6G進展與未來展望

劉光毅，王瑩瑩，王愛玲

(中國移動通信有限公司研究院，北京 100053)

0 引言

回顧移動通信的整個發展歷史，“十年一代”的更新節奏涵蓋了關鍵技術研究、標準化、產業化和商業應用推廣的所有環節，每一代移動通信技術都試圖去解決當時行業發展和應用面臨的問題，把通信技術的發展推向新的高度。最初的1G提供了移動語音通信的解決方案，但成本高體驗差；后面的2G很好地解決了這些問題并實現了移動語音應用的全球普及；3G開始嘗試數據通信，雖然不很成功但培育了應用生態，為4G實現移動互聯網的快速繁榮奠定了很好的基礎；4G開始探索物聯網應用，而5G則希望實現萬物互聯。

隨著5G應用的快速滲透、科學技術的不斷突破、DICT的深度融合，6G將在5G基礎上全面支持世界的數字化，即基于物理世界生成一個數字化的孿生虛擬世界，物理世界的人和人、人和物、物和物之間將可以通過數字化世界來傳遞信息與智能[1]。孿生的數字世界是物理世界的映像，幫助人類更進一步地提升生活質量，提高生產效率，實現“6G重塑世界”的美好愿景。

從馬斯洛的需求模型可以看出，隨著人們自身需求的不斷滿足，對通信的需求也在不斷提升，由此推動著移動通信的螺旋式發展與提升。4G帶來移動互聯網應用的空前繁榮，5G將會推動萬物互聯，可以把人們的感官外延推廣到新的高度。當然，無論是從當前的社會發展形態還是從人自身的心理和生理需求來看，還有很多自身的渴望和需求遠遠沒有得到滿足，比如現今所面臨的交通擁堵、就醫困難等，還不足以使得人們能夠真正地解放自我，去追求自身價值的終極實現。所以，面向未來6G網絡發展，我們需要思考待解決問題是什么。結合馬斯洛的需求模型，可以看出通信的需求提升將經歷4個泛在的階段：溝通的泛在、信息的泛在、感知的泛在以及智慧的泛在。其中，智慧的泛在是希望通過智慧的應用幫助人們更好的解放自我，讓人們從日常的繁瑣溝通等事務中解放出來，有更多的時間和精力去追求和實現自我價值。如果說5G幫助人們實現感知的泛在，那6G的目標就是如何實現“智慧泛在”。

1 6G國內外發展現狀

自2019年以來，全球5G發展迅速，中國5G基站的部署規模超過全球部署的70%，同時也是全球率先大規模部署SA的國家。結合移動通信產業“用一代、做一代、看一代”的發展規律，6G的研究率先在學術界展開。全球通信技術發達的國家和地區，如美國、歐盟、中國、日本和韓國等也都出臺了相應的6G研發規劃和舉措，其中影響力較大的是芬蘭的Oulu大學，受芬蘭政府資助，啟動了其6G旗艦項目6Genesis，并在2019年3月率先組織了第一個全球6G無線峰會，此后聯合國際上主要的大學、研究機構和企業發布了面向6G的一系列技術白皮書，具有較大的影響力。韓國的6G發展規劃最為激進，提出2028年要在全球率先商用6G，同時希望韓國能在6G核心標準專利的份額方面成為全球第一、智能手機市場份額全球第一、通信設備市場份額全球第二。日本則提出要在2030年實現6G的商用，希望通過6G構建起在集成電路和材料等方面的國際競爭力，實現6G專利份額達到10%以上，6G基礎設施的全球市場份額達到30%。歐盟延續了其5G研發思路，正在逐步出臺6G研究計劃和項目的實施，由諾基亞和愛立信牽頭的6G旗艦項目Hexa-X已在2020年正式啟動，并發布了6G愿景和需求白皮書。由于受5G部署頻率的限制，美國的5G商用進展較為緩慢，有政府官員和學者甚至提出直接跳過5G發展6G，所以美國FCC 2018年就開放了THz頻率用于6G的研究和試驗，美國國防部也資助了通信和感知融合的研究項目；2020年底，美國成立Next G產業聯盟，希望重塑美國在移動通信技術標準和產業中的主導地位。

