6G 研發(fā)的最新進展以及未來的發(fā)展趨勢，具有更高的智能化水平

  ICC訊 近日，由東南大學尤肖虎教授領銜，王承祥教授組織起草，聯(lián)合國內外 24 家科研院校及企業(yè)的 50 位業(yè)內專家，針對 6G 最新進展及未來發(fā)展趨勢撰寫了一篇長達 70 多頁的綜述 “Towards 6G wireless communication networks： vision， enabling technologies， and new paradigm shifts”，文章發(fā)表在 Science China Information Sciences 2021 年第 1 期。

  文章從 6G 性能指標、應用場景、垂直行業(yè)應用、使能技術、新的范式轉換等方面對 6G 研發(fā)的最新進展以及未來的發(fā)展趨勢進行了全面的綜述。

  面對未來網絡需求的不斷增強，5G 網絡在數(shù)據(jù)傳輸速率、接入密度等方面面臨新的技術瓶頸，而 6G 的發(fā)展或將突破這些技術壁壘，提供更加快速更加深遠的通信服務，并最終消除現(xiàn)實世界和網絡世界的界限。

  從 5G 到 6G

  2019 年 11 月 1 日，隨著三大運營商 5G 套餐的上線，標志著國內第五代(5G)無線通信網絡正式進入商用。2020 年以來，5G 網絡開始在世界范圍內部署，大規(guī)模連接、高可靠性、保證低延遲等各項關鍵技術逐步走向標準化，一個萬物互聯(lián)、人機交互的新時代正在加速到來。 與第一代到第四代無線通信網絡相比，5G 網絡擁有傳輸速率快、低時延、高容量等優(yōu)勢。但隨著車聯(lián)網、物聯(lián)網、工業(yè)互聯(lián)網、遠程醫(yī)療等新業(yè)務類型和需求的發(fā)展，5G 網絡顯然無法滿足 2030 年及未來的網絡需求，研究人員已經現(xiàn)在開始關注第六代(6G)無線通信網絡。

  多樣化的通信場景必將對未來網絡的異構程度提出更大需求，對無線通信網絡的帶寬和容量方面提出更高需求，6G 網絡將借助人工智能和機器學習技術，在網絡服務質量(QoS)、體驗質量(QoE)、安全性和能源效率等性能上，實現(xiàn)自動提升。 6G 無線通信網絡有望提供更高的頻譜、能量、成本效率、更高傳輸速率、更低傳輸時延、超大連接密度、更高的智能化水平、亞厘米級的地理定位精度、接近 100% 的覆蓋率和亞毫秒級的時間同步。 網絡通信正在經歷著與 80 年代計算機產業(yè)相似的巨大變化，網絡軟件化逐步成為網絡發(fā)展的新趨勢，以實現(xiàn)網絡硬件和軟件供應鏈的多樣化，并推動網絡轉變?yōu)橐粋€能夠支持新興物聯(lián)網和數(shù)據(jù)科學應用的高能力平臺。而 6G 的發(fā)展，為推動網絡軟件化提供了一種新的計算范式，同時不增加能耗成本。

  相較于 5G 網絡的關鍵性能 eMBB，mMTC 和 uRLLC 等指標，6G 網絡實現(xiàn)了性能的進一步增強，并在應用場景實現(xiàn)擴展。

  2019 年 3 月，美國貝爾實驗室提出了一些 6G 網絡的關鍵性能指標。其中提到，網絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯殿A計將超過 100 Gbps，連接密度達到 107 個設備 /km2，時延應小于 0.3 毫秒，能源效率將是 5G 的 10 倍，容量將達到 5G 系統(tǒng)的 10000 倍。

  圖 | 5G 和 6G 網絡的關鍵性能指標和應用場景的比較

  通過應用 AI 技術，6G 網絡將可以實現(xiàn)更優(yōu)的網絡管理和自動化水平，由于使用了極為異構的網絡、多樣化的通信場景、大量的天線和較寬的帶寬，6G 網絡的連接密度將增加 10—100 倍。

  圖 | 6G 通信網絡的應用場景

  為了滿足 6G 網絡即將出現(xiàn)的帶寬、時延、可靠性以及應用程序所設置的彈性需求，下一階段網絡的規(guī)模設計將是重點研究內容。 2018 年 7 月 16 日，國際電信聯(lián)盟(ITU)成立 ITU-T 2030 網絡焦點組技術研究組(FG NET-2030)，致力于研究 2030 年及以后的網絡能力，以支持未來如全息通信等新穎的前瞻性場景，滿足在緊急情況下可以快速地響應新興市場和垂直領域的高精度通信需求。

