面向数字孪生时代的6G网络及其关键技术分析

王祎冰，徐 瑶，王 玢

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

0 引言

1 数字孪生与6G技术的重要性

数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度特性，能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段[1]。真实呈现物理与生物世界的“数字孪生”将会成为未来新数字业务的基础平台。想要对物理世界的每一个时空瞬间实现真实、完整的重现，要求网络具备超大的容量和极低的时延，使人类能够在物理、生物和数字三者之间，完成实时海量数据传输的关键，就掌握在6G的手中。在第六代移动通信系统（the Sixth Generation Mobile Communication System，6G）中，网络与用户将以一个统一的整体出现。用户的智能需求将被进一步挖掘与实现，甚至在人工智能理论、新兴材料和集成天线等相关技术的驱动下，构建新的世界[2]。如图1所示。

图1 基于6G的物理世界、数字世界与生物世界的实时互联

2 探索6G的6大关键性技术

支持和驱动新一代通信系统的支柱，无疑将来自一系列新颖的、核心的基础性技术。这些颠覆性创新技术从被提出到落地实用，往往需要10年甚至更久的时间。因此，当下无疑是启动面向6G的颠覆式创新技术概念定义、探讨和研究的最佳时机。下面将讨论和界定有望塑型6G系统的6大关键创新技术。

2.1 AI/ML赋能6G空口设计

人工智能/机器学习（AI/ML）尤其是深度学习（DL)，在过去10年中取得了长足的发展，其在图像识别、计算机视觉相关领域发挥了前所未有的推动力量， AI/ML涉足无线系统的案例近年来已大量涌现。因此，我们可以预测，在未来几年之内，AI/ML将从更卓越的性能指标、更低的复杂度，解决网络部署的优化问题，以及和现有的5G技术相结合，实现一系列的应用突破等层面，深刻影响5G系统的演进，并在6G系统中发挥更加基础性的作用。在未来的6G系统中，AI/ML将不再作为网络的功能增强或单点技术补充，而是根本性地成为新空口技术设计范式，在实时根据环境、硬件条件深度自优化的收发机、频谱共享、情境感知等诸多方面成为核心技术。

2.2 探索新频段

随着未来对峰值速率和系统容量的需求持续增长，移动通信系统将持续采用更丰富的频谱资源，探索更高的频段。如图2所示，114 GHz至300 GHz的亚太赫兹（subTHz）频段最有可能在蜂窝通信的某些特定场景中使用。

图2 6G的频谱范围

目前，大量用来提升毫米波系统性能的研究成果都可演进到亚太赫兹系统，最初的亚太赫兹产品也将沿用毫米波系统的实现方式。随着毫米波、厘米波频谱的大规模使用，当前所谓的“高频”在未来的6G频谱中将被定义为“中频”。未来厘米波将成为6G的最低频段，大规模MIMO技术的适用性会逐渐受到天线尺寸的制约。然而相比于亚太赫兹频段，低频频段有着广域覆盖的天然优势，其路径损耗和材料穿透特性更佳，因此，低频频段在6G中会继续扮演重要的角色。

2.3 定位与感知技术

5G系统本身支持定位功能，从而实现了一整套工业自动化通信系统，可以同时满足低时延、高可靠性和高精度定位。面向6G，我们期望通信网络除了能够实现更高精度的定位，还能执行各种感知任务。在视距传播受限的室内通信场景中，可以通过增强定位方案获取大范围的厘米级精度。此外，可以通过潜在的技术手段，包括大规模天线阵列技术、基于人工智能/机器学习（AI/ML）的信道检测技术，以及基于射频信号、图像和其他传感器的数据融合技术，在可见接入点受限的条件下提高网络的感知精度。

因此，在6G系统设计时，不仅要考虑优化通信功能，还需要考虑如何支持感知功能。例如，适用于感知的波形（如线性调频信号）可以与优化的通信波形实现复用；伴随着大规模MIMO天线阵列的实现，可以形成窄波束，使用这些波束进行周期扫描以实现感知；利用多个收发端协同进一步增强网络的感知能力；随着6G通信系统向亚太赫兹和太赫兹频段演进，信号频带相对变宽，可以带来更高的感知精度，使得未来网络以更直观的方式与物理世界进行交互。

2.4 极致网络技术

5G系统依靠超低延迟高可靠技术（URLLC，即在1 ms的空口延时内达到99.999%的传输可靠性）对物联网（IoT）的一些基本应用提供了支持。然而对有些物联网应用而言，1 ms的空口延时仍然不足以满足所需的要求，当严苛的性能要求超出了5G网络能力时，就需要新的6G极致网络来实现。