2019年6月，工信部成立了6G推進組IMT-2030；2019年11月，科技部聯合國內多個部門成立了6G技術研發推進工作組和總體專家組，開始全面布局和推進6G的研究工作。此外，國內外企業，如中國移動、中國聯通、大唐移動以及VIVO等也都自2019年以來陸續發布了6G白皮書。IMT-2030推進組也在2021年6月發布了第一版6G愿景和需求的白皮書。

借鑒整個5G的研發歷程，可以初步研判，整個6G研發將大概分為兩個階段：第一個階段(2018—2025)，愿景、需求的定義和關鍵技術的研究驗證、系統概念設計與原型驗證；第二個階段(2026—2030)，3GPP開始相關標準的研究和制定，端到端產業化推進，業務和應用培育以及商用部署。目前全球關于6G的研究正處于定義愿景需求、尋找關鍵技術的階段，正在百花齊放、百家爭鳴。

目前業界的研究人員對6G的認識還比較片面，不足以形成對6G的全面認識。比如，有的研究者認為6G就是THz，因為6G需要提供Tbit/s的峰值速率，所以需要超大的帶寬，而THz可以提供足夠的帶寬。THz的缺點也同樣突出，由于其頻點高、傳播損耗大，難以提供蜂窩小區的覆蓋距離；但可以較好地發揮THz在感知方面的特長，所以其將在感知與通信融合方面發揮重要作用。也有人認為6G就是衛星通信，尤其是馬斯克的星鏈計劃給大家帶來了巨大的想象空間；但衛星通信網絡無法提供有效的室內覆蓋，所以無法取代地面移動通信系統。不過衛星通信系統對于提供低空無人機、飛行器、飛機以及海面、高山和沙漠等地面通信系統難以部署場景下的覆蓋具有先天優勢，所以衛星通信系統也將是6G的重要組成部分。也有研究人員認為6G就是AI，但是AI并不能解決6G所面臨的所有問題和挑戰，盡管其在通信系統中必然會有相當大的應用前景，但AI僅僅將成為6G網絡的基礎能力之一，廣泛服務于網絡自身以及外部的客戶。也有人說6G就是語義通信，覺得它可能是一種顛覆式的數據傳輸承載方式；盡管通過場景化的、AI驅動的編碼可以提升信源編碼的效率，帶來傳輸效率的大幅提升，但語義通信業僅能夠助力鏈路傳輸效率的提升，在6G面臨的能耗、成本等挑戰方面還無能為力。

2 行業組織工作計劃與標準化展望

隨著6G研究的推進，全球主要的移動通信行業組織也紛紛啟動6G工作，如圖1所示。國際電聯ITU-T自2019年就開始了6G相關議題的研究，如數字孿生網絡、AI等；ITU-R自2020年開始了6G愿景和技術趨勢的研究，并討論ITU-R的6G工作時間表。目前關于ITU-R最終頒布6G國際標準的確切時間還存在爭議，有的公司建議加速6G的標準化，在2028年頒布ITU-R認定的6G標準，以滿足韓國2028年商用6G的目標；而更多的公司則認為應該給5G的發展預留足夠的時間窗，保持十年一代的標準演進節奏，在2030年左右頒布ITU-R認定的6G國際標準更合適。當然，3GPP會根據ITU-R制定的6G時間表確定其6G標準制定的時間計劃，預計在2026年前后開始正式的6G可行性研究工作。全球運營商聯盟NGMN曾經在全球4G和5G的標準制定和選擇中扮演了重要角色，為全球統一標準和統一生態的構建做出了巨大貢獻。目前NGMN已經發布了6G愿景白皮書，目前研究6G的典型應用場景，隨后會凝練出6G具體的性能需求指標并形成白皮書，希望能夠聯合運營商的力量，為6G的發展制定一個合理的目標，更好地引導全球6G的研究方向，促進行業的健康和可持續發展。

圖1 全球行業組織6G工作時間表Fig.1 6G work plan of global industry organization

3 6G愿景與需求

5G、云計算、大數據與人工智能等技術的結合，必將加速整個社會走向數字化。那么數字化的下一個階段是什么？本文認為就是數字孿生。在未來乃至2030年以后，整個社會不僅有一個物理世界，還會形成一個數字化世界。數字化的世界由物理世界的數字化鏡像組成，基于數字世界，可以模擬物理世界的運行狀態，預測物理世界的發展趨勢等。基于這些預測形成一些預防性措施，提前干預物理世界的運行，由此改變未來。數字孿生最早用在飛機發動機的預測性維護上，如果飛機的發動機在飛行的過程中出故障，產生的結果將是災難性的，乘客和航空公司都難以承受。所以，飛機發動機制造企業通過數字孿生技術來預測整個飛機發動機的運行狀況、可能發生的故障，提前進行維護，保證飛機自由飛翔而不會出現故障。相信這一理念，將會逐步滲透到社會的各行各業、各個角落，從而形成一個數字孿生的世界。

