio技术在终端上将得到应用和发展，使PHY及MAC层可以根据上层应用及无线环境自适应地进行调整，同时最大限度地规避干扰。

终端能耗管理也变得尤为重要，需要考虑能量采集技术，比如从周围的无线电、微小的振动、阳光中采集能量；或者是降低能耗的技术，比如通过终端中继以及增加网络密度，减少每跳信号传播距离等，来有效降低终端的发射功率。

1.2 内生感知能力

6G终端将能够实时采集，测绘和感知世界，比如环境感知、无线现实感知等，将使能安全感知、手势探测、身体扫描、健康监测、以及3D映射和成像。

太赫兹频率更高，带宽更大，天线阵列也更大。可以使能具有非常精细的范围、多普勒和角度分辨率的传感解决方案，同时可以提供厘米级精度的定位能力[2]。

具体来说，太赫兹频段不能穿透很多物体，能让传播路径和传播环境产生更直接的对应关系；其次，太赫兹频段具有更大的绝对带宽，使得在具有更多光谱分量的延迟域中拥有更多可解析的多路径；第三，更短的波长意味着更小的天线，小小的终端上就能装置几十上百个天线，对角度估计大有好处。6G提供的高速通信链路能快速和可靠地在不同感知终端之间分享地图和位置信息，这对感知和定位都有会有很大的帮助。

太赫兹成像技术则是通过太赫兹射线照射被测物体，通过物体的透射、反射获得具体信息而成像，由于许多生物大分子的振动和旋转频率都处于太赫兹频段，所以利用太赫兹波可以获得丰富的生物材料信息，并且太赫兹时域频谱信噪比很高，能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质，使太赫兹技术非常适用于物体高精度成像。由于太赫兹能量很小，不会对物体产生破坏作用，所以与X射线相比更为安全可靠。

6G终端利用太赫兹信号的特性，加上终端上其它类型传感器以及人工智能算法的加持，将会成为非常好的感知终端，催生极为丰富的应用。

1.3 普遍支持端侧人工智能

终端的智能化升级是一个必然趋势。6G时代，终端将普遍支持端侧推断，而高端一点的终端将支持端侧训练，同时，终端将拥有一定的自主决策自主行动能力。

联邦学习技术，利用终端进行分布式训练，数据不出终端，有利于隐私保护，同时，可有效解决人工智能模型训练数据量不足的问题，将会得到极大的应用和普及。强化学习技术，能提升终端的自主性决策能力，让终端按照算法要求对外部变化作出自动化的反应，具有更大的能动性。出于用户对于安全的顾虑，终端的自主决策和行动算法的更大范围的应用和普及需要依赖于可解释AI的发展。

终端将成为一个智能体（Agent），智能体之间可以相互发现，并组成自组织网络。

随着人工智能终端的发展，终端的隐私和安全保护问题也将日益突出，除了要进行相关法律法规的制定和监管制度的建立之外，急需探讨建立有效的技术手段和技术框架来保障用户的隐私和安全。

1.4 和边云高效协同

6G的KPI实现，将依赖于端边云资源的协同和共享，包括更低的时延、更高的安全性、更好的隐私保护等。

端侧计算具有最小的时延，最好的隐私保护；云端计算具有最大的算力，最好的软硬件解耦特性和最好的跨平台特性。要实现端边云的有效协同，最直观的要求是部署的软件（应用）能在云、边缘和终端上按需流动。支撑应用在云、边和终端上按需流动的技术是解决端边云协同问题的关键。终端的虚拟化，实现应用和终端硬件的解耦，是解决这个问题的第一步；其次，决定应用在云边和终端上部署的比重的决策，涉及终端自身计算和存储资源、当下网络负载以及无线环境等多个因素，需要人工智能算法作支撑。6G应内置这样的算法，通过涵盖通信底层和应用层的网络机制来支持端边云协同。

