浅析基于6G网络性能需求与设计原则的移动通信网络开放平台

王晓萌，王 玢

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

0 引言

目前，随着5G网络的全面商用，面向6G移动蜂窝系统的研究也正在逐步展开。为了实现人们对智能通信领域万物互联的更深层次的需求，6G网络系统应运而生。

6G的早期阶段目标是将5G进行扩展和深入，以AI、边缘计算和物联网为基础，实现智能应用与网络的深度融合，实现虚拟现实、虚拟用户、智能网络等功能；而后续阶段的目标是在人工智能理论、新兴材料和集成天线相关技术的驱动下，实现从真实世界体系到虚拟世界体系的延拓与共生[1]。

1 6G通信网络系统设计的必要性

遵循蜂窝通信网络每10年代际更替的周期规律，6G标准化预计在2030年前完成，进而6G网络部署也随之开始。随着智能终端设备的突破性发展，人类的生物特征将被精确、实时地映射并集成于数字与虚拟世界，传统的智能终端（智能手表、心跳检测仪等）将变得愈加精巧智能，皮下植入、可摄入式和体内嵌入式的传感器、外骨骼和大脑活动检测仪等设备将不断涌现。随着增强现实持续进步、人机接口的友好性不断改善，人类对物理世界、虚拟世界以及生物世界的高效、直观控制将指日可待。因此，未来的连接就是要实现对这些不同世界的无缝交互，为人类创造统一的体验。为了实现这个目标，除了新的通信需求外，我们还需要在下面几个方面取得突破性进展。

⊙ 新的人机接口：终端设备从单一实体扩展到多个本地实体，创建新的人机接口需要多个实体的统一协同。

⊙ 泛在计算：在本地设备和云计算中心之间实现泛在通用计算。

⊙ 新的知识系统：将数据加以存储、处理并转换为具有可操作性的知识。

⊙ 精准感知和控制：通过精准的感知能够更准确地控制物理世界。

对物理世界的每一个时空瞬间实现真实、完整的重现，都要求网络具备超大的容量和极低的时延。如表1所示，目前5G已经能够实现一些适用于未来的实时应用，但更多特有的万物互联场景，必须在采用了崭新系统设计与技术的6G时代，才能大规模应用。

表1 5G与6G网络应用场景对比

2 6G的六大关键性能指标

在5G移动通信网络中，涵盖了三大关键性能指标（KPI），分别为数据率/吞吐量/容量、时延与可靠性、规模与灵活性。未来，这三大性能指标仍可适用于6G网络，但随着人们对物理世界、虚拟世界以及生物世界无缝交互的需求日益增长，6G网络需要满足更特殊的需求，并具备相应的新性能指标。如图1所示，目前我们对6G的需求主要划分为以下六大类别，为满足这六大需求，又有三项新的关键性能指标出现，即精度与准确度、自适应与响应时间、终端设备。

图1 6G需求和关键性能指标

3 设计6G系统的六个基本维度

迄今为止，每一代蜂窝通信系统（1G～5G）主要通过三个基本维度来提升网络容量，包括频谱、频谱效率以及空间重用。在6G时代，随着用户数量的增长以及新的应用案例的涌现，我们需要继续深耕这三大维度从而获得更高的网络容量。除了上述三个传统维度的资源，6G系统设计中还将考虑三个全新的维度：数据、算力和能效。

3.1 数据

第一个新维度是数据。目前，已经在互联网业务中取得巨大成功的人工智能/机器学习（AI/ML）技术是大数据驱动的，需要获取大量的专业领域的数据。AI/ML技术的合理应用对未来6G通信网络的成功至为关键。飞速增长的通信网络数据和传感器数据将成为重要数据资源，通过AI/ML技术对这些大数据进行充分分析和使用可以显著提升系统性能。