在數字孿生世界中，AI技術的應用將非常廣泛。AI可能是迄今為止最熱的一項技術，希望能夠在2030年以后實現智慧泛在的發展愿景，使得AI的應用能夠無處不在。

目前“數字孿生、智慧泛在”[1-3]的社會發展愿景基本成為業界的共識。在這樣的社會發展愿景下，將會涌現出非常多的全新應用場景，比如人的數字孿生、全息交互、通感互聯及智能交互等，如圖2所示[3]。

圖2 6G典型應用場景Fig.2 Typical usage scenario of 6G

第一個全新的應用場景是人的數字孿生。通過穿戴或植入傳感器，深入采集人體的各種信息，并基于設定的模型，構造一個數字化的人體，稱為數字人。數字人可以對人體局部的器官、身體的循環系統等進行模擬和仿真，進而可以預測人體可能發生的病變，并對干預的手段進行仿真驗證，確認其能達到預期的效果之后，再將該干預手段施加到物理的身體上，進而避免疾病(比如腦梗、心梗等)的發生，實現“治未病”的最高醫學境界。通過這種方式，可以極大地提升人類生命的質量和生活的質量，解決當今社會所面臨的就醫難問題。當然，基于這些身體數據還可以做很多事情，比如器官研究、精準醫療、病毒培育以及手術輔助等，它將會對人類生命質量的提升起到非常重要的輔助作用。

第二個應用場景是通感互聯。現有的通信系統可以實現視覺和聽覺的傳遞和交互，而在未來人們希望能夠傳遞更多的感覺，如觸覺、嗅覺、味覺等，甚至人的情感都可以傳遞和交互，實現通感的互聯。有了通感互聯，機器和機器之間的協同、虛擬社交等都不再是一個夢想，我們可以傳遞擁抱，也可以通過教練和運動員之間的通感互聯，提升技能學習的效率和效果，甚至帶來革命性的改變。

第三個應用場景是超能交通。未來的交通可以是空天地一體式交通，有會飛的汽車、無人的送貨機以及水里的交通工具等，人們可以根據出行的路徑、交通狀況、目的地等個性化地定制出行方式，最大化滿足出行的需求。為此，網絡必須支持更多新能力，包括精準定位、可靠性和安全性要求很高的連接能力等。

第四個應用場景就是全息交互。全息將會徹底改變溝通和交互的形式，實現沉浸式體驗的升級，帶來生活、娛樂和工作方式的革命。也許未來在開會時，演講者是全息的投影，聽眾有可能也是一個個全息的投影。

第五個應用場景是智能交互。一方面，交互的形式將會變得智能，特別是人機的交互，將更加情景化、個性化，特別是在殘障、智障、病患、小孩以及老人的情感陪護等方面，帶來更深層次的人文關懷體驗；另一方面，智能作為技藝和經驗的凝練，可以直接在人與人、人與機器、機器與機器之間交互，極大地提升學習效率和協同效率。

從剛才提到的場景可以看出，未來的業務和應用將會發生非常大的變化，呈現出許多新特征：第一是需求將會變得更加多元化和碎片化，對網絡能力需求的動態范圍會更大，包括速率、時延、可靠性等；第二是覆蓋的立體化，不僅只考慮地面的覆蓋，還需要考慮三維的覆蓋，因而需要考慮衛星作為補充的覆蓋手段；第三是交互的形式和交互的內容將會更加多樣化，不再是現在的簡單人機界面或者簡單的溝通內容；第四是業務的開放化和定制化，追求個性化將是人類實現自我解放和自我價值的一種重要表現形式，個性化的業務定制將會為行業帶來更多的商業模式，開放化的業務可使任何人都能成為業務的提供者，而不僅是被動地接受運營商和互聯網業務提供商的服務；第五是通信、感知、計算、AI和安全等的深度融合，未來通信網絡提供的將不再只是通信的功能，而是包括計算能力、AI能力、安全能力和感知能力在內的綜合能力體系，由此來拓展整個6G網絡的應用空間。

