6G发展概述

导语

截至目前，第五代（5G）移动通信系统已在许多国家推出，5G用户数量已达到非常大的规模。目前是学术界和工业界将注意力转向下一代的合适时机。在这个十字路口，对当前技术状态的概述和对未来通信的展望无疑是令人感兴趣的。本文主要探究5G活跃在移动通信领域的前提下，6G是否有存在的必要。因此，本文重点是将5G与6G在技术要求上进行比较讨论，并总结了一些代表性机构和国家最先进的6G研究工作和活动，预测6G产生时的相关规范和标准化路线图，简单预测一些可能出现的技术，并介绍其原理、优势、挑战和开放的研究问题。本文旨在探究6G诞生后，对人们的日常生活会产生怎样的变化，尽量全面地描述6G系统各方面的全貌，激发人们对6G通信系统后续研究和开发的兴趣。

引言

移动通信系统是从美国和北欧诞生的第一代模拟蜂窝系统即1G网络。目前已经发展到第五代。2G的创新点在全球移动通信系统GSM；3G的创新点在码分多址（CDMA）的革命性技术，以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA为代表；4G的创新点在通过多输入多输出（MIMO）和正交频分复用（OFDM）的天才组合。5G则将移动通信服务从人扩展到物，也从消费者扩展到垂直行业，从传统移动宽带到工业4.0、虚拟现实（VR）、物联网（IoT）和自动驾驶。目前，5G仍在世界各地部署，但学术界和工业界已经将注意力转移到6G系统，以满足未来2030年的信息和通信需求。虽然曾有人反对谈论6G[1]，但其实关于下一代无线网络的几项开创性工作已经开始。2018年7月，国际电信联盟电信（ITU-T）标准化部门成立了一个名为“网络2030技术”的重点小组。该小组打算研究2030年及以后的网络能力[2]，届时有望支持新的前瞻性场景，如全息型通信、无处不在的智能、触觉互联网、多感官体验和数字孪生。欧盟委员会发起赞助5G以外的研究活动，正如《地平线2020》（Horizon 2020）呼吁的那样——ICT-20 5G长期演进和ICT-52 5G以外智能连接——2020年初，一批关键6G技术的先锋研究项目启动。 欧盟委员会还宣布了加快对欧洲“千兆连接”（包括5G和6G）投资的战略，以塑造欧洲的数字未来[3]。2020年10月，下一代移动网络（NGMN）启动了新的“6G愿景和驱动因素”项目，旨在为全球6G活动提供早期和及时的指导。美国、中国、德国、日本和韩国等移动通信领域的其他传统主要参与者已经正式启动了6G研究。 

