面向數字孿生時代的6G網絡及其關鍵技術分析

王祎冰，徐 瑤，王 玢

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

1 數字孿生與6G技術的重要性

數字孿生是一種集成多物理、多尺度、多學科屬性，具有實時同步、忠實映射、高保真度特性，能夠實現物理世界與信息世界交互與融合的技術手段[1]。真實呈現物理與生物世界的“數字孿生”將會成為未來新數字業(yè)務的基礎平臺。想要對物理世界的每一個時空瞬間實現真實、完整的重現，要求網絡具備超大的容量和極低的時延，使人類能夠在物理、生物和數字三者之間，完成實時海量數據傳輸的關鍵，就掌握在6G的手中。在第六代移動通信系統（the Sixth Generation Mobile Communication System，6G）中，網絡與用戶將以一個統一的整體出現。用戶的智能需求將被進一步挖掘與實現，甚至在人工智能理論、新興材料和集成天線等相關技術的驅動下，構建新的世界[2]。如圖1所示。

圖1 基于6G的物理世界、數字世界與生物世界的實時互聯

2 探索6G的6大關鍵性技術

支持和驅動新一代通信系統的支柱，無疑將來自一系列新穎的、核心的基礎性技術。這些顛覆性創(chuàng)新技術從被提出到落地實用，往往需要10年甚至更久的時間。因此，當下無疑是啟動面向6G的顛覆式創(chuàng)新技術概念定義、探討和研究的最佳時機。下面將討論和界定有望塑型6G系統的6大關鍵創(chuàng)新技術。

2.1 AI/ML賦能6G空口設計

人工智能/機器學習（AI/ML）尤其是深度學習（DL)，在過去10年中取得了長足的發(fā)展，其在圖像識別、計算機視覺相關領域發(fā)揮了前所未有的推動力量， AI/ML涉足無線系統的案例近年來已大量涌現。因此，我們可以預測，在未來幾年之內，AI/ML將從更卓越的性能指標、更低的復雜度，解決網絡部署的優(yōu)化問題，以及和現有的5G技術相結合，實現一系列的應用突破等層面，深刻影響5G系統的演進，并在6G系統中發(fā)揮更加基礎性的作用。在未來的6G系統中，AI/ML將不再作為網絡的功能增強或單點技術補充，而是根本性地成為新空口技術設計范式，在實時根據環(huán)境、硬件條件深度自優(yōu)化的收發(fā)機、頻譜共享、情境感知等諸多方面成為核心技術。

2.2 探索新頻段

隨著未來對峰值速率和系統容量的需求持續(xù)增長，移動通信系統將持續(xù)采用更豐富的頻譜資源，探索更高的頻段。如圖2所示，114 GHz至300 GHz的亞太赫茲（subTHz）頻段最有可能在蜂窩通信的某些特定場景中使用。

圖2 6G的頻譜范圍

目前，大量用來提升毫米波系統性能的研究成果都可演進到亞太赫茲系統，最初的亞太赫茲產品也將沿用毫米波系統的實現方式。隨著毫米波、厘米波頻譜的大規(guī)模使用，當前所謂的“高頻”在未來的6G頻譜中將被定義為“中頻”。未來厘米波將成為6G的最低頻段，大規(guī)模MIMO技術的適用性會逐漸受到天線尺寸的制約。然而相比于亞太赫茲頻段，低頻頻段有著廣域覆蓋的天然優(yōu)勢，其路徑損耗和材料穿透特性更佳，因此，低頻頻段在6G中會繼續(xù)扮演重要的角色。

2.3 定位與感知技術

5G系統本身支持定位功能，從而實現了一整套工業(yè)自動化通信系統，可以同時滿足低時延、高可靠性和高精度定位。面向6G，我們期望通信網絡除了能夠實現更高精度的定位，還能執(zhí)行各種感知任務。在視距傳播受限的室內通信場景中，可以通過增強定位方案獲取大范圍的厘米級精度。此外，可以通過潛在的技術手段，包括大規(guī)模天線陣列技術、基于人工智能/機器學習（AI/ML）的信道檢測技術，以及基于射頻信號、圖像和其他傳感器的數據融合技術，在可見接入點受限的條件下提高網絡的感知精度。

因此，在6G系統設計時，不僅要考慮優(yōu)化通信功能，還需要考慮如何支持感知功能。例如，適用于感知的波形（如線性調頻信號）可以與優(yōu)化的通信波形實現復用；伴隨著大規(guī)模MIMO天線陣列的實現，可以形成窄波束，使用這些波束進行周期掃描以實現感知；利用多個收發(fā)端協同進一步增強網絡的感知能力；隨著6G通信系統向亞太赫茲和太赫茲頻段演進，信號頻帶相對變寬，可以帶來更高的感知精度，使得未來網絡以更直觀的方式與物理世界進行交互。

