無處不在的無線智能 6G的關鍵驅動與研究挑戰

2019年9月，芬蘭奧盧大學與70位世界頂尖通信專家共同發布了全球首份6G白皮書《無處不在的無線智能——6G的關鍵驅動與研究挑戰》，對6G進行了系統闡述。在未來的6G時代，邊緣計算將盛行，信任模型必須嵌入其中，隱私保護將成為關鍵的應用驅動要素。

從歷史上看，移動通信大約每十年就會出現一次更新換代，通過引入新興技術實現頻譜效率和容量的提升，為新業務、新業態培育提供基礎。5G新無線電（NR）的第一個版本已于2018年準備就緒，在諸多領域已展現出提高生產力的潛能，且有望成為引領許多領域長期發展、融合發展和自主應用的關鍵技術。與5G相比，6G會采用新技術、新模式，能滿足并超越5G所需的通信要求，加速經濟和社會的數字化。從之前移動通信技術更新換代的時間、路徑來看，現在是研究6G通信需求、性能要求、系統和傳輸面臨的挑戰以及技術路線選擇等核心問題的最佳時機。

第一屆6G無線峰會于2019年3月在芬蘭列維舉行，來自29個國家的近300名與會者參加了會議，包括了主要基礎設施制造商、運營商、監管機構和學術界的核心人員。該活動的6G愿景宣言抓住了6G的本質，即“無處不在的無線智能”。“無處不在”指服務與用戶隨時隨地進行無縫對接;“無線”意味著無線連接是關鍵基礎設施的一部分;“智能”意味著為人類和非人類用戶提供情景感知的智能服務和應用程序。峰會結束后，組織者舉辦了研討會并起草了第一份6G白皮書《無處不在的無線智能——6G的關鍵驅動與研究挑戰》（以下簡稱“白皮書”），白皮書確定了與6G相關的主要驅動因素、研究要求、挑戰和基本研究問題，并指出了6G的主要驅動力：可持續發展、社會、生產力和技術。此白皮書每年都會在年度6G無線峰會結束后進行更新。

2016年，聯合國發布了2030年議程的17個可持續發展目標（SDG），有望推動政策并影響許多經濟體的政府支出，從而創造出新的全球需求。到2030年，全球人口將增長到85億，預計世界上將有43個人口超過1000萬的特大城市，其中大多數位于發展中地區。城市化要求在整個社會范圍內提供超高效、自動化、無時無刻、無處不在的信息與通信技術服務，從而提高生產率、減少碳排放、節省公共支出。

同時，未來城市地區開發的服務需要轉變為滿足偏遠地區、貧困地區的需要，以便實現聯合國的可持續發展目標。在6G時代，隨著社會與信息通信技術的融合愈發緊密，將出現更多的數據安全問題，如何應對這一難題、做好風險防范將成為6G技術不容忽視的重點。

6G的社會和商業驅動力

5G能夠為更多種類的設備和用戶提供更快的數據傳輸速率，滿足消費者預期的容量增長需求以及行業的生產力需求，隨著5G的發展，物聯網（IoT）等領域的重要性正在不斷凸顯。與5G相比，6G的定義不能僅僅考慮其商業價值，更需要全面的定義來滿足社會對未來通信的要求，包括從通信技術角度確定未來社會面臨的趨勢、需求、挑戰以及塑造未來世界形態的力量。在5G時代，移動網絡運營商依然是網絡部署的主導者，而6G時代可能會出現由更多市場參與者推動的超高效短距離連接解決方案，在傳統移動網絡運營之外產生新的生態系統，這也將使6G網絡更具包容性。

（一）來自社會的驅動力將塑造6G。從1G到5G，社會和商業驅動因素對移動通信網絡的影響愈發深刻，對于6G而言，政治、經濟、社會、技術、法律和環境等都是重要的驅動因素。一方面，為了確保智能城市服務和城市化的紅利得到充分共享且具有包容性，政策要著重關注城市貧困人口和其他弱勢群體對生活保障的需求。另一方面，無處不在的系統化、自動化的小工具和傳感器將對網絡的可靠性和魯棒性提出更高要求。預計6G“無處不在”的特性將大大擴張信息與通信技術涵蓋的范圍，釋放更多社會經濟價值和機會。與此同時，高效節能也是6G的關鍵性需求，在整個網絡產品使用周期中對材料進行選擇、使用、重復使用和回收利用，可以降低網絡建設、使用的成本，有助于將網絡連接擴展到更多偏遠地區，以持續、高效、綠色的方式提供無線網絡。此外，6G對人體健康的影響也是關注的重點，新型6G技術的引入需要啟動科學審查，發現并確認需要開展的研究，以便填補健康風險評估上的理論空白。