  未來的 6G 網絡發(fā)展，將支持更加廣泛的應用場景，實現(xiàn)安全可靠的穿戴設備、集成耳機、可植入傳感器等以人為本的服務，支持更遠距離的高速移動、極低功耗的通信，為 VR、物聯(lián)網行業(yè)自動化、C-V2X、數(shù)字雙體區(qū)域網絡、節(jié)能無線網絡控制和聯(lián)合學習系統(tǒng)等方面的發(fā)展，提供更加可靠的網絡支撐。

  圖 | 協(xié)助管理疫情的數(shù)字孿生局域網示意圖

  數(shù)字孿生局域網利用 6G 和 ICT 技術，可以模擬虛擬人體，實施全天候跟蹤人體體征，提前預測疾病，還可以模擬虛擬人體的手術和用藥，利用虛擬人體預測效果，加速藥物研發(fā)，降低成本，從而提高人類的生活質量。

  覆蓋全球：“ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 一體化網絡

  為了實現(xiàn) 6G 網絡更優(yōu)的性能指標，擴展更加廣泛的應用場景，6G 網絡將在當前 5G 無線通信網絡發(fā)展的基礎上，發(fā)生四個新的模式轉變：

  (1)覆蓋全球(global coverage)，利用衛(wèi)星通信、無人機通信、地面通信和海上通信，實現(xiàn) “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 一體化網絡。

  (2)全頻譜(all spectra)，所有頻譜將得到充分探索，包括 6 GHz 以下、毫米波、太赫茲和光學頻帶。

  (3)完整應用程序(full applications)，將與通信、計算、控制 / 緩存和 AI 技術相結合，以實現(xiàn)更高的智能性。

  (4)內生網絡安全性(endogenous network security)，開發(fā)物理層和網絡層的 6G 網絡時，還將考慮內生網絡安全性。

  當前，一些研究已經初步嘗試對不同網絡的集成，但尚未充分研究用于全球覆蓋的 “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 綜合集成方法。

  人們普遍認識到，由于 5G 地面通信網絡受無線電頻譜、服務地理區(qū)域覆蓋范圍和運營成本的限制，無法覆蓋在所有地方不分時段地提供高質量和高可靠性的服務，尤其是對于偏遠地區(qū)即將到來的萬億級連接。 為了在全球范圍內提供真正無所不在的無線通信服務，必須開發(fā)一種 “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 一體化網絡，以實現(xiàn)全球連通性，并允許各種應用程序訪問，尤其是在偏遠地區(qū)。

  圖 | “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 網絡控制架構

  為了有效地將具有不同規(guī)模的各種網段和多樣化的無線電接入技術有效地整合到 “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 網絡，6G 仍存在著許多挑戰(zhàn)和機遇，需要進一步研究。

  全面應用：具有更高的智能化水平

  隨著人工智能和 ML 技術的快速發(fā)展，6G 網絡有望具有更高的智能化水平。人工智能和 ML 方法可以從海量數(shù)據(jù)中學習特征，而不是從預先建立的固定規(guī)則中學習特征，從而極大地提高了網絡的效率和延遲。 下一代無線網絡必將向復雜系統(tǒng)方向發(fā)展，面對不同的應用場景，對網絡服務的需求也會不同，因此，也就對于網絡性能優(yōu)化的自適應性和智能化水平提出了更高的要求。 人工智能可以實現(xiàn)感知網絡流量、資源利用、用戶需求和潛在威脅的變化等功能，并提供智能協(xié)調，而機器學習方法也可用于優(yōu)化無線網絡的物理層，可以用來重新設計當前的網絡系統(tǒng)。 目前，以深度學習和知識圖譜為代表的人工智能技術正在迅速發(fā)展，通過將人工智能技術引入網絡，將對網絡及其相關用戶、服務和環(huán)境的多維主客觀要素進行表征、構建、學習、應用、更新和反饋。在獲取知識的基礎上，還可以實現(xiàn)網絡的立體感知、決策推理和動態(tài)調整。

  圖 | 智能 - 內生性網絡的自演化閉環(huán)結構

  因此，網絡可以根據(jù)我們想要的任何服務需求自動進行調整，研究人員將這樣的網絡稱為 IEN，即自進化的閉環(huán)結構。

  概括而言，這篇綜述文章指出了當前 5G 無線通信網絡的局限性，并提出了 6G 無線通信網絡的愿景、使能技術、四個新的范式轉換以及未來的研究方向。同時，引入了 6G 的新性能指標和應用場景，給出 6G 無線通信網絡在垂直行業(yè)的應用場景，面對未來網絡的復雜性，為實現(xiàn)完全集成的 6G 網絡提出建議。