尤肖虎等：6G发展趋势与候选关键技术分析

关键词  6G；网络架构；空口传输；智慧内生；网络安全

引言

随着第五代移动通信系统(5G)进入商用阶段，第六代移动通信系统(6G)的研发工作已提上日程。各国政府、大型科技企业和研发机构均高度重视6G研发，并希望在6G竞争中获得更多的主动权^[1]。在2018~2020年，欧盟先后启动Horizon 2020研究与创新计划，设立Hexa-X 6G研究项目。美国联邦通讯委员会(Federal Communications Commission，FCC)成立了Next G联盟，并开放95GHz~3THz频段作为实验频谱用于6G技术研究。此外，日本政府也在近期成立了6G技术研究会，并发布了“Beyond 5G促进战略—6G路线图”。韩国通信与信息科学研究院召开了6G研究论坛并组建了6G研究小组，正式启动6G技术研究。全球主要发达国家已达成基本共识，预计6G网络将在2030年前后正式商用。目前，6G相关标准制定工作还未开始，关键使能技术研究尚处于技术遴选和总体评估阶段，关键技术路线途径仍有待研究收敛。本文主要针对6G愿景与需求确定以及潜在关键技术遴选研究进行介绍。

1  6G发展和关键技术研究现状

国际电信联盟(ITU)已启动开展6G愿景需求及关键技术趋势研究工作。2022年6月，ITU完成《未来技术趋势研究报告》撰写工作。作为ITU组织起草的首份面向6G无线技术发展趋势的研究报告，内容涵盖无线空口、先进网络、新型融合技术等重要层面，具体包括：通信与人工智能(Artificial Intelligence，AI)融合、感知通信一体化等新型融合技术；先进调制编码与多址接入、新型天线、全双工通信等新型空口技术；太赫兹通信、智能超表面等新维度无线技术；以及数字孪生网络、空天地融合网络、超密集接入网络等新型网络架构等^[2]。同时，ITU也在积极推进6G愿景需求研究，目前已经针对6G发展愿景、重要用例、技术发展等形成阶段性共识。例如，从发展愿景看，“可持续与可信任”成为全球6G发展的共同理念。为满足社会、经济、环境可持续发展等需求，6G将重点关注新型绿色节能技术与能效提升技术，平衡网络性能与能耗间制约关系，推动实现“碳达峰、碳中和”。此外，6G还将构建更具包容性的多模、跨域安全可信体系，保护数据安全与隐私安全。从重要用例看，数字孪生与沉浸化应用将成为6G核心业务之一。全球各方普遍认为6G将通过数字化技术构建多维感知体验，增强人、机器、环境之间的虚实交互，为娱乐、教育、医疗等带来全新用户体验，为智能制造、工业生产数字化赋能。从技术发展看，通信与感知、通信与人工智能融合等多功能一体化发展的6G技术演进趋势已达成普遍共识，通信感知融合将有效提升频谱利用率，提升无线感知性能，服务未来通感算一体等新型无线应用；而近期发展迅速的人工智能技术也将驱动6G向自主决策、分布式协同、高效自治、弹性可靠等方向转变，提升6G智能化服务能力。

当前6G已经成为全球主要国家重点关注的研究领域之一。欧、美、日、韩等发达国家纷纷通过制定国家战略、设立科研项目、加大资金投入推进6G研发。美国牵头成立Next G联盟，在重点布局6G的可靠通信、泛在计算、存储和感知系统之外，还更加强调了嵌入式计算能力以及AI技术对现代通信网络的变革性作用，强调网络弹性对未来经济社会发展的重要性^[3]。欧盟通过“地平线2020”“5GPPP”等多个重大科研项目布局6G研究，涵盖了6G需求、典型用例、网络架构、关键技术、试验平台等^[4]。日本发布的B5G促进战略，重点布局技术方向包括太赫兹无线通信及全光网络技术、低功耗半导体技术、高空通信平台与量子加密技术等^[5]。韩国发布的《2021年度“5G+战略”推进计划》提出加强6G原材料、零部件及设备的研发，重点推进T比特每秒量级无线通信、太赫兹频段核心技术、端到端高性能无线网络技术等6G创新技术研发。我国与全球同步开展6G技术研究，重点布局研究方向涵盖新型调制编码、多址接入等空口演进技术；太赫兹通信、可见光通信等新型频谱技术；通信感知融合、通信与AI融合等跨域融合技术；智能超表面、轨道角动量等新型传输技术；以及新型网络架构、内生安全、算力网络、分布式自治网络等网络架构技术。