（二）數據所有權和合同政策問題需要特別關注。數據訪問和使用規則逐漸成為未來創造價值的重要要素，為此，對數據的限制也變成了一種管理手段。創建一個可以改變數據收集、優先級和共享方式的系統可以為更大程度地發揮數據價值提供保障，但也可能導致在數據存儲和使用等方面產生嚴重的隱私及倫理問題。在通信生態系統中，不同參與者對數據的使用權利和義務已有界定，但在6G時代，一個重大挑戰是如何將這些權利和義務映射到高度智能的系統或設備中，以便使用數據創建更多未來服務。

（三）6G將推動城市和室內空間的網絡共享，“本地運營商”模式將得到推廣。在6G時代，定位服務于超高效短距離傳輸的網絡新頻段將會開放，各個參與者將在新頻段上以垂直行業為目標進行網絡部署，以吸引新的參與者、投資者等共同打開市場。以往重疊的超密集網絡將不再可行，不同的參與者在一個設施內只部署單個網絡來滿足多個用戶組和服務的需求，參與者將借助軟件化、網絡功能的虛擬化以及接口的開放來共享網絡連接層和數據層。在此背景下，頻譜接入權、網絡、網絡資源、設施和客戶的所有權變更將導致多種技術要求和技術架構組合，大大增加網絡接入的復雜性。同時，頻譜使用的全球協調也需要各方共同努力去推進解決。

長遠來看，6G將比任何事物更深入地滲透到社會和人們的生活中，為避免過高的運營成本，6G相關軟件都將運行在具有高度自動化水平的云端上，這也將促使責任部門改進監管系統。

6G應用場景和新設備

智能手機已成為我們生活中不可或缺的一部分，但隨著新的顯示技術、傳感和成像設備以及低功耗專用處理器的飛速發展，硬件設備將進入一個新時代。該時代，設備將與感官和運動控制無縫結合在一起。虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和混合現實（MR）這些技術正在融合到交叉現實（XR）中，該技術包含可穿戴的顯示裝置以及產生并保持感知錯覺的交互機制，提供了更多的可能。

（一）智能手機很有可能被XR眼鏡所替代。未來，輕巧的XR眼鏡能以其前所未有的分辨率、刷新率和動態范圍將圖像投射到眼睛上，并通過耳機和觸覺界面把反饋提供給其他感官系統。要實現這一體驗，必要的配套技術包括：（1）成像設備，例如光場、全景、深度感應和高速的相機;（2）用于監視使用者健康狀況的生物傳感器;（3）用于計算機圖形、計算機視覺、傳感器融合、機器學習和人工智能的專用處理器;（4）無線技術，包括定位和傳感。

（二）新的技術將使遠程呈現成為可能。隨著高分辨率成像和傳感設備、可穿戴顯示裝置、移動機器人和無人機、專用處理器以及下一代無線網絡等輔助技術的發展，遠程呈現最終將成為現實。人物模型可以通過實時捕獲、傳輸和渲染會議中每個參與者的三維全息再現，或者通過圖形組合表示（如化身）和傳感器捕獲的移動數據來實現。XR設備等可以創造感知上的錯覺，使地理上分散的一群人相信他們出現在同一個位置。借助這些技術，人們甚至可以影響遠程世界的變化，典型的應用包括遠程教育、協同設計、遠程醫療、遠程辦公、先進的三維模擬、培訓以及國防等。

（三）自動駕駛汽車將成為可能。即使有了遠程呈現，人員和貨物的流動隨著人口增長和全球化推進仍然是一個嚴峻挑戰。暢想在2030年及以后的世界，將會有數百萬輛聯網的自動駕駛汽車，通過高度協同的系統使運輸和物流更加高效。這些汽車包括在家庭、工作場所或學校之間移動的自動駕駛汽車，也包括送貨的自動卡車或無人機，這對于提高生產效率、減少化石燃料消耗均具有重要意義。

在6G網絡中，每輛車都將配備許多傳感器，包括相機、激光掃描儀、可能用于三維成像的太赫茲寬帶陣列成像設備、里程表和慣性測量單元。在算法上，自動駕駛必須快速融合多來源數據來決定如何控制車輛，并具有專用的交互界面以提醒乘客或監督員注意潛在風險。在網絡上，無線網絡除了具有低延遲和高帶寬外，還必須有超高可靠性。