1.5 广泛支持D2D

终端直连（D2D）能实现终端间的直接通信，能实现资源的动态共享，降低网络的负载， 辅助提升网络的容量和覆盖，是6G时代非常重要的连接方式。

6G的目标是实现空天地海的立体通信，为了保证通信的实时性，像空中的飞机和飞机之间的直接通信，海上的轮船之间的直接通信，都是有重要需求的场景。对于地面通信，6G由于使用更高的频段，空间损耗更大，导致更短的蜂窝半径、更密集的网络，干扰更加严重，切换更加频繁，手机耗电也更多，而利用D2D和NOMA，则可以缓解这些问题，并提高频谱效率。

实际上，数量巨大广泛分布的终端拥有大量的计算、存储和带宽资源，如果能够突破现有的网络范式，把这些资源加以挖掘利用，将其作为网络基础设施的一部分，将会带来巨大的价值：一方面，可以辅助提升网络的覆盖和容量，另一方面，将创造更多新的业务形态和机会[3]。

2 6G终端的变革可带来的创新突破

2.1 突破香农极限

根据香农定理C=Blog2(1+S/N)=Blog2(1+S/Bn0)，信道容量C和信道带宽B、信号功率S以及噪声功率N有关。若S→∞，则C→∞，但S不能无限大，一方面是功耗问题，另一方面会产生对人体有影响的电磁辐射。若B→∞，则C→1.44S/n0，n0是噪声功率谱密度。

香农公式显示出理论上可达到的最大值。然而在实际应用中能够达到的速率要低得多。其中一个原因是该公式假定噪声为白噪声，没有考虑冲激噪声，也没有考虑衰减和时延失真。即使在理想白噪声情况下，因为编码的原因（如编码长度和复杂性等），目前的技术仍然无法达到香农极限。

根据香农定理，假设信息以速度R传送，如果R＜C，那么就存在一种编码技术使接收端收到的错误达到任意小的数值。这意味着理论上，有可能无错误地传送信息直到达到速度限制C。

反过来同样重要。如果R＞C，那么想达到任意小的错误率是不可能实现的。因此，在传送速度超过信道容量的时候，可靠传输信息是不能被保证的。

但以上都基于通信的终端是没有智能的被动的节点的这一假设。当6G终端都是智能节点的时候，就可以在即使数据传输有失真的情况下，通过智能节点的处理，实现语义的正确传递。就好比外国人跟native speaker交流时，语法可能是错误，句子可能是不完整的，native speaker仍然能够听得懂、理解其意思，仍然能够正常交流一样。这里外国人说的话就好比通信导致的信号失真，而native speaker就好比拥有智能的通信节点。

香农定理保证传输的每一个比特都正确，但是现实生活中，真正关心的是收到的比特能否正确解析出要传递的意思，或者是否足以完成某一特定目标。将知识表示、推理工具和机器学习算法相结合，建立语义学习策略，能使通信端点具有更好的信息解析能力[4]。因此，当通信终端拥有智能时，可以实现对失真信号解析，并还原其真实的意图，于是对通信可以放宽要求为实现信息（意思、意图）的正确传递而非比特的正确传递，借助于这个，信道容量就可以突破香农极限。

2.2 精确定位下通信资源的精准分配，提升资源使用效率和网络性能

利用太赫兹，可以实现室外的厘米级的高精度的定位。太赫兹基站通过大规模的天线阵列，可以实现对周围环境的精确探测和感知，建立周围环境的三维地图。当基站收到终端发射的上行导频信号，就能够根据AoA和ToA，结合前面建立的三维地图，精确地判断终端所处的位置。这使网络可以为低速移动的终端精准地配置网络资源，包括高度方向性的天线、波束，频率、带宽和功率资源、智能反射面，边缘计算资源等。对终端位置的高精度定位和周围环境的精确了解，可能会改变移动通信的一些基本面，比如传输模型、信道估计[5]等，甚至是调制方式和多址接入方式等，至少可以极大地降低基站的能耗。