基于這些應用場景的分析，可以推導出其對網絡能力的需求，由此形成6G網絡的KPI需求，如圖3所示。怎么滿足這些指標，將是未來行業共同努力的方向，通過從頻譜、無線傳輸技術、網絡架構、網絡功能、安全、AI能力以及技術平臺等方面的突破，實現6G網絡技術體系質的飛躍。

圖3 6G場景化的關鍵性能指標Fig.3 Usage scenario oriented KPI of 6G

從圖3可以看出，未來場景化的6G KPI定義將是6G需求指標定義的重要形式。當然，對每個6G場景下的網絡技術指標體系的數值，業界還沒有達成共識，還需要結合應用和技術的發展去進一步豐富和完善。

面向2030年的“數字孿生、智慧泛在”發展愿景，許多全新的應用場景都對網絡的能力提出了更多、更高的要求，如圖3所示，除傳統的通信功能之外，還需要確定性QoS、更精準的定位、姿態感知、計算能力、AI能力、安全能力等。所以未來6G網絡將不再簡單提供通信連接的能力，還需提供更加綜合的能力體系，以支持更加豐富多彩的應用場景。

4 6G頻譜的認識

移動通信依賴于電磁波傳播所使用的頻譜。面向2030年，很多新的應用場景將會出現，毫無疑問，它們將導致移動通信網絡的業務量不斷增長，所以6G需要更多的頻譜；6G需要支持非常高的傳輸速率，如Tbit/s，因此需要更大的連續帶寬；另一方面，6G也需要無縫覆蓋，需要更多的低端頻譜。那更多的頻譜從哪兒來？連續大帶寬從哪兒來？這些都是6G研究和標準制定之前亟待回答的問題。

從4G和5G發展的歷史來看，頻率的規劃和選擇至關重要。5G實現了Sub-6GHz的100 MHz帶寬的載波，毫米波達到了400 MHz的帶寬，結合大規模天線技術，實現了1 Gbit/s以上的峰值速率，帶來了用戶體驗的升級；我國選擇的Sub-6GHz優先發展的產業策略比較好地兼顧了覆蓋和速率的需求，每個運營商100 MHz的頻率分配使得運營商有條件建設一張全國覆蓋的5G精品網絡，為我國5G的快速發展打好了基礎。面向6G，網絡的發展仍然需要兼顧覆蓋、成本和能力提升的需求，所以如果能在6GHz左右，為每個運營商分配500 MHz以上的連續頻譜，它所帶來的網絡成本效率和網絡能力的提升都會是巨大的，將非常有利于6G網絡實現能力和成本效率的量級提升。同時，運營商目前所使用的頻譜非常零散和碎片化，這給實際的網絡部署、終端設計等都帶來了巨大的挑戰，6G需要解決多頻譜協同使用的問題。因此6G需要想辦法提升頻譜利用效率，特別是中低頻段的頻譜利用效率；另一方面，6G需要支持全頻段的接入，包括授權頻譜、非授權頻譜、Sub-6GHz、太赫茲、可見光、毫米波等，需要充分考慮其特點、應用場景，采用高效的頻譜使用方式。此外，考慮到2G、3G、4G、5G、WiFi等，6G網絡需要支持頻譜的動態管理，把有限的頻譜資源有效利用起來，特別是低頻段，比如5G和6G之間，授權和非授權之間等，以便充分利用閑置的資源來滿足用戶的體驗。

面向6G，如圖4所示，一方面需要10 GHz以下的連續大帶寬頻率以保證基礎的網絡覆蓋，支持無縫的地面覆蓋網絡部署，保障基礎的業務能力提升；另一方面，也可以考慮根據業務的需要，按需部署與動態開啟毫米波、THz和可見光等高頻段，滿足超高速率、超大容量的業務需求，或者在提供數據傳輸的同時，提供定位等感知能力，進一步拓展6G網絡能夠支持的應用場景。表1對比了目前業界開發的不同頻段的基站所具備的數據傳輸能力，相信隨著技術和器件的進步，這些能力還將繼續提升，特別是可見光，如果能夠突破器件的帶寬限制，速率將非常可能提升到數十Gbit/s。