2  6G发展愿景

通过国内外针对6G发展和关键技术的研究现状分析可以窥探出当前工业界和学术界对6G发展的愿景。总体来说，虽然各机构对6G愿景仍保留部分不同意见，但是总体上已达成普遍共识。相比于5G技术，6G需要有更强的连接能力和覆盖范围，以及6G在部署和研究时也需要考虑对各垂直业务和应用的支持。整体而言，6G愿景可以概括为“三全一强”，即全连接、全覆盖、全应用和强安全^[6]。除此之外，内生智能也是6G区别于5G的另一个重要特征。具备了这些特征，6G可以实现“数据不出域、请求就近服务”的本地化智能服务，从而在降低业务端到端时延的同时，保证用户隐私和无线数据安全。

为了实现上述发展愿景，6G需要定义一组关键性能指标(Key Performance Indicator，KPI)。以基于扩展现实(Extended Reality，XR)的智能维护应用为例，为了支持XR数据流的高效传输，未来网络需要T比特每秒量级的峰值传输速率，需求远高于当前5G可支持的峰值传输速率10G比特每秒^[7]。另一方面，工业物联网场景中通常需要同时接入大量节点设备并进行数据传输，该场景对频谱效率的需求超过1K比特每秒每赫兹，而当前5G网络可支持的频谱效率指标为30比特每秒每赫兹，仍有数量级差距^[8]。此外，车联网和工业控制等极致场景中通常需要达到微秒量级端到端时延以及99.99999%以上可靠性的需求，而5G网络目前支持的1毫秒时延和99.9999%可靠性也与这类新需求有着明显差距^[9-10]。综上所述，6G需要支持的KPI期望值可以归纳为TKμ，即v>T比特每秒量级的峰值数据传输速率、K比特每秒每赫兹量级的频谱效率、微秒量级的通信时延。

3  6G使能技术

为了实现上述提到的6G发展愿景，全球各国研究者已开始探索和研究诸多候选技术，包括通信与AI融合、感知通信一体化等新型融合技术；先进调制编码与多址接入、全双工通信等新型空口技术；内生安全网络、空天地融合网络等新型网络架构技术；以及轨道角动量、智能超表面等新维度无线技术等。本节将着重从网络架构、空口传输、网络安全和智能通信等方面介绍6G关键使能技术。

3.1 6G网络架构

在面向数字化时代变革与新场景新需求的双驱动下，6G旨在为全场景、全行业、全生态提供安全可信、多维立体的智能覆盖。作为使能6G愿景与需求的基础研究，6G网络架构应具备通信功能、计算功能、人工智能与大数据存储分析等多功能融合(ICDT)、通信—安全—业务一体化、空天地立体化覆盖等三大特征。6G网络架构如图1所示。

在ICDT方面，6G应无缝融合智能、感知、计算三大功能，实现网络架构演进。其中，智慧内生技术将AI内嵌于网络中，实现高质量数据感知、AI模型训练、存储与分发、AI模型验证，为无所不及的泛在智能构建基础。内嵌式智能对网络的感知能力、算力能力以及高效服务能力提出更高要求。通感一体化技术使得通信网络具有原生的感知能力，通过感知信道状态、目标位置等，充分挖掘通信能力并赋能内生智能。算力网络旨在通过算力感知与度量、算力编排、算力交易等为网络AI任务训练与验证提供充足及时的算力。确定性网络技术则通过网络接入与管理，保障AI任务的有限时延、高可靠性、低抖动性。