另一方面，利用端侧数据训练，终端能感知本地信道模型、话务模型、运动轨迹，能了解用户的行为，以及预测网络的状态。利用端侧人工智能来协助网络优化和自动化技术，能实现动态地感知本地网络环境，动态进行网络状态预测，主动配置，有效率地优化调整网络参数以适应不同网络应用的要求，并能协助网络实现故障情况下的自愈[6]。

2.3 6G终端作为移动的（中继/网关+边缘计算）混合节点，传统网络承担的任务可以卸载一部分到终端上

对于网络覆盖不到的地方的终端，可以借助其他终端作为中继，通过一跳或多跳，最终到达网络覆盖区内，通过这种方式来实现通信的正常化开展。利用终端的广泛分布的特性，可以很好地弥补网络覆盖不足的问题。特别是对于6G，由于太赫兹高频网络的特性，这种需求就特别突出。通过终端的中继作用，可以让更多的终端享受到高频段大带宽通信的好处，享受更高的数据速率，同时，也极大地提升了网络的频谱效率和网络容量。

除此之外，终端还可以作为移动的边缘计算节点，为其他终端提供边缘计算资源、存储资源、感知资源，甚至包括数据资源、人工智能算法模型资源。可以利用终端形成自组织的网络，执行特殊任务的处理，包括完成人工智能模型的推断甚至是训练。终端可以和云边协同，云边端构成三级计算体系，分别承担不同计算复杂度和时延要求的任务。终端还可以作为提供CDN热点信息存储的节点，加速信息的获取和内容的分发速度。

2.4 驱动网络架构的变革

（1）无线网

6G终端具有更好的无线感知、场景感知、现实感知和用户的意图感知能力，终端作为一个智能体，可以主动进行所需通信网络资源的识别、选择、协商和聚合，围绕要执行的任务，选择最佳的网络资源。

终端和网络之间不再是固定的绑定的关系，可以实现终端对网络的灵活选择，实现终端和网络的解耦。

终端可以通过在PHY层进行频谱分析，明确未被使用的频谱。可采用的方式有两类，一类是对终端接收机接收到的环境信号中的调制方式进行自动识别，以此判定周围环境中存在的通信制式和发射机种类。另一类是对环境信号中振幅/相位的不同特征、时域正交特性等进行分类识别，从而进行周围环境中存在的干扰的相关判定[7]。

在MAC层，可通过识别环境信号中的MAC信息，进一步了解资源占用的时间信息，有利于终端更精准地选择可使用的频段，最大限度地规避干扰。在MAC层还可以进行频谱预测，了解无线信道的空闲概率和空闲时间，从而选择一个最好的无线信道进行传输，减少传输碰撞，提升资源共享效率。

从移动通信代际发展来看，自IMT-Advanced开始，采用分布式方案，把RRM的监控和决策实体下放到网络的各个节点上（包括终端），以减小信令的信息交换量和传输时延。所以在网络层，终端一方面可以接收网络的指令对终端的参数/设置进行优化，以适应环境的变化和应用的QoS要求，另一方面，终端也可以通过自己的智能分析和预测，把通信参数优化的要求提给网络端，主动影响网络，来达到通信性能提升的目的。

（2）核心网

移动通信的核心网的技术和形态一直在演进，但功能一直以来没有太大的变化，主要是实现会话接续、流量疏导和业务连续性等。随着人工智能技术的发展和应用的普及，计算资源成为数字化基础设施非常重要的一部分，如何进行计算资源的识别和统一管理，如何实现对计算资源的灵活分配和调度，急需建立起相应的管理框架。