开发6G的关键驱动力

自2019年年中以来，商用5G移动网络已在全球铺开，并在一些国家达到了非常大的规模。例如，截止2020年底中国部署的5G基站数量超过50万个，服务于1亿多5G用户。按照每十年出现新一代的传统，现在是学术界和工业界开始探索5G继任者的时候了。然而，在迈向6G的道路上，我们遇到的第一个问题就是“6G是否真的需要? ”，或者说“5G是否已满足需求? ”，因此本文讨论开发6G的关键驱动力。下一代系统的发展不仅受到移动流量和移动订阅指数增长的推动，而且还受到即将出现的新的破坏性服务和应用的推动。此外，它还受到移动通信社会不断提高网络效率（即成本效率、能源效率、频谱效率和运营效率）的内在需求驱动。随着AI、THz和大规模卫星星座等先进技术的出现，通信网络能够朝着更强大、更高效的系统发展，以更好地满足当前服务的需求，并为提供迄今从未见过的破坏性服务打开了可能性。关键驱动力之一首先是移动流量的爆炸性增长。我们正处于一个前所未有的时代，大量智能产品、交互式服务和智能应用程序迅速涌现和发展，对移动通信提出了巨大的需求。可以预见，5G系统很难适应2030年及以后的巨大移动通信量。由于丰富的视频应用程序、增强的屏幕分辨率、机器对机器（M2M）通信、移动云服务等新技术应用激增，全球移动通信量将以爆炸性的方式持续增长，2030年将达到每月5016 EB，而2020年为每月62 EB。爱立信的一份报告[4]显示，2019年底全球移动通信量已达到每月33 EB，这证明了ITU-R估计的正确性。在过去十年中，由于移动宽带（MBB）的普及，智能手机和平板电脑的数量呈指数级增长。这一趋势将在21世纪20年代继续，因为智能手机和平板电脑的渗透率尚未饱和，特别是在发展中国家。与此同时，可穿戴电子设备和VR眼镜等新型用户终端迅速出现在市场上，并迅速被消费者采用。另一方面，随着MBB用户数量的增加，每个MBB用户的流量需求不断增加。这主要是因为Youtube、Netflix和最近的Tik Tok等移动视频服务的普及，以及移动设备屏幕分辨率的稳定提高。即将到来的移动流量爆炸性增长三分之二[4]来自于移动视频服务，并且移动视频服务将在未来更占主导地位。在一些发达国家，在2025年之前，丰富的视频服务推动了强劲的流量增长，由于增强现实（AR）和VR应用的渗透，长期增长浪潮将持续。另一个关键驱动力是潜在应用案例。随着新技术的出现和现有技术的不断发展，如全息、机器人、微电子、光电、人工智能和空间技术，移动网络中可以培育出许多前所未有的应用。为了强调6G的独特特性并定义6G的技术要求，主要列举一些6G的潜在应用案例，比如全息型通信（HTC），多感官体验和大众智能等等。全息型通信（HTC）：与使用双眼视差的传统3D视频相比，真正的全息图可以尽可能自然地满足肉眼观察3D对象的所有视觉提示。随着近年来全息显示技术的显著进步，如微软的HoloLens[5]，预计其应用将在未来十年成为现实。通过移动网络远程渲染高清全息图将带来真正的沉浸式体验。例如，全息远程呈现将允许远程参与者以全息图的形式投影到会议室，或者允许在线培训或教育的参与者与超现实的对象交互。然而，即使使用图像压缩，HTC也会导致每秒太比特量级的巨大带宽需求。除了考虑二维（2D）视频中的帧速率、分辨率和颜色深度外，全息图的质量还包括倾斜、角度和位置等体积数据[6]。HTC还需要超低延迟，以实现真正的沉浸感和跨大量相关流的高精度同步，从而重建全息图。多感官体验：人类有五种感官（视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉）来感知外部环境，而当前的通信只关注光学（文本、图像和视频）和声学（音频、语音和音乐）媒体。味觉和嗅觉的参与可以创造完全沉浸式的体验，这可能会带来一些新的服务，例如在食品和纹理行业[2]。此外，触觉通信的应用将发挥更重要的作用，并带来广泛的应用，如远程手术、远程控制和沉浸式游戏。这个应用案例对低延迟提出了严格的要求。大众智能：随着移动智能设备的普及以及机器人、智能汽车、无人机和VR眼镜等新型互联设备的出现，空中智能服务有望蓬勃发展。这些智能任务主要依赖于传统的面向计算的人工智能技术：计算机视觉、同时定位和映射（SLAM）、人脸和语音识别、自然语言处理、运动控制等。为了克服移动设备上严格的计算、存储、功率和隐私限制，6G网络将通过利用云、移动边缘和终端设备上的分布式计算资源，并培养高效通信的ML训练和干扰机制，以AI即服务的方式提供普遍智能[7]。例如，波士顿动力公司的Atlas等人形机器人[8]可以将SLAM的计算负载转移到边缘计算资源，以提高运动精度、延长电池寿命，并通过移除一些嵌入式计算组件变得更轻。除了计算密集型任务外，普适智能还促进了对时间敏感的AI任务，以避免在需要快速决策或对条件做出响应时云计算的延迟限制。 

