刘春雷
中兴通讯股份有限公司 江苏 南京 210000
摘要: 本文通过探讨十年后的6G概念和愿景，分析实现6G愿景面临的技术需求与挑战，分类给出了6G潜在关键技术，勾勒出6G的部分框架。
1.6G愿景
现在开启6G前瞻性研究，先期确立6G愿景及相应的技术需求与挑战，引出潜在的关键技术。方便指引后续6G相关研究。
5G受限标准化时间及相关技术发展的成熟度，在信息交互的空间深度和广度上还有很多不足。6G愿景是对5G的不足进行提升和完善。可以概括为四个关键词：“智慧连接”、“深度连接”、“全息连接”、“泛在连接”，四个关键词构成6G总体愿景“一念天地，万物随心”。“一念”强调实时性，指无处不在的低时延、大带宽的连接，“念”体现了思维与思维通信的“深度连接”，“天地”对应空天地海无处不在的“泛在连接”；“万物”为智能对象，能够“随心”所想而智能响应，即“智慧连接”；呈现方式也将支持“随心”无处不在的沉浸式全息交互体验，即“全息连接”。这四个特性共同构成未来6G网络完整“灵魂”的有机整体。
2.6G需求与挑战
为实现6G网络的愿景，需考虑如下关键技术需求与挑战。（1）6G通信业的峰值速率必将进一步提高，进入太比特时代（Terabit Era，Tb/s）。2）更高能效，6G网络拥有超高吞吐量、超大带宽、超海量无处不在的无线节点，这些将对能耗带来前所未有的巨大挑战。（3）随时随地的连接，未来需要构建一张无所不在（覆盖空天地海）、无所不连（万物互联）、无所不知（借助各类传感器）、无所不用（基于大数据和深度学习）的网络，真正实现随时随地的连接及交互需求。（4）全新理论与技术，基于对6G愿景的需求分析，有几个关键方面需要取得突破，包括全新信号采样机制、全新信道编码与调制机制、太赫兹通信的理论与技术、AI与无线通信结合的技术等。（5）自聚合通信架构，为更好支持万物互联及垂直行业应用，6G应该动态的融合多种技术体系，具备对不同类型网络（技术）智能动态地自聚合能力。6G将需要实现以更加智能灵活的方式聚合不同类型的网络（技术），以动态自适应地满足复杂多样的场景及业务需求。（6）非技术性因素的挑战，6G若想顺利落地实现，也需要尽力克服诸多非技术因素的挑战，主要涉及行业壁垒、消费者习惯及政策法规问题等。
3.6G候选关键技术
6G会有哪些潜在的关键技术构成，尚未定论，但6G潜在关键候选技术特征需要如下两点。首先，基础性技术是构成6G网络的基石，只有关键基础技术被突破，6G网络相应的技术需求才可能满足。其次，专有技术特性，其由多个关键的基础性技术点有机组成，用于满足未来6G典型场景的需求。
3.1 新频谱通信技术
频谱是移动通信的基础，属稀缺资源，持续增长的业务量要求进一步扩展可用频谱资源。太赫兹和可见光将是极具吸引力的两类重要的候选频谱。
1）太赫兹通信
太赫兹波是指频谱在0.1～10 THz之间的电磁波，波长为30至3000微米。频谱介于微波与远红外光之间，在其低波段与毫米波相邻，而在其高波段与红外光相邻，位于宏观电子学与微观光子学的过渡区域。太赫兹通信具有频谱资源丰富、传输速率高等优势，是未来移动通信中极具优势的宽带无线接入（Tb/s级通信）技术[47]。
其特性如下：（1）太赫兹波在空中传播时极易被空气中的水分吸收，比较适合于高速短距离无线通信；（2）波束更窄、方向性更好，具有更强的抗干扰能力,可实现2～5 km内的保密通信。（3）太赫兹波的频率高、带宽宽，能够满足无线宽带传输时对频谱带宽的需求。太赫兹波频谱在108～1013 GHz之间，可提供超过Tb/s的通信速率。（4）在外层空间,太赫兹波在350μm、450μm、620μm、735μm和870μm波长附近存在着相对透明的大气窗口，能够做到无损耗传输，极小的功率就可完成远距离通信。并且，相对无线光通信而言，波束更宽，接收端容易对准，量子噪声较低，天线终端可以小型化、平面化。（5）太赫兹频段波长短，也适合采用更多天线阵子的Massive MIMO。（6）能量效率高。太赫兹波的光子能量低，大约是10-3eV，只有可见光的1/40，用它作为信息载体可以获得极高的能量效率。（7）穿透性强。太赫兹波能以较小的衰减穿透物质，适合一些特殊场景的通信需求。