圖4 6G頻率使用方案Fig.4 Spectrum strategy for 6G network

表1 不同頻段的帶寬和能力對比

5 無線傳輸技術

無線傳輸技術決定了無線鏈路傳輸的效率和能力，是6G研究的重點，也是業界最期待有重大突破的領域。目前，學術界和工業界關注的無線傳輸技術主要包括五方面：

① 通過增加天線數來提升傳輸效率。Massive MIMO[4]已經成為了5G的標志性技術，在6G時代，希望能夠進一步拓展Massive MIMO的規模和應用范圍，通過分布式協同實現更大規模的Massive MIMO，進一步提升傳輸效率，保證用戶在移動網絡中有覆蓋的地方用戶體驗比較均勻，更好地解決用戶在離基站近的地方和小區邊緣體驗差距大的難題。從5G的應用情況來看，Massive MIMO已經支持192天線和64通道，相對于4G的8天線，可以帶來3～5倍頻譜使用效率提升，但也面臨復雜度高、成本高、功耗大等方面的挑戰。未來在移動通信典型環境下，進一步增大天線數和通道數規模可能會是非常大的挑戰。面向6G，Massive MIMO的主要發展方向在于如何進一步提升其對場景的適應性、優化高移動速度場景、降低系統開銷、優化計算復雜度、提升多用戶配對效率等。同時，面向室內等密集部署的場景，利用多個天線點協作構成大規模的天線陣列，實現分布式Massive MIMO[5]也將是未來6G重點關注的方向，其主要需要解決的問題有多個站點之間的射頻通道校準、多個天線點之間的同步、高效的協作簇選擇、低復雜度的多用戶調度與賦形。

② 電磁超材料的應用。電磁超材料的研究是目前6G研究的一大焦點，通過數字化和可編程的低成本人工單元陣列設計，電磁超材料天線可以實現天線陣列的方向性接收和發送，帶來信號傳輸和覆蓋效率的提升。電磁超材料在天線領域的應用主要可分為3類：第一類是提升傳統的無源天線性能，包括提升天線增益、控制波束形狀、降低輻射單元之間的耦合等，目前已在5G中開始應用；第二類是可控無源反射面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)[6-7]，通過預置控制或者基站輔助的控制，實現電磁超材料表面的方向性接收和反射，提升覆蓋的效率和用戶速率體驗，解決覆蓋空洞的問題；第三類是用信息超表面來取代傳統收發信機的波束賦形的天線陣列及其控制單元，甚至信息的調制。目前，東南大學及其他院校已在超表面天線提升頻譜效率和覆蓋方面的研究取得較大進展，并開始了外場測試。如圖5所示，中國移動也在研究信息超表面發射器，嘗試通過數字編程的方式，來控制載波的信號幅度相位等，由此來取代傳統的收發機設計，提升功率效率。電磁超材料的應用需要考慮很多實際限制，陣列單元的可靠性與穩定性、帶外輻射的控制、帶內的增益平坦度、控制單元的響應速度以及控制帶來的成本和開銷等。

圖5 外場測試中無源反射面對接收信號強度的提升Fig.5 Received signal strength of RIS

目前，電磁超材料在通信中的應用也存在較大局限性，和現有模擬波束賦形相似，其對信號接收和反射的方向性控制是全帶寬的。這會限制多用戶的空間和頻率選擇性調度，也容易導致同一頻段內的其他運營商網絡干擾放大。目前考慮的解決方案是實現窄帶的表面單元或者增加濾波器，但這些方式可能帶來成本的大幅增加。

③ 場景化的編碼與多址優化。在5G時代，polar碼和LDPC得到了應用。到了6G時代，由于應用場景變得更加復雜，對網絡能力、時延、可靠性等方面提出了新的要求，需要探索編碼、多址和調制針對不同場景需求的優化，尤其需要考慮不同頻段射頻器件對通信鏈路和系統的影響。面向6G，需要對速率、時延和可靠性聯合優化設計，研究統一的多址接入理論框架，以通過統一的架構實現針對不同場景的不同優化接入方式。

