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

  ICC訊 近日，由東南大學(xué)尤肖虎教授領(lǐng)銜，王承祥教授組織起草，聯(lián)合國(guó)內(nèi)外 24 家科研院校及企業(yè)的 50 位業(yè)內(nèi)專家，針對(duì) 6G 最新進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì)撰寫了一篇長(zhǎng)達(dá) 70 多頁(yè)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(biāo)、應(yīng)用場(chǎng)景、垂直行業(yè)應(yīng)用、使能技術(shù)、新的范式轉(zhuǎn)換等方面對(duì) 6G 研發(fā)的最新進(jìn)展以及未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了全面的綜述。

  面對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)需求的不斷增強(qiáng)，5G 網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸速率、接入密度等方面面臨新的技術(shù)瓶頸，而 6G 的發(fā)展或?qū)⑼黄七@些技術(shù)壁壘，提供更加快速更加深遠(yuǎn)的通信服務(wù)，并最終消除現(xiàn)實(shí)世界和網(wǎng)絡(luò)世界的界限。

  從 5G 到 6G

  2019 年 11 月 1 日，隨著三大運(yùn)營(yíng)商 5G 套餐的上線，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)第五代(5G)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)正式進(jìn)入商用。2020 年以來，5G 網(wǎng)絡(luò)開始在世界范圍內(nèi)部署，大規(guī)模連接、高可靠性、保證低延遲等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化，一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)、人機(jī)交互的新時(shí)代正在加速到來。 與第一代到第四代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)相比，5G 網(wǎng)絡(luò)擁有傳輸速率快、低時(shí)延、高容量等優(yōu)勢(shì)。但隨著車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等新業(yè)務(wù)類型和需求的發(fā)展，5G 網(wǎng)絡(luò)顯然無(wú)法滿足 2030 年及未來的網(wǎng)絡(luò)需求，研究人員已經(jīng)現(xiàn)在開始關(guān)注第六代(6G)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。

  多樣化的通信場(chǎng)景必將對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)程度提出更大需求，對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和容量方面提出更高需求，6G 網(wǎng)絡(luò)將借助人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)、體驗(yàn)質(zhì)量(QoE)、安全性和能源效率等性能上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提升。 6G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)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(shí)延、超大連接密度、更高的智能化水平、亞厘米級(jí)的地理定位精度、接近 100% 的覆蓋率和亞毫秒級(jí)的時(shí)間同步。 網(wǎng)絡(luò)通信正在經(jīng)歷著與 80 年代計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)相似的巨大變化，網(wǎng)絡(luò)軟件化逐步成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新趨勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件供應(yīng)鏈的多樣化，并推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)能夠支持新興物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)科學(xué)應(yīng)用的高能力平臺(tái)。而 6G 的發(fā)展，為推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)軟件化提供了一種新的計(jì)算范式，同時(shí)不增加能耗成本。

  相較于 5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能 eMBB，mMTC 和 uRLLC 等指標(biāo)，6G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了性能的進(jìn)一步增強(qiáng)，并在應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

  2019 年 3 月，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出了一些 6G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。其中提到，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯殿A(yù)計(jì)將超過 100 Gbps，連接密度達(dá)到 107 個(gè)設(shè)備 /km2，時(shí)延應(yīng)小于 0.3 毫秒，能源效率將是 5G 的 10 倍，容量將達(dá)到 5G 系統(tǒng)的 10000 倍。

  圖 | 5G 和 6G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)景的比較

  通過應(yīng)用 AI 技術(shù)，6G 網(wǎng)絡(luò)將可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)管理和自動(dòng)化水平，由于使用了極為異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)、多樣化的通信場(chǎng)景、大量的天線和較寬的帶寬，6G 網(wǎng)絡(luò)的連接密度將增加 10—100 倍。

  圖 | 6G 通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景

  為了滿足 6G 網(wǎng)絡(luò)即將出現(xiàn)的帶寬、時(shí)延、可靠性以及應(yīng)用程序所設(shè)置的彈性需求，下一階段網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模設(shè)計(jì)將是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。 2018 年 7 月 16 日，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)成立 ITU-T 2030 網(wǎng)絡(luò)焦點(diǎn)組技術(shù)研究組(FG NET-2030)，致力于研究 2030 年及以后的網(wǎng)絡(luò)能力，以支持未來如全息通信等新穎的前瞻性場(chǎng)景，滿足在緊急情況下可以快速地響應(yīng)新興市場(chǎng)和垂直領(lǐng)域的高精度通信需求。