五分钟后，值班经理给我们安排了位置，并送上精美果盘致歉。乔振宇闷闷地没吃几口菜，习惯性挂在嘴边的那句抱怨也没说出口。我一碗石锅拌饭还没吃完，他就借口跟哥们儿聊点儿事撇下我先走了！

6G系统将采用合理高效的设计来满足这些极致的性能需求。比如，一些测量结果显示，毫米波信号在工厂室内环境下的衰减和阻塞现象并没有预期那样严重，同时考虑到毫米波频段具有更宽的可用带宽，因此，6G系统可基于毫米波传输技术实现极致低时延下的高速率传输。为了实现极致高可靠性，一方面，通过冗余的多路径（可能包括多跳）并行协同传输，可以有效提高数据传输的可靠性；另一方面，AI/ML技术也会对可靠性的提升起到帮助。

此外，6G中另一种值得期待的极致网络形式是零能耗物联网设备。例如，在桥梁或隧道等建筑物监测应用中，无线传感器设备完全内嵌在建筑物中，在没有任何人为干预下，可以持续工作数百年。实现零能耗设备的潜在解决方案包括低功耗通信、极低空载电流技术、能量收集（从通信网络中收集）、存储技术，以及它们的联合使用。

2.5 6G网络架构新概念

2.5.1 子网（Sub-Network）

5G之前的蜂窝无线网络架构主要是为将语音和数据互联业务拓展到个人和移动端点而设计的。5G是第一个为工业应用设计的系统，通过新的架构方面的演进，如支持时延敏感网络（TSN）桥接功能等，来满足各种工业场景的不同应用需求。未来6G将在5G的基础上继续发展，真正实现将无线技术应用于各种工业场景并取代当前广泛采用的有线连接。

为确保时间和空间上的高可靠性（Reliability）和高确定性（Determinism），有必要引入具有半自治（Semi-Autonomous）能力的6G子网，当这个子网与外部广域网络之间的连接质量较差甚至中断时，应当确保该子网内的关键业务持续不中断。另外，为进一步保证超高可靠性，将需要为终端同时提供多条网络连接或终端间的直接通信连接，上述这些从事实上形成一个无蜂窝的网络架构。

2.5.2 超级定制化的网络切片

除了将传统的网络架构拓展到子网和多种连接场景，未来网络也将在切片和虚拟化方面进一步演进。针对不同的业务流，每个网络切片中独立的软件栈将提供专属功能，从而实现高度定制化，如图3所示。

图3 6G架构组成

2.5.3 接入网和核心网的融合

5G RAN将传统基站分割为分布式单元（DU）和集中式单元（CU）。分布式单元包括用户面和控制面协议栈的低层协议处理，主要处理物理层（即层1）功能和实时性要求高的介质访问控制层（即层2）功能；集中式单元主要处理非实时的层2功能和层3功能。在未来6G网络中，预计接入网和核心网的融合将用一套简约的功能集合来实现，特别是在用户面，最终将形成一个“去核心的RAN”（Coreless RAN）。

2.6 新的安全、隐私和信任范式

6G网络要达到有线网络通信的可靠性要求，这意味着必须设计新的安全和隐私机制。首先，在网络中融入子网需要新的鉴权策略：鉴权不再由网络而是由子网提供。由于不同的子网可能属于没有信任关系的实体，为实现网络安全，要求子网之间以及子网和网络之间清晰分离。将子网作为一个独立网络，授权作为鉴权方并负责子网的资产管理非常重要。由于设备加入/离开子网是动态的，在6G网络架构中维持子网隐私性和匿名性是需要解决的另一个挑战。

其次，当物理和生物世界高精度映射在数字世界中，真实对象和虚拟对象的镜像融合到数字混合现实世界时，用户的隐私解决方案也将面临挑战。网络中的信任和安全对6G成功至关重要。

3 结束语

4G开启了低成本的物联网（IoT）技术元年，5G在此基础上演化出了可支持高可靠、低延时的物联网应用，而6G则将在更大的纵深、广度和跨度上渗透和影响垂直行业。本文提出了实现6G网络的6个潜在的关键技术方向，相信随着6G所支持和使能的应用场景越来越多，届时6G网络将会朝着平台化和生态化方向发展，更灵活地适应和满足不同的定制化的需求。■