2）可见光通信
可见光波段（390-700纳米）的OWC系统通常被称为可见光通信，它利用可见光发光二极管（LED），实现照明和高速数据通信的双重目的。优势如下：（1）提供大量潜在的可用频谱，并且频谱使用不受限，不需频谱监管机构的授权。（2）不产生电磁辐射，也不易受外部电磁干扰影响。（3）所搭建的网络安全性更高。由于传输媒介是可见光，不能穿透墙壁等遮挡物，传输限制在用户的视距范围以内，能避免了传输信息被外部恶意截获，保证安全性。（4）支持快速搭建无线网络，方便灵活组建临时网络与通信链路，降低网络使用与维护成本。可见光通信可以有效的缓解当前射频通信频带紧张的问题，为短距离无线通信提供了新的选择。
3.2 基础性技术
构成6G系统的潜在关键基础性技术包括稀疏理论（主要指压缩感知）、全新信道编码、大规模天线、灵活频谱技术等。
1）稀疏理论-压缩感知
信号采样是联系模拟信源和数字信息的桥梁。传统的信号处理是以香农-奈奎斯特采样定理为基础。不同于它的采样机制，Donoho和Candès、Tao、Romberg等人近年来基于信号稀疏性提出一种称为压缩感知/压缩采样（Compressed Sensing/Compressive Sampling，CS）的新颖采样理论。这种全新模式是传统信息处理（包括采样、感知、压缩、估计和检测）极具竞争力的替代方案。
结合6G的需求和挑战，有三种压缩感知典型应用场景：超宽带频谱感知、无线传感网络（无线触觉网络）、超大规模天线。压缩感知理论在6G中应用有很强的必要性。下一代无线传输面临超大带宽、超大规模天线及超密集基站，将需要难以估量的计算复杂度、硬件成本及能量消耗；海量的物联网节点/触觉网络节点也需要利用压缩感知理论来解决信号采集压缩问题。基于目前压缩感知/稀疏理论研究的发展趋势，未来在6G系统中工程化落地成为可能。
2）全新信道编码
信道编码是无线通信的基础。6G信道编码机制需满足更加复杂异构的无线通信场景和业务需求，需考虑几方面典型场景：超高吞吐量（Tb/s级别）、超大带宽信道、超高频信道、可见光信道、高空/太空信道、远洋/深海信道、深地信道等复杂的传播环境及更异构多样的业务类型。
6G通信涉及先进的信道编码算法和强大的芯片及实现技术。需要对目前正在研究的相关信道编码机制进行遴选，综合考虑其理论性能上限及对应的工程实现约束，作为下一代无线通信系统信道编码机制候选的突破方向。AI在无线通信中的应用研究也给信道编码研究提供了一种全新的范式。经典的纠错码是根据编码理论设计的，而AI驱动的方法不再需要依赖于编码理论，为突破现有理论设计出全新信道编码机制提供了可能。
3）超大规模天线技术
多天线技术，尤其超大规模天线技术，是提升无线移动通信系统频谱效率的关键技术之一。
未来6G网络中需要发挥多天线的增益。
6G极有可能采用太赫兹频谱通信。目前太赫兹频谱特性还未完全研究清楚，如何在太赫兹频谱上采用大规模天线更是面临诸多难题，包括工程理论突破和设计实现。同时，太赫兹频谱的引入也意味着未来通信系统频谱范围跨度更大，囊括6GHz以下低频、6GHz以上毫米波及更高频太赫兹。另外，太赫兹频谱的大规模天线的阵子数量也会大幅增加，频谱效率要求更高。大规模天线技术需突破如下问题：（1）解决跨频段、高效率、全空域覆盖天线射频领域的理论与技术实现问题。（2）研究可配置、大规模阵列天线与射频技术，突破多频段、高集成射频电路面临的包括低功耗、高效率、低噪声、非线性、抗互扰等多项关键性挑战。（3）提出新型大规模阵列天线设计理论与技术、高集成度射频电路优化设计理论与实现方法、以及高性能大规模模拟波束成型网络设计技术。