6G的物理層和無線系統

沒有任何一種解決方案可以滿足所有垂直應用程序的需求。大規模的寬帶（eMBB），超可靠的低延遲通信（URLLC），大規模的機器類通信（mMTC）和極高的用電效率，意味著需要更多的解決方案。解決方案的增多需要逐案優化系統，并且必須重新定義不同應用之間的兼容性。當前的5G新無線電網絡尚未能夠滿足所有苛刻設計需求。因此，我們認為未來物理層和無線系統除了地面網絡以外，還需要基于衛星和無人機（或類似的空中平臺）的基礎設施來滿足覆蓋范圍和能力的需求。此外，當越來越多的數據在微型設備中被存儲和處理，能源和電力消耗的問題將會變得越發突出。

（一）人工智能將在6G的鏈路層和系統層解決方案中發揮重要作用。6G要滿足所有已確定的性能要求，就需要具有可配置無線電的超靈活網絡。人工智能和機器學習將與無線感測和定位結合，學習了解無線環境的靜態和動態構成，用于預測高頻下的鏈路丟失、主動確定密集城市網絡中的最佳切換點并確定基站，以及為基站和用戶確定最佳的無線資源分配等。

目前來看，開發新的空口需要廣泛應用機器學習和人工智能算法，以便改善空中接口的時變性能，語義識別方案可能是重要的解決方向。值得注意的是，在給定環境和特定的需求下，人工智能是否可以被用來做這些設計，其真實使用效果仍值得研究。

（二）新的無授權訪問方式對大規模機器類通信至關重要。6G要擴展5G的性能，就必須靈活地開展大規模的機器類通信用例，在實現高頻譜使用的同時，還需要支持大量低功耗和低復雜度的設備。因為設備偶爾會生成短數據包，并且資源分配時的消耗可能超過實際的信息交換量，因此物聯網對上述指標的要求更加苛刻。為解決這些問題，基于適當協議設計并依靠連續干擾抵消的現代隨機訪問協議可能會發揮作用，這些標準已經在某些衛星標準中被采用，且被證明可以達到預定的訪問性能要求，同時真正實現了無授權訪問。此外，現代隨機訪問協議可以利用物理層和MAC層的聯合設計來提高數據吞吐量，這些對于短距離連接解決方案可能是有用的。

（三）信號成形是一種實現高頻譜使用效率的方法。為了增強比特率的性能，需要使用非常高階的星座調制。然而，這些高階星座調制對傳輸介質中的非線性非常敏感，用于正交幅度調制3（QAM）的信號成形可能可以克服其中一些困難。信號成形方式有兩種：幾何成形和概率成形，不論是基于幾何成形還是概率成形的正交幅度調制，都有望在光學和太赫茲無線通信系統中實現創紀錄的高比特/秒/赫茲/極化。

（四）強大的模擬調制方案對6G至關重要。事實證明，正交頻分復用（OFDM）對于寬帶連接非常有效。早前，也有人提出了在60GHz下具有大于500兆Hz帶寬、超寬帶（UWB）系統的多頻帶正交頻復用版本。當傳輸帶寬達到極限，如在數百GHz頻段上達到幾GHz甚至幾十GHz帶寬使用率時，傳統的收發器設計就會開始出錯，并且多載波調制也無法正常工作。因此，6G需要更強大的模擬調制方案。

（五）多種方案可在物理層實現6G的安全保護。未來的光無線通信可能依賴于量子密鑰分發（QKD）方案，通過量子力學而不是計算的方法在兩個用戶之間分發密鑰，從而為部分6G應用提供所需的超安全網絡。此外，通過使用物理層簽名（例如射頻指紋）和某些其他技術，如利用MIMO（多輸入多輸出）傳輸系數的隨機化、編碼等進行身份驗證的方式可能會在6G中得到應用。

（六）使用射頻功率進行連接和計算的反向散射通信可以實現超低功率通信。6G對能效比要求極高，這就需要通過以節能的方式進行編碼、調制、發送和接收處理，以實現發射能量和所需處理能量之間的平衡。此外，終端、低功耗物聯網節點對節能的要求更高。在設計的過程中，節能的大多數問題可以通過適當的射頻和基帶硬件設計來實現，但是在低功耗編碼、調制和物理層（非正交頻分復用）等層面需要更多解決方法。使用射頻功率進行連接和計算的反向散射通信可能是實現超低功率通信的有效方法，反向散射通信可以從環境和射頻波形中獲取能量，這樣能夠讓物聯網節點的壽命延長。