④ 感知通信一體化[8-9]。6G網絡需要具備環境感知能力，因此在信息傳遞過程中融合信息采集和信息計算，實現感知通信一體化是目前很有前景的技術方向之一。在移動通信網絡中，采用感知通信一體化方案，需要強大計算能力的支持與協助，感知功能是網絡環境信息的來源，通信功能是網絡協作的基礎，計算功能是融合和挖掘多智能體共享信息的手段，而三大功能又互有關聯、互相補充。實現三者一體化設計，不僅可以節省頻譜、空間、載荷等資源，也使三者的性能互相增強。未來6G網絡不僅僅提供通信的功能，手機或者基站都有可能變成一個雷達，實施對環境進行探測感知，比如說人體的姿態、手勢、機器人的位置、車與車的位置等，以此來進一步拓展6G的應用場景，如無人機的協同和管控、機器人之間的協作、智能的手勢和肢體交互等，如圖6所示。

圖6 感知通信一體化Fig.6 Integration of sensing and communication

感知通信一體化的研究，需要著重考慮感知和通信是否可以一體化，如頻率、天線和射頻鏈路等是否可以復用，感知和通信的信號設計準則是否可以折中等。

⑤ AI輔助的空口傳輸[10-12]。隨著集成電路工藝的不斷提升，算力的提升和大數據的應用加速了AI的應用，AI已經成為6G研究的一大熱點。傳統的通信系統設計都是從統計穩定性和可靠性的角度出發進行優化設計，而AI的應用則是希望盡可能利用數據的特征，個性化地優化通信過程。目前AI在移動通信中的潛在應用有很多，包括網管、核心網、傳輸網絡和無線網等領域。從AI應用的三要素來看，需要著重解決算法的適應性、算力和數據的可獲得性。但是對于移動通信系統來說，動態的傳播環境會帶來無線信號傳播特性的動態變化，周圍小區的負載變化也會帶來干擾的動態變化，由此大大增加無線傳輸優化的復雜度和難度，也就帶來了AI應用的泛化性問題，AI能否真正地為無線傳輸帶來穩定的增益和足夠的性價比是目前研究需要回答的問題。物理層AI研究的熱點包括AI驅動的信道譯碼與解調優化、基于信道預測的CSI反饋壓縮和波束賦形、Massive MIMO的廣播權值優化、基于內容和環境上下文感知的語義通信等。目前的AI應用研究都是場景驅動，結合特定的應用場景，考慮如何解決AI算法、數據的采集和傳輸，以及所需算力的實現，我們把這種實現方式稱為外掛式或者嫁接式的AI，很難完全實現預期效果。所以，內生AI成為6G研究的一個新方向，通過端到端的內生AI設計，將AI打造成網絡的基本能力，提供給網絡自身和外部客戶調用。中國移動和華為發起成立了開放論壇6G Alliance of Network for AI(6GANA)，聯合學術界和產業界共同開展相關的研究，探索網絡AI的需求場景、網絡架構、數據模型管理、理論算法與驗證平臺等，致力于把AI打造成未來6G網絡的能力和服務，做到對內服務于網絡，對外服務于第三方客戶。

6 空天地一體化的覆蓋

從圖3可以看出，6G的應用場景將會更加豐富，除提供傳統的地面覆蓋之外，還需要考慮近空以及海面、高山、沙漠等地面基站建設困難區域的覆蓋，衛星通信將是傳統地面移動通信系統的重要補充。近期，隨著衛星通信技術的不斷進步，馬斯克的星鏈計劃再次將衛星通信系統推到了風口浪尖。2015年1月，馬斯克宣布SpaceX計劃將約1.2萬顆通信衛星發射到軌道組成星鏈以提供互聯網服務，其中1 584顆將部署在地球上空550 km處的近地軌道，并從2020年開始工作。這一項目被命名為“星鏈(Starlink)”。2020年，Starlink最終計劃發射4.2萬顆衛星為全球提供更大的衛星通信容量。但是，由于衛星通信信號無法直接覆蓋室內環境，且其上行鏈路的功率預算有限等原因的限制，衛星通信系統無法完全取代地面移動通信系統，但會在近空覆蓋、深空通信、海面、高山及沙漠等偏遠地區場景提供有競爭力的服務，所以空天地一體化覆蓋將是6G的一個重要特征。