  未來的 6G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，將支持更加廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)安全可靠的穿戴設(shè)備、集成耳機(jī)、可植入傳感器等以人為本的服務(wù)，支持更遠(yuǎn)距離的高速移動(dòng)、極低功耗的通信，為 VR、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)自動(dòng)化、C-V2X、數(shù)字雙體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、節(jié)能無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制和聯(lián)合學(xué)習(xí)系統(tǒng)等方面的發(fā)展，提供更加可靠的網(wǎng)絡(luò)支撐。

  圖 | 協(xié)助管理疫情的數(shù)字孿生局域網(wǎng)示意圖

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

  覆蓋全球：“ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 一體化網(wǎng)絡(luò)

  為了實(shí)現(xiàn) 6G 網(wǎng)絡(luò)更優(yōu)的性能指標(biāo)，擴(kuò)展更加廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，6G 網(wǎng)絡(luò)將在當(dāng)前 5G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)上，發(fā)生四個(gè)新的模式轉(zhuǎn)變：

  (1)覆蓋全球(global coverage)，利用衛(wèi)星通信、無(wú)人機(jī)通信、地面通信和海上通信，實(shí)現(xiàn) “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 一體化網(wǎng)絡(luò)。

  (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(xué)頻帶。

  (3)完整應(yīng)用程序(full applications)，將與通信、計(jì)算、控制 / 緩存和 AI 技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更高的智能性。

  (4)內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)安全性(endogenous network security)，開發(fā)物理層和網(wǎng)絡(luò)層的 6G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還將考慮內(nèi)生網(wǎng)絡(luò)安全性。

  當(dāng)前，一些研究已經(jīng)初步嘗試對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)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(rèn)識(shí)到，由于 5G 地面通信網(wǎng)絡(luò)受無(wú)線電頻譜、服務(wù)地理區(qū)域覆蓋范圍和運(yùn)營(yíng)成本的限制，無(wú)法覆蓋在所有地方不分時(shí)段地提供高質(zhì)量和高可靠性的服務(wù)，尤其是對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)即將到來的萬(wàn)億級(jí)連接。 為了在全球范圍內(nèi)提供真正無(wú)所不在的無(wú)線通信服務(wù)，必須開發(fā)一種 “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 一體化網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)全球連通性，并允許各種應(yīng)用程序訪問，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)。

  圖 | “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)

  為了有效地將具有不同規(guī)模的各種網(wǎng)段和多樣化的無(wú)線電接入技術(shù)有效地整合到 “ 太空 — 空中 — 地面 — 海洋 ” 網(wǎng)絡(luò)，6G 仍存在著許多挑戰(zhàn)和機(jī)遇，需要進(jìn)一步研究。

  全面應(yīng)用：具有更高的智能化水平

  隨著人工智能和 ML 技術(shù)的快速發(fā)展，6G 網(wǎng)絡(luò)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(xué)習(xí)特征，而不是從預(yù)先建立的固定規(guī)則中學(xué)習(xí)特征，從而極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的效率和延遲。 下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)必將向復(fù)雜系統(tǒng)方向發(fā)展，面對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求也會(huì)不同，因此，也就對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的自適應(yīng)性和智能化水平提出了更高的要求。 人工智能可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)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(diào)，而機(jī)器學(xué)習(xí)方法也可用于優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的物理層，可以用來重新設(shè)計(jì)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 目前，以深度學(xué)習(xí)和知識(shí)圖譜為代表的人工智能技術(shù)正在迅速發(fā)展，通過將人工智能技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò)，將對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)用戶、服務(wù)和環(huán)境的多維主客觀要素進(jìn)行表征、構(gòu)建、學(xué)習(xí)、應(yīng)用、更新和反饋。在獲取知識(shí)的基礎(chǔ)上，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的立體感知、決策推理和動(dòng)態(tài)調(diào)整。

  圖 | 智能 - 內(nèi)生性網(wǎng)絡(luò)的自演化閉環(huán)結(jié)構(gòu)

  因此，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)我們想要的任何服務(wù)需求自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，研究人員將這樣的網(wǎng)絡(luò)稱為 IEN，即自進(jìn)化的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

  概括而言，這篇綜述文章指出了當(dāng)前 5G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的局限性，并提出了 6G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的愿景、使能技術(shù)、四個(gè)新的范式轉(zhuǎn)換以及未來的研究方向。同時(shí)，引入了 6G 的新性能指標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)景，給出 6G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在垂直行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景，面對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，為實(shí)現(xiàn)完全集成的 6G 網(wǎng)絡(luò)提出建議。