2.4 極致網絡技術

5G系統依靠超低延遲高可靠技術（URLLC，即在1 ms的空口延時內達到99.999%的傳輸可靠性）對物聯網（IoT）的一些基本應用提供了支持。然而對有些物聯網應用而言，1 ms的空口延時仍然不足以滿足所需的要求，當嚴苛的性能要求超出了5G網絡能力時，就需要新的6G極致網絡來實現。

五分鐘后，值班經理給我們安排了位置，并送上精美果盤致歉。喬振宇悶悶地沒吃幾口菜，習慣性掛在嘴邊的那句抱怨也沒說出口。我一碗石鍋拌飯還沒吃完，他就借口跟哥們兒聊點兒事撇下我先走了！

6G系統將采用合理高效的設計來滿足這些極致的性能需求。比如，一些測量結果顯示，毫米波信號在工廠室內環(huán)境下的衰減和阻塞現象并沒有預期那樣嚴重，同時考慮到毫米波頻段具有更寬的可用帶寬，因此，6G系統可基于毫米波傳輸技術實現極致低時延下的高速率傳輸。為了實現極致高可靠性，一方面，通過冗余的多路徑（可能包括多跳）并行協同傳輸，可以有效提高數據傳輸的可靠性；另一方面，AI/ML技術也會對可靠性的提升起到幫助。

此外，6G中另一種值得期待的極致網絡形式是零能耗物聯網設備。例如，在橋梁或隧道等建筑物監(jiān)測應用中，無線傳感器設備完全內嵌在建筑物中，在沒有任何人為干預下，可以持續(xù)工作數百年。實現零能耗設備的潛在解決方案包括低功耗通信、極低空載電流技術、能量收集（從通信網絡中收集）、存儲技術，以及它們的聯合使用。

2.5 6G網絡架構新概念

2.5.1 子網（Sub-Network）

5G之前的蜂窩無線網絡架構主要是為將語音和數據互聯業(yè)務拓展到個人和移動端點而設計的。5G是第一個為工業(yè)應用設計的系統，通過新的架構方面的演進，如支持時延敏感網絡（TSN）橋接功能等，來滿足各種工業(yè)場景的不同應用需求。未來6G將在5G的基礎上繼續(xù)發(fā)展，真正實現將無線技術應用于各種工業(yè)場景并取代當前廣泛采用的有線連接。

為確保時間和空間上的高可靠性（Reliability）和高確定性（Determinism），有必要引入具有半自治（Semi-Autonomous）能力的6G子網，當這個子網與外部廣域網絡之間的連接質量較差甚至中斷時，應當確保該子網內的關鍵業(yè)務持續(xù)不中斷。另外，為進一步保證超高可靠性，將需要為終端同時提供多條網絡連接或終端間的直接通信連接，上述這些從事實上形成一個無蜂窩的網絡架構。

2.5.2 超級定制化的網絡切片

除了將傳統的網絡架構拓展到子網和多種連接場景，未來網絡也將在切片和虛擬化方面進一步演進。針對不同的業(yè)務流，每個網絡切片中獨立的軟件棧將提供專屬功能，從而實現高度定制化，如圖3所示。

圖3 6G架構組成

2.5.3 接入網和核心網的融合

5G RAN將傳統基站分割為分布式單元（DU）和集中式單元（CU）。分布式單元包括用戶面和控制面協議棧的低層協議處理，主要處理物理層（即層1）功能和實時性要求高的介質訪問控制層（即層2）功能；集中式單元主要處理非實時的層2功能和層3功能。在未來6G網絡中，預計接入網和核心網的融合將用一套簡約的功能集合來實現，特別是在用戶面，最終將形成一個“去核心的RAN”（Coreless RAN）。

2.6 新的安全、隱私和信任范式

6G網絡要達到有線網絡通信的可靠性要求，這意味著必須設計新的安全和隱私機制。首先，在網絡中融入子網需要新的鑒權策略：鑒權不再由網絡而是由子網提供。由于不同的子網可能屬于沒有信任關系的實體，為實現網絡安全，要求子網之間以及子網和網絡之間清晰分離。將子網作為一個獨立網絡，授權作為鑒權方并負責子網的資產管理非常重要。由于設備加入/離開子網是動態(tài)的，在6G網絡架構中維持子網隱私性和匿名性是需要解決的另一個挑戰(zhàn)。

其次，當物理和生物世界高精度映射在數字世界中，真實對象和虛擬對象的鏡像融合到數字混合現實世界時，用戶的隱私解決方案也將面臨挑戰(zhàn)。網絡中的信任和安全對6G成功至關重要。

3 結束語

4G開啟了低成本的物聯網（IoT）技術元年，5G在此基礎上演化出了可支持高可靠、低延時的物聯網應用，而6G則將在更大的縱深、廣度和跨度上滲透和影響垂直行業(yè)。本文提出了實現6G網絡的6個潛在的關鍵技術方向，相信隨著6G所支持和使能的應用場景越來越多，屆時6G網絡將會朝著平臺化和生態(tài)化方向發(fā)展，更靈活地適應和滿足不同的定制化的需求。■