傳統的衛星通信產業相對封閉，技術標準分散不統一規模難以共享，成本高難以大規模普及。同時，由于衛星通信系統的技術標準體系完全獨立于蜂窩移動通信系統，現有的衛星系統和地面蜂窩系統之間僅能實現簡單的業務互通，無法保證業務QoS的無縫銜接。5G NTN已經開始考慮如何實現地面和衛星技術標準融合，以支持用戶業務的延續性。目前，3GPP正在定義衛星透明轉發的工作模式，通過衛星接收終端信號，將用戶信號變頻到衛星的頻段發給地面接入網關，然后接入到核心網，如圖7(a)所示。同時，3GPP也將研究基站上星的方案，即將5G基站放到衛星上，衛星解出用戶的數據后通過衛星的協議進行轉發，通過地面接入網關接入到核心網，如圖7(b)所示。

(a) 衛星透明轉發 (b) 衛星星上處理圖7 5G非地面網絡考慮的透明轉發和解碼轉發系統結構Fig.7 Transparent forwarding and decoding & forwarding of NTN network

考慮衛星鏈路的時延較大，需要對現有的5G協議進行必要的修改才能適配真實的部署場景。

面向6G，衛星和地面系統的融合需要進一步考慮核心網的融合，如圖8所示[12]，衛星基站和地面蜂窩基站都可以作為獨立的一個頻點和模式接入到統一的核心網中，同時通過統一的接入協議和流程設計，保證用戶在不同的接入模式之間無感知的平滑切換，從而確保業務體驗的一致性。

圖8 6G空天地海一體化的融合接入網絡Fig.8 Integration of space,sea and terrestrial network

7 新型的網絡架構

從面向垂直行業的差異化、碎片化業務的應用拓展來看，6G網絡架構需要有更大的突破才能真正靈活地適應未來網絡能力指標范圍更為動態的業務發展需求。6G網絡架構演進和發展的驅動力主要來自三方面：

① 隨著業務與應用的不斷演進與發展，5G網絡能力總是會遭遇瓶頸，需要新的能力去滿足新業務、新應用的需求。

② 5G網絡正在面臨的問題和挑戰也需要在新一代網絡架構設計中解決。a.現有的分層空口協議架構很難再進一步降低空口時延；b.單一的固化網絡結構導致網絡成本越來越高；c.5G支持切片后，是否能夠很好地適應差異化和碎片化的垂直行業應用需求還有待驗證，其端到端的切片編排和自動化管理能力還需要進一步完善；d.從1G、2G到現在的5G，網絡管理維護的自動化水平一直沒有太大提升，隨著運營商網絡部署規模的快速增長，網絡運維的復雜度和成本快速增長，成為5G網絡發展面臨的主要挑戰之一。

③ OICDT的融合發展趨勢。隨著5G的發展，IT、CT 、DT以及OT(Operation Technology)正在走向深度融合，5G核心網已經開始實現ICDT的深度融合，通過云化和服務化，實現了核心網的敏捷、彈性和按需擴容等，定義了端到端的網絡切片，可以更加靈活地滿足差異化和碎片化的垂直行業需求。面向6G，如何充分利用OT、IT和DT成熟的技術，設計一個更加高效、靈活、成本可控的移動通信網絡，是6G網絡需要研究的重要方向。

結合6G網絡架構演進的驅動力、已有網絡發展的經驗和教訓以及對未來技術發展趨勢的分析和理解，本文認為未來網絡應具備6大特征[1]。

① 按需服務。毫無疑問，6G網絡需要根據客戶的需求、上下文環境及偏好等，動態配置需要的端到端資源、功能、能力和參數，提供“網隨人動”的服務，保證業務需求的按需滿足。

② 至簡。現有的網絡太復雜、太笨重，未來的6G網絡需要盡可能簡潔，支持即插即用，支持功能、資源、能力的動態開關，從而節省功耗和成本。至簡的6G網絡支持分布式的空天地一體化，通過分布式、統一的核心網，融合統一的接入機制和協議流程，終端可以接入不同的制式，包括地面、水下、衛星等系統，實現用戶體驗的無縫銜接和切換，保證隨時隨地的6G覆蓋。至簡網絡也需要協議盡量簡化，支持數據和信令鏈路解耦的網絡部署，比如用低頻段去做信令覆蓋，簡化移動性管理、保證用戶的實時接入，高頻段按需開啟來支持高速率業務的承載；云化的硬件可以在多個頻段和多個基站之間共享，或者在通信功能和AI、感知之間的共享等，由此降低網絡整個功耗和成本。