6G需要把云网边端的计算资源综合利用起来，需要探讨通过统一的资源管理机制对云网边端的计算资源、通信资源、感知资源进行综合管理和调度。我们认为，要能充分实现好云网边端的协同和资源共享，需要有一个联系云网边端的操作系统，这个操作系统管理云网边端的硬件资源，提供统一的硬件抽象，屏蔽底层的差异。通过这个操作系统，把网络中不同节点的通信资源、计算资源、存储资源、感知资源统筹管理起来，并实现以Serverless的方式支持应用开发者开发上层应用。

基于这样的操作系统，可以实现伴随终端的移动，将蜂窝网络的切换（通信资源）和边缘计算服务器的切换（计算资源）有机协同起来。也可以更好地实现网络切片服务，这个切片可以做到不光涵盖了云边计算资源、核心网资源、无线网资源，还涵盖了终端能提供的计算资源、存储资源、感知资源等。

云网操作系统，把通信、计算、存储、感知资源统筹了起来，解决了当前通信网络和计算网络是两张网的问题，解决了算力网络这个概念想要解决的根本问题，规避了算力网络需要迁就现有网络实现算力信息传递的困扰。

（3）业务提供

对于业务的提供，传统网络是基于C/S或B/S的模式，终端上只是一个瘦客户端或浏览器，业务的主体在服务器端，由于RTT的原因导致实时性要求高的业务难以实现。用户数据通常需要上传到服务器端处理，也造成了隐私保护方面的风险。

6G时代，相较于传统网络业务在终端和服务器间的分割是静态的模式，业务应用将会在端边云合理分割，首先会尽可能将涉及原始数据的处理保留在终端上，以保护用户的隐私，在此基础上将根据终端能力的大小、业务应用的实时性要求、网络的状况等确定业务应用中不涉及隐私处理的部分在端边云之间的分割和部署。对于时延敏感的应用，业务应用将会被分布式地部署在邻近的边缘节点或终端上。应用的宿主终端，作为一个智能Agent，将根据带宽、时延、代价等，策略地选择需要接入的业务资源。

3 下一代终端——主动式终端

通过对6G终端的研究判断，可以看出6G终端将不同于之前几代的终端，在和网络的相对关系中也将发生根本性的变化，因此，有必要针对这种新类型的终端定义一个新的名称——主动式终端。

主动式终端具有如下的几点特征：

（1）拥有一定的智能；

（2）拥有主动感知的能力；

（3）不只是被动接受网络控制，而是能对网络施加积极的影响，甚至是作为网络基础设施的一部分；

（4）能和云网边有效协同；

（5）能和其它主动式终端对等通信，能够根据任务要求形成自组织网络，完成复杂的计算、通信、感知任务。

主动式终端是针对网络和终端的关系而言的，主动式终端改变了传统的终端和网络的关系，改变了终端和网络的交互方式和程度。终端和网络将在更大程度上成为对等的节点，网络也相应地变得更加扁平和灵活。对等关系体现在三方面：一方面，终端和网络解耦，终端可以对接入的网络资源作出选择。第二，终端可以主动让网络根据终端的要求进行配置。终端具有更好的无线感知、场景感知、现实感知和用户的意图感知，通过终端主动和网络交互，让网络根据终端的要求进行针对性和适应性的资源配置，可以让网络为每一个终端提供合适的资源切片。第三，网络可以根据需要调度终端的资源。终端的计算资源、存储资源和感知资源，甚至是人工智能模型等智能资源，也能被作为网络基础设施的一部分，按需进行服务的提供。

主动式终端将会逐步成为主流的终端形态。

4 结束语

6G时代，终端将发挥更重要的作用，将朝着主动式终端的方向深化发展。众多终端以及网络的边缘节点，将构成动态的、自组织的、智能的边缘网络，为用户提供丰富的、低时延的、智能化和个性化的服务，将颠覆现有的网络范式及应用的客户端-服务器范式。

在终端变革的作用下，将使能更加扁平、更加弹性的网络架构，使能分布式的计算环境，从而实现6G全新一代更加灵活、高效和智能的网络组织形态的建立，对整个信息社会将产生深远的影响。