在通信—安全—业务一体化方面，6G旨在打造内嵌式的原生安全，将网络与安全深度融合，以实现高安全、高保密、高隐私的未来网络，同时借助AI赋能安全，应用于物联网、智慧城市等全场景，达到网络智能可信、智能自动防御的目的。此外，安全网络架构设计还需要支持多模并存信任与分布式弹性自治能力，保证通信—安全—业务的协同信任与网络弹性自治安全。通过隐私计算与安全AI等技术的应用，将极大提高6G的处理能力、高轻量级能力、智能可信能力与智能自我防御能力。

在空天地立体化覆盖方面，6G将以空天地立体化覆盖为基准，通过天地一体网络管控与立体按需服务覆盖来深度融合空天地网络，实现全域覆盖。天地一体网络管控通过实现逻辑功能分离部署、天地一体灵活部署、天基辅助管控等，使网络系统覆盖调度颗粒度更细、连接能力更强、通信效率更高。立体按需服务覆盖通过星座构型构造、高空站点机动部署、接入与承载容量一体化等技术，实现具备全球及重点区域信号可达的能力，提升面向全球及局部热点区域的网络吞吐量，保障业务服务质量(Quality of Service，QoS)需求。

表1总结了现阶段全球主要国家和学术组织在6G网络架构方面的工作^[11-14]。总的而言，针对网络架构关键技术，全球已对网络智慧内生及其相关技术达成共识，而中美在天地一体化技术潜力更突出，而科研机构与企业运营商方面则重点关注智慧内生、网络安全内生技术、通感算一体化等三个方面。

3.2 6G空口技术

美国Next G联盟在《可持续6G之路》中突出了可见光和太赫兹频段通信等空口技术在支撑6G高速通信方面的重要性；欧洲5G基础设施协会(Infrastructure Association，IA)在空口方面重点涉及了智能无线传播环境和先进信道编码技术等，预计智能反射表面和新一代极化码等技术将被优先考虑应用到未来6G商用网络中；日本的B5G推进联盟、韩国5G Forum以及DOCOMO和诺基亚等公司则重点提到人工智能在空口传输中的应用，表明机器学习等AI算法将会广泛应用于6G波束管理与信道反馈等方面；国内的紫金山实验室和华为等公司在他们联合发布的白皮书中提出全频谱、全应用和空天地一体化将是6G空口的核心发展方向。

总体而言，6G将在空口方面呈现出以下三个特点。首先，覆盖技术呈现多样化。6G将逐步实现“空—天—地—海”的全域覆盖，未来一体化覆盖网络将由具备不同功能、位于不同高度的卫星、高空、近地通信平台以及陆地和海洋等多种网络节点实现互联互通，支撑包括智能反射表面、星地互联和太赫兹在内的关键技术。其次，通信过程呈现出智能化特征。21世纪是人类社会全面走向智能化的时代，特别是随着大模型驱动的人工智能方法，如ChatGPT快速兴起，6G将加速打造人—机—物智慧互联、高效互通、通感算一体的架构级智能网络，应用在包括波束管理、信道反馈、编码调制、语义通信、边缘智能等层面。最后，接入服务呈现均质化特点。随着工业互联网和物联网的兴起，海量机器通信场景越来越受到6G研究组织的重视，未来海量应用将迫切需要一种能为大量接入的人、机、物提供统一可靠服务的支撑技术，包括无蜂窝(Cell-free)覆盖、非正交多址接入(NOMA)、全双工(Full-duplex)通信等。