③ 柔性。未來的6G網絡應該是一個端到端云化和虛擬化、可軟件定義的網絡，更好地實現網絡的彈性和敏捷，幫助解決能耗和成本問題。柔性網絡是端到端軟件可定義網絡，利用服務化技術進一步對空口協議進行改造，打破過去傳統協議分層的概念，實現功能按需配置和動態編排來適應業務，更好地滿足個性化、差異化的行業需求。

④ 智慧內生。智慧內生就是讓AI變成網絡的內生能力，通過網元、終端和平臺的協同，實現對AI用例的支持。現有的網絡架構已經固化，AI的應用只能是場景驅動，通過不斷對網絡進行改造或者外掛新的功能網元來實現，數據的采集要么低效(如基于DPI)，要么只能是盡力而為，同時頻繁的改造必然會帶來管理維護難的問題。未來6G的網絡設計將是AI內生的方式，AI就好比是網絡的神經系統，AI將會作為網絡的一個能力服務網絡自身的優化和管理等，同時開放給外部客戶去使用；網絡可以對AI應用場景進行自動的解析，得出所需要的算法、算力和數據的需求，并按需編排、調度和訂閱算法、算力和數據，并對AI應用的效果進行實時評估，并及時對算法、模型進行進一步的調優，以保證用例服務需求的AI QoS的滿足。

⑤ 安全內生。內生安全不是簡單地把安全作為一個外部的輔助功能，疊加在網絡之上。6G網絡的目標是把安全設計成網絡的免疫系統，基于大數據和AI驅動，動態調整安全的策略、評估安全的態勢，實現主動和被動相結合的安全保障；同時，安全作為網絡的一個內在的能力，既可為網絡自身提供服務，也可以開放給第三方。

⑥ 數字孿生。通過網元的數字化，基于網絡大數據、網元模型和AI能力，6G可以在物理網絡的基礎之上構建起一個數字化的網絡，通過物理網絡和數字網絡之間的交互實現網絡的數字孿生，既可以實時再現網絡的運行狀態，也可以預測網元和未來網絡的運行狀況、可能出現的故障，提前生成一些預測性的維護措施或者干預措施，并在數字網絡中進行仿真驗證和調優，可行之后再實施到物理網絡中，從而把問題和故障提前解決掉，最終實現網絡規、建、維、優的完全自動化，運營維護的零人工干預，極大提升網絡運維效率、極大節省網絡運維成本。

基于上述特征分析，提出三層四面的網絡邏輯框架[13]，如圖9所示。未來的網絡可以分為三層：第一層是資源層，包括無線、計算、存儲等物理的資源；第二層是網絡功能層，基于下層資源形成特定的網絡功能來支撐上層的服務；第三層是服務層，包括各類的應用和服務。除傳統的控制面和用戶面，未來網絡還需引入新四面，包括數據收集面、智能面、共享與協作面、安全面。為了實現AI的內生，需要數據收集面去實現全域端到端數據的采集、清洗、結構化以及存儲等工作來保證數據的按需采集和訂閱；需要AI面來為不同應用場景的AI應用提供數據的訓練、模型的更新和算法的調優等，保證AI應用需求的滿足；同時，為了實現安全內生需要引入單獨的安全面，保證安全能夠成為整個網絡的免疫系統。

圖9 三層四面的6G邏輯網絡架構Fig.9 6G logical network architecture with 3 level and 4 planes

8 總結與展望

5G已在全球開始大規模的商業部署，全球產業正在圍繞2B和2C開展業務和應用的孵化和培育。5G的經驗和教訓都將成為6G研究非常重要的創新源泉，6G必將進一步繼承和發展5G中已經驗證可行的技術和理念，比如大規模天線、polar/LDPC碼、服務化、云化以及網絡切片等。另一方面，6G也需要往前看，去尋找新的創新突破、理論突破、產業突破，比如在物理層技術已經逼近香農限的情況下，如何進一步提升無線傳輸的效率；在摩爾定律已經接近極限時，拿復雜度換性能的技術路線是否還可以延續，6G需要去重新思考新的產業路徑和布局。此外，在需求方面，6G面臨的應用場景會更加復雜，需要在網絡設計之初考慮到更靈活的適應性。因此，我們既要腳踏實地，也要仰望星空，產、學、研、用協同推動5G往6G的方向演進和發展。