4）灵活频谱技术
上述几项潜在的关键基础性技术是为了进一步提升频谱效率，使频谱效率逼近信道容量上限，达到理想网络峰值速率。实际网络中，存在频谱需求的不均衡性，包括不同网络间的不均衡、同一网络内不同节点之间的不均衡、同一节点收发链路之间的不均衡等，而这些不均衡特性导致频谱利用率低下。解决上述问题的技术有两种：（1）频谱共享，一方面，需要扩展可用频谱；另一方面也需要在频谱使用规则上有所改变，突破目前授权载波使用方式为主的现状，以更灵活的方式分配和使用频谱，从而提升频谱资源利用率。（2）全自由度双工，通过收发链路（或DL与UL）之间全自由度（时、频、空）灵活的频谱资源共享，将可以实现更加高效的频谱资源利用，达到提升吞吐量及降低传输时延的目的。而要实现全自由度双工模式，最关键的技术挑战是需要突破全双工技术。全双工技术需解决困难包括：大功率动态自干扰信号的抑制、多天线射频域自干扰抑制电路的小型化、全双工体制下的网络新架构与干扰消除机制、与FDD/TDD半双工体制的共存和演进策略。
5）基于AI的无线通信技术
借助人工智能（AI）特别是深度学习，能通过对数据进行深入归纳、分析，从而获取新的、规律性的信息和知识，并利用这些知识建立用于支持决策的模型，进行风险分析或预测。将AI融入到无线通信系统中，能实现无线通信系统效能的大幅提升[86]-[87]。现有研究集中于应用层和网络层，主要思想是将AI特别是深度学习的思想引入到无线资源管理和分配领域。不过，该方向的研究正向MAC层和物理层推进，特别在物理层出现无线传输与深度学习相结合的趋势。
AI在无线通信网络的应用层和网络层主要有两方面的应用。首先，它们可以用于预测、推理和大数据分析。在此应用领域，AI功能与无线网络从其用户、环境和网络设备生成的数据集学习的能力有关。其次，AI在无线网络中的另一个关键应用是通过在网络边缘及其各网元实体（如基站和终端用户设备）上内嵌AI功能来实现自组织网络操作。这种边缘智能是资源管理、用户关联和数据卸载的自组织解决方案的关键促成因素。AI同时可以用于无线通信网络的预测和自组织操作。
AI用于物理层传输主要呈现出两种类型的深度学习网络，一种基于数据驱动，另一种基于数据模型双驱动。
未来AI将会被充分地集成到智能的6G网络系统中，包括：智能核心网和智能边缘网络，智能手机和智能物联网（超级物联网）终端，以及智能业务应用；自主进化性能，如可用性、可修改性、有效性、安全性和效率；自主进化质量，如可测试性、可维护性、可重用性、可扩展性、可移植性和弹性；底层基础的信号处理与通信机制将可能会突破传统经典的通信理论框架，全面采用AI驱动的机制。网络基础设施具备自组织自优化能力，就像一个独立的自治系统，实现高度自治。
3.3 专有性技术特性
至少有两种潜在的关键专有技术特性需要考虑：空天地海一体化通信和无线触觉网络。
1）空天地海一体化通信
空天地海一体化通信的目标是扩展通信覆盖广度和深度，即在传统蜂窝网络的基础上分别与卫星通信（非陆地通信）和深海远洋通信（水下通信）深度融合。空天地海一体化网络是以地面网络为基础、以空间网络为延伸，覆盖太空、空中、陆地、海洋等自然空间，为天基（卫星通信网络）、空基（飞机、热气球、无人机等通信网络）、陆基（地面蜂窝网络）、海基（海洋水下无线通信+近海沿岸无线网络+远洋船只/悬浮岛屿等构成的网络）等各类用户的活动提供信息保障的基础设施。其包括两个子系统组成：陆地移动通信网络与卫星通信网络结合的天地一体化子系统、陆地移动通信网络与深海远洋通信网络结合的深海远洋（水下通信）通信子系统。