目前，ITU已经对6G场景进行凝练，在5G三大应用场景，即eMBB、uRLLC、mMTC，基础上增加AI应用与通感知一体化两个新场景。这五个场景对数据传输速率、通信时延、误码率和终端连接密度等6G KPI有不同需求，需要由不同空口技术支撑。考虑到技术的延续性、适用性以及保护运营商投资等因素，超大规模MIMO和智能反射表面技术更加适用于eMBB场景，且需增加对空间波束的支持以及增强干扰协调能力。如图2所示，无蜂窝技术更加适用于其他四个场景。通过与AI技术融合，形成无蜂窝大规模MIMO(CF-mMIMO)，进一步提升网络覆盖与服务能力，满足未来智能化无线服务均质化的需求。此外，轨道角动量技术虽然频谱效率高，但由于其波束对准较为困难，则更适用于固定无线传输业务；太赫兹通信技术具有频谱宽，空间分辨率高等优势，但随距离增加太赫兹信号衰减较大，此技术则更适用于近距离通感知一体化场景。对于NOMA技术，由于其已经在5G标准化过程中被大量讨论，预计也会进入6G标准化的研究项目(Study Item)部署，适用于mMTC等场景。而其他一些热点技术，如全双工、索引调制和OTFS等，对现有标准改动较大，应用场景也可能受到一定限制。全息无线电和量子通信等全新技术由于器件和理论尚不完全成熟，在6G商用阶段被广泛应用的可能性则相对较低。

针对以上6G空口技术研究情况，表2总结了各国对6G空口技术的遴选情况^[10,15]。具体来说，美国更侧重于太赫兹和卫星通信技术，欧洲侧重智能反射表面增强的通信技术，韩国关注无蜂窝通信和卫星通信，而日本则将重点放在光子计算和轨道角动量技术。从这些技术遴选可以看出无蜂窝MIMO和智能反射表面技术储备较多，潜在具有高的研究优先级；卫星通信和空天地一体化具有超出技术本身的战略意义，也值得重点推动；而超低时延、新波形和NOMA技术作为候选项，在6G热点区域覆盖等其它典型场景可能会发挥突出作用。

3.3 6G网络安全技术

6G作为面向2030年后智能网联基础设施的重要支撑技术，需变革依赖少数标志性接入技术“裸奔”、网络与业务“解耦”、基于先验知识的“补丁”式安全措施等传统发展范式，开辟内生安全的新发展范式^[16]。

首先，中国在国际上率先提出内生安全6G愿景，主要面向6G空口内源性安全、异构高效组网接入安全、海量用户隐私数据安全等问题，研究内生安全和通信安全一体化防御技术，实现通信与安全的共生发展。IMT-2030(6G)推进组认为，6G安全架构应与网络架构的迭代进行一体化设计，通信网安全需兼顾通信和安全，在代价和收益之间做出平衡^[17]。未来移动通信FuTURE论坛认为，6G安全需向内思考，开展通信和安全一体化设计，构建自免疫的安全体系。中兴通讯联合中国信通院和中国三大运营商等发布了《2030+网络内生安全愿景白皮书》，提出内生安全是一种网络综合能力，“功能网络+管理+安全”将共同构成具备内生安全的6G网络，安全既与网络深度一体化，又能形成独立完整的网络安全平面。

其次，美欧日等主要发达国家也纷纷把网络弹性、可信赖等广义功能安全概念列为6G核心愿景和优先启动的项目清单。美国发布了面向Next G网络的RINGS项目，要求参研单位考虑Next G使能技术，包括无线、频谱、网络等与网络弹性技术的融合创新^[3]。该项目将网络弹性作为主要考虑因素，包括安全性、适应性、自主性和可靠性等，同时兼顾追求优越的性能，使得网络系统在面对恶意攻击、部件故障以及自然/人为中断时具备自适应和快速恢复的能力，保持6G的高性能。欧盟FP7的可信系统体系项目认为，系统体系的可信度是一种整体属性，需要功能安全和网络安全协同，将6G功能安全与网络安全单独处理都是不够的，仅把那些本身值得信赖的系统部件组装成系统体系也是不够的。爱立信公司认为，为了应对未来的挑战，6G安全范式须发生转变，从确保安全通信转型为提供值得信赖的平台，将范围从保护数据扩展到确保相关场景中端到端服务交付。