（七）6G無線網絡或許能自主搭建無線環境。在電磁可調表面（如基于特異材料）革命的推動下，6G將控制來自大型智能表面7（LIS）的信號反射和折射。開放研究的問題涉及從無源反射器和超材料涂層智慧表面的優化部署到可重構大型智能表面的AI驅動操作。為了解大型智能表面和智慧表面在速率、延遲、可靠性和覆蓋率方面的性能，需要對其進行基礎分析。另一個重要的研究方向是環境AI，智能表面可以通過學習實現自主地重新配置其材料參數，現有挑戰包括如何在大型超材料表面上聚焦具有不同入射角的信號，這就需要反射/折射系數的可控性。在移動環境中，由機器學習驅動的智能曲面可能需要連續的再訓練，這就需要訪問足夠的訓練數據、高計算能力和有保證的低訓練收斂性。

通過使用大型智能表面和類似結構，6G可使全息成像成為可能，全息圖像射頻通過合成空間光譜全息技術和空間波場來控制整個物理空間和電磁場的完整閉環。這將大大提高頻譜效率和網絡容量，并有助于集成成像和無線通信。

6G的網絡需求

（一）6G需要嵌入信任模型。到2030年，數字世界和現實世界將深度交織，人們的生活將依賴于網絡的可靠運行，如果網絡出現故障，重要的工業價值將會喪失。在網絡物理世界中，有形資產可能會因數字攻擊而被竊取、滅失或受到損害，惡意網絡活動可能導致財產和生命的損失。

為了解決這個問題，信任模型應當嵌入到網絡當中，以提高用戶對網絡通信的信任度。對于安全、信任和服務來說，網絡應提供嵌入的分布式拒絕服務（DDoS）來實現緩解和保護功能，以使其免受其他人的攻擊。

（二）6G采用身份與位置分離的方案，主要依靠設備的私有地址。從保障安全上看，將信任關系嵌入網絡需要為設備和節點配備一個更穩定的ID，而不僅僅是可轉換或動態的地址。每個設備至少應具有一個唯一的名稱或多個可由網絡隨時轉換為地址的名稱，并且可以將這些名稱轉換為地址以及根據需要轉換回ID，在設備連接后，設備應能夠控制其自身的可達性。這種尋址原則的結果是端到端通信“層”與用戶的數據包轉發是分開的，如同軟件定義的OpenFlow網絡一樣，該網絡可以使用多種轉發協議，例如IPv4、IPv6、以太網和多種隧道協議等。

（三）6G的隱私保護將是一個關鍵推動因素。未來，物聯網、工業物聯網等將產生大量前所未有的私人信息。互聯網公司已經證明了私人信息具備使用價值，從現實世界中收集私人信息可能非常敏感，諸多場景私人信息的使用或多或少涉及侵犯私人利益。對于6G而言，要為社會所接受，對私人信息的保護是一個關鍵推動因素。

（四）6G需要進行網絡模式升級。5G采用了網絡切片（Networkslicing）方案，為用戶直接定制網絡資源、容量和功能，通過鏈接和計算機資源分配以及虛擬網絡功能在每個切片中控制和處理流量。網絡切片可以為用戶提供最好的服務，也可以應用一些服務質量模式來處理數據包。

在6G中，5G范式將得到細化和擴展。一種可能性是虛擬化（關鍵）設備之間通過移動網絡到分組數據網絡并直達云端，實現端到端連接。在6G范式下，網絡可以通過多種技術手段（智能流量管理、邊緣計算、用戶主動或流量編排設置等）來最大化用戶體驗，如通過將用戶或運營商設置為一組訂閱用戶，每個訂閱用戶在該組中統一進行網絡分配。在某種意義上說，網絡是中立的，它平等地對待一個切片中的所有應用程序，并且平等對待具有相同訂閱類型的所有用戶。

在6G時代，網絡中立性法規可能會更新，并會強制移動網絡運營商向用戶提供可在其控制之下的增值安全服務，在這樣的規定下，運營商可以向無法保障自己設備安全性的用戶收取合理、可接受的費用。與此同時，網絡應為服務和應用程序的競爭提供公平的基礎，以最大限度增加最終用戶的選擇權。

6G研究還需要研究私有網絡和公共網絡之間的責任劃分，短程連接解決方案與大覆蓋蜂窩系統的無縫集成將會變得更加普遍，并需在開發和標準化方面提供更多的支持。

（五）人工智能和區塊鏈可能在6G網絡中扮演重要角色。在6G時代，機器學習和人工智能越來越重要，依賴于挖掘大數據來訓練學習，不斷增強應對更高傳輸速率的計算能力，同時通過不斷學習獲得更多的靈活性。

區塊鏈是另一個備受期待的新技術，該技術在沒有中樞機構的情況下，以分布式方式存儲和共享不常更改的信息，但變更的完整記錄也會被保存。這可能會導致數據市場組織方式的變更，也可能有助于運營商在相互設置網絡架構時保持相互信任。