3.2 算力

第二个新维度是算力。算力一直是蜂窝系统的一个重要资源。未来科技发展的两个主要趋势会导致算力成为稀缺资源：第一个趋势是单位体积内所能封装的晶体管数量已经趋向饱和，这将限制设备的计算能力；第二个趋势是我们将使用各种类型的智能终端设备（例如，眼镜、耳机和其他种类的可穿戴设备）来增强人类感知能力，这些设备尺寸非常小，不具有足够的计算能力。因此，如何发掘6G网络中的算力资源就显得尤为重要。目前使用边缘云分担算力需求的方法不足以满足多个设备之间同步计算的需求。充分利用与设备分离的区域算力将成为6G时代的新主题。因此，我们将算力看作是驱动新一代通信系统设计的又一个重要的维度。

3.3 能效

最后一个新维度是能效。网络中每个网元的能效及可用能源决定了系统性能。6G系统中广泛存在多种类型的网元具有不同种类的能效特性，从物联网设备的超低能耗，到无线基站的电力供应限制，再到数据中心受电力限制。此外，如何应对气候变化将成为未来十年全世界的一个关注点，不断增长的网络及设备能耗问题将会受到严格审查。因此能耗将变成6G设计中的一个重要维度。

综上所述，6G将具有六个基本维度，相应的研究需要深入探索这些维度以便灵活地实现所定义的网络性能指标。

4 设计6G的专业化开放平台方案

移动通信取得巨大成功的一个重要因素是全球统一的开放标准。目前，移动通信主要提供面向人的服务，例如，语音、短信息服务（SMS）和尽力而为的宽带数据业务。移动通信网络已经达到了惊人的体量，其部署了数千万个移动网络基站，并有超过十亿部智能手机在网络中使用。过去五年中，移动通信服务已经扩展到了工业物联网（IIoT）中。

首先，低功耗广域（LPWA）连接解决方案，例如，NB-IoT和Cat-M已经完成了标准化。其次，面向汽车的蜂窝V2X通信标准和面向无人机的UAV连接标准也已制定完成。近期，在5G中用于实时控制的URLLC和TSC标准化正紧锣密鼓地展开。LPWA和C-V2X的潜在连接设备将达到数十亿量级。

随着蜂窝网络扩展到工业物联网以及未来的家庭和企业环境中，我们预计将会出现大量定制化的专业连接方案来满足不同特定场景的需求，但是每个定制化的方案都只是小规模的部署。为了有效地支持这些新的呈长尾分布的无线连接方案，我们需要制订并引入新的移动网络规范作为基础平台，它在更底层提供一些核心能力的支持。在此之上，不同的规范制订小组可以进一步按照他们自己的用例要求来定义各自的高层协议，最终实现可以满足各类应用场景需求的完整连接方案。

这些高层协议可以通过用户联盟内部的联合软件开发或者开源软件来实现。这样的概念如图2所示。这种平台方案的主要优点是定义了连接平台和专业应用层之间的开放接口。但是，抛开上层定制化的部分，我们认为通常在芯片中实现的底层通信协议仍需要由全球标准化机构来制定，以确保规模效应和不同设备之间的互联互通性。

图2 6G作为方案平台的模型示例

上述6G中“网络即平台”的方案将进一步促进目前Open RAN的发展，其核心是由多个供应商来提供网络的不同部分。除了射频部分和一些需要在定制硬件中实现的处理密集型功能，其余部分则是运行在商用计算硬件上的软件，而且接口规范也将变得开放。因此，移动网络的智能控制层可以来自于任何供应商，并可根据不同方案做相应优化以适应特定应用案例的连接需求。这也符合先前描述的下一代切片的概念，其中每个切片都有自己的特殊功能。“移动网络和终端作为平台”不仅是一项6G技术，更是一种为长尾分布的工业及其它室内应用案例提供高效和快速特定解决方案的新方法。

5 结束语

6G将在2030年前后成为未来新基建的重要组成部分，它将不仅仅作为5G的演进版本进一步实现降本增效，而是作为全新一代网络范式，引领更大规模的新场景、新功能、新应用的落地。毋庸置疑的是，借用在快车道上发展的AI/ML技术和生态优势，通过和通信各细分领域的定制化系统设计，6G的网络能力和应用潜能都将被前所未有地得到发掘。■