6G技术要求

为了很好地支持2030年及以后的破坏性用例和应用，6G系统将提供极高的容量、可靠性、效率等。与[9]中规定的IMT-2020最低要求一样，使用了大量定量或定性KPI来指示6G的技术要求。大多数用于评估5G的KPI仍然适用于6G，而一些新的KPI将被引入新技术特征的评估。以下5个KPI可以被视为5G定义中的关键要求，简要介绍如下：峰值数据速率：在用户需求和THz通信等技术进步的推动下，预计将达到1Tbps，是5G的数十倍，5G的峰值速率为下行链路20 Gbps，上行链路10 Gbps。用户体验数据率：此数值定义为用户吞吐量的累积分布函数的第5百分位（5%）。换言之，用户可以在任何时间或位置获得至少95%的数据速率。衡量感知性能，尤其是在小区边缘，并反映网络设计的质量（如站点密度、架构、小区间优化等）更有意义。在密集城市的5G部署场景中，用户感知速率的目标是下行链路为100Mbps，上行链路为50Mbps。预计6G可以提供更高的1Gbps，是5G的10倍。延迟：延迟可以分为用户平面和控制平面延迟。前者是假设移动站处于活动状态，在无线网络中从源发送分组到目的地接收分组的时间延迟。在5G中，eMBB对用户平面延迟的最低要求为4ms，URLLC为1ms。预计该值将进一步降低到100µs甚至10µs。控制平面延迟是指从最“电池效率”状态（例如，空闲状态）到开始连续数据传输（例如，活动状态）的过渡时间。5G中控制平面的最小延迟应为10ms，预计6G中也会显著改善。除了空中延迟，往返或E2E延迟更有意义，但由于涉及大量网络实体，因此也很复杂。在6G中，E2E延迟可被视为一个整体。移动性：移动性意味着在提供可接受的体验质量（QoE）的情况下，由网络支持的移动站最高移动速度。为了支持高速列车的部署场景，5G支持的最高移动性为500公里/小时。在6G中，如果考虑商业航空系统，最大速度为1000公里/小时。连接密度是mMTC使用场景中用于评估的KPI。在无线资源数量有限的情况下，每平方公里具有宽松QoS的设备的最小数量为106台5G，预计将进一步提高10倍，达到107台每平方公里。 

可见光通信

VLC工作在400THz至800THz的频率范围内。与使用天线的较低THz范围的射频技术不同，VLC依靠照明源（尤其是发光二极管（LED））和图像传感器或光电二极管阵列来实现收发器。使用这些收发器，可以以低功耗（10 Mbps至100 Mbps时为100 mW）轻松实现高带宽，而不会产生电磁或无线电干扰。主流LED的高能效、长寿命（长达10年）和低成本，加上未经许可的频谱访问，使VLC成为对电池寿命和访问成本敏感的用例（如大规模物联网和无线传感器网络（WSN））有吸引力的解决方案。此外，VLC在一些非地面场景（如航空航天和水下）中也表现出比RF技术更好的传播性能，这可能是未来6G生态系统的重要组成部分。与RF相比，VLC中的MIMO增益非常脆弱，尤其是在室内场景中。这源于传播路径之间的高一致性，即低空间多样性。虽然通过使用间隔LED阵列可以在某种程度上降低这种一致性[10]，但MIMO-VLC也受到接收机设计和实现的挑战：非成像接收机对其与发射机的空间对准极为敏感，而成像接收机因其高昂的价格而不适用于成本关键的使用情况。因此，尽管学术界自十年来一直在努力 [11]，但到目前为止，还没有将MIMO方法标准化为IEEE 802.15.7的主流VLC物理层。因此，VLC中的波束形成与基于MIMO的RF波束形成不同，是通过称为空间光调制器（SLM）的特殊光学设备实现的。与毫米波和太赫兹技术类似，VLC也依赖LOS信道，因为它既没有穿透能力，也没有足够的衍射来绕过常见障碍物。同时，由于对相邻小区干扰和几乎无处不在的环境光噪声的担忧，VLC系统通常需要具有窄波束的定向天线。这些事实使得VLC系统对用户的位置和移动性高度敏感，导致对波束跟踪的高要求。另一方面，该功能也可以在某些使用场景中发挥优势，例如室内定位的精度更高[12]，车辆通信的干扰更低[13]。VLC面临的另一个关键技术挑战是开放和不受监管（更具体地说，不可监管）的可见光频谱接入，这意味着与许可RF频带中的传统蜂窝系统相比，VLC系统的安全风险更高，需要更严格的安全要求。关于这一点，物理层安全性作为一种有前途的解决方案被广泛研究[14]。