（1）天地一体化通信，其信息网络由卫星通信系统（天基骨干网、天基接入网、地基节点网）与地面互联网和移动通信网互联互通，建成“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络体系。天基骨干网由布设在地球同步轨道的若干骨干卫星节点联网而成，而骨干节点需要具备宽带接入、数据中继、路由交换、信息存储、处理融合等功能，有单颗卫星或多个卫星簇构成；天基接入网由布设在高轨或低轨的若干接入点组成，满足陆海空天多层次海量用户的网络接入服务需求，形成覆盖全球的接入网络；同时，地基节点网有多个地面互联的地基骨干节点组成，主要完成网络控制、资源管理、协议转换、信息处理、融合共享等功能，通过地面高速骨干网络完成组网，并实现与其它地面系统的互联互通。
（2）水下无线通信，其通信是实现深海远洋通信的关键技术特性，可分为水下无线电磁波通信和水下非电磁波通信（水声通信和水下无线光通信）两种：第一种是水下无线电磁波通信，电磁波是横波，在有电阻的导体中的穿透深度与其频率直接相关。频率越高，衰减越大，穿透深度越小。反之，频率越低，衰减相对越小，穿透深度越大。海水是良性的导体，趋肤效应较强，电磁波在海水中传输时会造成严重的影响，原本在陆地上传输良好的短波、中波、微波等无线电磁波在水下由于衰减的厉害，几乎无法传播。水下无线电磁波通信主要用于远距离的小深度的水下通信场景。 第二种是水声通信和水下无线光通信，水声通信的主要载体是声波，己广泛应用于水下通信、传感、探测、导航、定位等领域。声波属于机械波（纵波），在水下传输的信号衰减小（其衰减率为电磁波的千分之一），传输距离远，使用范围可从几百米延伸至几十公里，适用于温度稳定的深水通信。水下无线光通信中的水下激光通信技术利用激光载波传输信息。由于波长450nm～530nm的蓝绿激光在水下的衰减较其他光波段小得多，目前蓝绿激光应用于浅水近距离通信，但需要解决难点：A，散射影响。B，光信号在水中的吸收效应严重。C，背景辐射的干扰。D，高精度瞄准与实时跟踪困难。
2）无线触觉网络
未来6G网络连接的将是普遍具备智能的对象，其连接通信关系不仅是感知，还包括实时的控制与响应，即所谓“触觉互联网”。它能够实时传送控制、触摸和感应/驱动信息的通信网络。IEEE P1918.1标准工作组将触觉互联网定义为一个网络或一个网络的网络，用于远程访问、感知、操作或控制感知实时的真实和虚拟对象或过程[104]。触觉互联网将不仅负责远程传递信息内容，同时还包含与传递信息内容对应的远程控制与响应行为。它将提供从内容传递到远程技能集合传递的真正范式转换，从而将可能革命性地改变社会的每个部分。
实现触觉互联网的关键技术挑战之一是将通信、控制和计算系统组合成一个共享的基础设施。另外，未来6G时代无所不在密集分布的传感器件将会产生海量的感知信息，从而对无线网络容量带来巨大的挑战。同时，传感器件进行海量信息采样处理能力、成本与能耗压力也是巨大挑战，有必要采用压缩感知机制。
4 结论
实现6G愿景需要面临诸多技术需求与挑战。还有一些潜在关键技术待研究和解决。未来将是一个完全的数据驱动的社会，人与万物被普遍地、近乎即时（毫秒级）地连接，构成一个不可思议的完全连接的世界。
参考文献：
[1]《6G移动通信网络》 中国科学信息科学 作者：赵亚军，郁光辉，徐汉青 单位：中兴通讯IT技术学院
[2]《5G网络安全技术综述》 中国科学信息科学 作者：季新生
[3]《基于 AI 的 5G 技术》 尤肖虎专题
[4]《5G毫米波通信技术和器件》 尤肖虎专题