6G必须在内生安全发展新范式的指导下，整体考虑底层网络与上层应用服务的安全保障，在不依赖但不排斥先验知识和附加防御手段的条件下，探索能对基于软硬件设计缺陷的网络攻击理论与方法产生颠覆性影响的内生安全机制^[18-19]。因此，要对传统功能安全概念在网络攻击条件下进行拓展和延伸，建立内生安全模型，设计6G内生安全可信体系，如图3所示。为构建内生安全、弹性、可信赖的、可扩展的6G提供理论和技术支撑^[20-21]。

在当前世界各国关于6G网络安全的初期探讨中，国内提出的内生安全以及美欧日等提出的网络弹性均受到了广泛重视，两者的目标内涵基本一致；其次，工业和学术界都比较关注人工智能安全、零信任安全、区块链、软件定义安全等赋能技术，以利用它们来提升6G网络安全水平；最后，随着数据成为越来越重要的资产，对传统信息安全研究领域的隐私保护和加密技术也提出了更高要求。

3.4 6G智慧内生技术

6G的目标是提高吞吐量、降低时延、增强可靠性、扩大连接规模、优化频谱效率等。深度学习技术的快速发展，使得AI能够在多个方面发挥重要作用，例如在复杂未知环境中进行建模和学习、预测信道状态、生成和处理智能信号、跟踪和调度网络状况及优化网络部署等。如图4所示，通过将智慧内生嵌入到6G各系统组件中，使通信设备无缝地利用网络中心和本地计算资源实现智能化服务，从而优化网络性能，提高网络资源利用效率，实现6G“万物智联”的美好愿景。在物理层技术方面，未来的6G无线网络在吞吐量、时延、可靠性、连接数、频谱效率等网络性能指标上将实现更大的突破；新的应用、要求和指标都对空口设计带来了巨大的挑战。因此，AI使能的物理层技术引起了学界和业界广泛的关注。目前，AI技术在复杂未知环境的建模与估计、智能信号调制与编码、网络智能调度、网络智能优化部署等方面具有重要的应用潜力，对6G技术的研究和演进具有重要价值。

在网络层技术方面，6G视频流媒体和面向AI检测任务的视频流传输对数据包丢包率、延迟和延迟抖动提出了更高要求。基于规则的传统算法通常遵循类似AIMD的方法来适应比特率，将数据包丢包率、延迟和延迟抖动等度量作为网络条件的关键指标。然而，由于它们使用基于简化或不准确的部署环境模型的固定控制规则，这种预先编程的通用规则很难适应多样化和异构的现代网络。随着深度学习的发展，数据驱动的基于学习的拥塞控制方法逐步得到大家关注。基于学习的方法通常使用覆盖各种网络条件的大规模数据集来训练神经网络模型，相比传统算法可以实现更高的吞吐量和更低的传输时延。

在智慧环境感知方面，未来的6G应具备对环境的感知和自适应能力，实现通信与感知功能协同。例如，通过环境参数训练出高精度的无线环境地图，从而帮助通信系统更加高效地完成智能调度、智能功率控制、智能波束管理等任务。传统的信道估计方法面临着复杂度高的问题，而基于AI的信道估计方法根据已有信道模型数据，离线训练人工神经网络，所得到的网络具有相对较低的复杂度和较好的信道估计准确率。同时，通过利用AI的特征提取能力来获得基站到用户信道测量信息的抽象特征，可实现传统算法无法达到的高精度定位，从而有效提升网络能效和谱效。

4  结语

针对5G网络的发展现状及面临的问题，6G势必将逐步演进以更好地支持垂直行业应用和体现6G新特征。文章探讨了国内外各机构对6G的研究工作，总结出“三全一强”的6G愿景。此外，文章从6G网络架构、空口传输、网络安全、智慧内生方面介绍了6G潜在技术并对不同使能技术进行了遴选，以实现6G愿景及推动我国未来6G高速发展和落地。