总结与展望

本文对6G移动系统的驱动因素、需求、动力和促成因素进行了部分调查。可以得出的结论是，每十年新一代的传统演进不会终止于5G，考虑到学术界和工业界对发展6G的巨大热情，第一个6G网络预计将于2030年或更早部署。6G将以更具成本效益、能效和资源效率的方式，适应5G中引入的用例和应用，如物联网、工业4.0、虚拟现实和自动驾驶，并提供更好的体验质量。同时，它将实现5G无法支持的前所未有的用例，例如全息型通信、普及智能、全球无处不在的可连接性，以及我们尚无法想象的其他破坏性应用。从5G时代引入MTC和IoT开始，移动通信服务的趋势从仅以人为中心扩展到连接机器和事物，这一趋势将继续下去，而万物互联将在6G到来时实现。6G系统必须满足对延迟、可靠性、移动性和安全性的极为严格的要求，并大幅提高覆盖率、峰值数据速率、用户体验速率、系统容量和连接密度，与5G相比，KPI通常提高10至100倍。1926年，工程师兼发明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）表示，“当无线技术完美应用时，整个地球将变成一个巨大的大脑”。当6G到来时，这一预言将变成现实。

参考文献

[1] F. H. P . Fitzek and P . Seeling, “Why we should not talk about 6G,” arXiv, Mar. 2020

[2] “A blueprint of technology, applications and market drivers towards the year 2030 and beyond,” White Paper, ITU-T FG-NET-2030, May 2019

[3] “Shaping Europe’s digital future,” Communication-COM(2020)67, European Commission, Brussels, Belgium, Feb. 2020.

[4] “Mobile data traffic outlook,” Report, Ericsson, Jun. 2020.

[5] Microsoft HoloLens. [Online]. Available: https://www.microsoft.com/en-us/hololens/

[6]  A. Clemm et al., “Toward truly immersive holographic-type communication: Challenges and solutions,” IEEE Commun. Mag., vol. 58, no. 1,pp. 93–99, Jan. 2020.

[7] K. B. Letaief et al., “The roadmap to 6G: AI empowered wireless networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 57, no. 8, pp. 84–90, Aug. 2019

[8]  Boston dynamics. [Online]. Available: https://www.bostondynamics.com/atlas

[9] Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s), ITU-R Std. M.2410-0, Nov. 2017.

[10] A. Al-Kinani et al., “Optical wireless communication channel measurements and models,” IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 20, no. 3, pp. 1939–1962, 2018

[11] N. Huang et al., “Transceiver design for MIMO VLC systems with integerforcing receivers,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 36, no. 1, pp. 66–77, 2018

[12] Y . Zhuang et al., “A survey of positioning systems using visible LED lights,” IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 20, no. 3, pp. 1963–1988,2018.

[13] A. Memedi and F. Dressler, “V ehicular visible light communications: A survey,” IEEE Commun. Surveys Tuts., pp. 1–1, 2020.

[14] M. A. Arfaoui et al., “Physical layer security for visible light communication systems: A survey,” IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 22,no. 3, pp. 1887–1908, 2020.

翻译修改自：W. Jiang, B. Han, M. A. Habibi and H. D. Schotten, "The Road Towards 6G: A Comprehensive Survey"

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作者：潘泊凡  国科大网安学院

责编：夏天天

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