Challenges, Innovations and Perspectives towards 6G
方敏/FANG Min1,2, 段向陽/DUAN Xiangyang1,2, 胡留軍/HU Liujun1,2
（1. 中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057；
2. 移動網(wǎng)絡與移動多媒體技術(shù)國家重點實驗室，廣東 深圳 518057）
(1. ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China;
2. State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia, Shenzhen 518057, China)
摘要
隨著中國及全球5G網(wǎng)絡的規(guī)模商用，6G研究創(chuàng)新窗口悄然而至。梳理了全球6G技術(shù)研究現(xiàn)狀，初步預估了6G需求、技術(shù)與標準研究工作路標，分析了面向6G網(wǎng)絡的未來業(yè)務發(fā)展趨勢和典型服務用例，構(gòu)建了6G網(wǎng)絡服務愿景、基本性能需求，以及基于架構(gòu)、鏈路、空域、流域、推理與計算維度的6G使能技術(shù)框架。認為6G潛在使能技術(shù)包括自治自動網(wǎng)絡、智能三維連接、智能大規(guī)模天線陣、按需網(wǎng)絡拓撲與計算、超硅計算與通信。重點介紹了中興通訊服務架構(gòu)無線接入網(wǎng)絡（SBA-RAN）、平滑虛擬小區(qū)技術(shù)（SVC）、智能反射表面MIMO技術(shù)（IRS-MIMO）與增強多用戶共享接入（eMUSA）等6G創(chuàng)新技術(shù)實例，揭示了決定6G相對5G是“演進”還是“革命”網(wǎng)絡的決定要素是維持摩爾定律可持續(xù)發(fā)展的超硅計算技術(shù)，并展望了5G演進網(wǎng)絡中將廣泛應用的Pre6G創(chuàng)新技術(shù)。
Abstract:
The research and innovation window of 6G network is opened soon after the large scale commercialization of 5G in the world and especially in China. The global research progress of 6G network is briefly introduced and the tentative timeline of 6G requirements, technology and standard research is illustrated. The future traffic trend and typical use cases towards 6G network are investigated preliminarily. The vision and the key performance requirements as well as the potential enablers in the architecture, link, flow, inference and computing dimensions are established towards 6G network..We also anticipate the 6G potential enablers including self-driving network, the intelligent 3D-connectivity, the intelligent large-scale antenna array, the on-demand network topology and computing, as well as the beyond silicon computing and communication. Some innovation instances towards 6G from ZTE Corporation are presented such as the service-based radio access network (SBA-RAN), the smooth virtual cell (SVC), the intelligent reflective metasurface MIMO (IRS-MIMO) and enhanced multi-user shared access (eMUSA). We reveal that whether the 6G is a "evolution" or "revolution" network of 5G is mainly determined by the innovations of beyond-silicon computing which could maintain the sustainable development of Moore's law. Finally we outlook the pre6G innovation technologies that will be widely used in the evolved 5G network.
關(guān)鍵詞：6G；智能無線電；服務架構(gòu)無線接入網(wǎng)；三維連接；軟件定義空口；軟件定義無線信道；智能反射表面；平滑虛擬小區(qū)；增強多用戶共享接入
Keywords: 6G; intelligent radio; service-based radio access network (RAN); 3D-connectivity; software-defined air interface; software-defined radio channel; intelligent reflective metasurface; smooth virtual cell; enhanced multi-user shared access (eMUSA)
6G網(wǎng)絡是指2030年將要商用的移動通信網(wǎng)絡。1980—2020年移動通信網(wǎng)絡“十年一代”的發(fā)展歷程，見證了3G移動用戶超越固定用戶的“輝煌十年”，體驗了4G移動互聯(lián)改變生活的“美好十年”，開啟了5G萬物互聯(lián)改變社會的“創(chuàng)新十年”。未來“創(chuàng)新十年”中，5G商用網(wǎng)絡將在業(yè)務與網(wǎng)絡技術(shù)方面不斷演進，并最終向6G網(wǎng)絡過渡；因此6G也是5G長期演進網(wǎng)絡。
■ 6G全球研究現(xiàn)狀
隨著5G網(wǎng)絡成功規(guī)模商用，全球產(chǎn)學研已在2019年正式啟動6G潛在服務需求、網(wǎng)絡架構(gòu)與潛在使能技術(shù)的研究工作。
■ 1.1歐盟
歐盟企業(yè)技術(shù)平臺NetWorld2020在2018年9月發(fā)布了《下一代因特網(wǎng)中的智能網(wǎng)絡》白皮書。在此基礎上，歐盟將在2020年第三季度制定2021—2027年產(chǎn)學研框架項目下的6G戰(zhàn)略研究與創(chuàng)新議程（SRIA）與戰(zhàn)略開發(fā)技術(shù)（SDA），并在2021年第一季度暨世界移動通信大會上正式成立歐盟6G伙伴合作項目，在2021年4月開始執(zhí)行第一批6G智能網(wǎng)絡服務產(chǎn)學研框架項目。
■ 1.2芬蘭6G旗艦項目
芬蘭政府在2018年5月率先成立了芬蘭奧魯大學牽頭管理的6G旗艦項目，項目成員以芬蘭企業(yè)、高校與研究所為主，該項目計劃在2018—2026年投入2.51歐元用于6G研發(fā)。芬蘭奧魯大學每年3月牽頭組織召開了兩屆6G無線峰會，主要廠家與運營商均發(fā)表了6G技術(shù)峰會演講，并在會上與會下技術(shù)討論基礎上于2019年9月發(fā)布了《面向6G泛在無線智能的驅(qū)動與主要研究挑戰(zhàn)》白皮書。
目前6G無線峰會正在起草12個技術(shù)專題的6G技術(shù)白皮書，最快在2020年下半年發(fā)布若干技術(shù)白皮書，包括6G驅(qū)動與聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標、垂直服務驗證與試驗、無線通信機器學習、B5G聯(lián)網(wǎng)、寬帶連接、射頻（RF）技術(shù)與頻譜、偏遠地區(qū)連接、6G商務、6G邊緣計算、信任安全與隱私、6G關(guān)鍵與大規(guī)模機器通信、定位與傳感。
■ 1.3 美國
美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）在2018年啟動了95 GHz～3 THz頻率范圍的太赫茲頻譜新服務研究工作，從2019年6月開始發(fā)放為期10年、可銷售網(wǎng)絡服務的試驗頻譜許可。其頻譜研究主要問題包括：1）95～275 GHz頻段政府與非政府共享使用；2）275 GHz～3 THz不干擾現(xiàn)有頻譜使用；3）非許可頻譜合計21.2 GHz帶寬，包括116～123 GHz、174.8～182 GHz、185～190 GHz、244～246 GHz。
美國電信行業(yè)解決方案聯(lián)盟（ATIS）在2020年5月19日發(fā)布了6G行動倡議書，建議政府在6G核心技術(shù)突破上投入額外研發(fā)資金，鼓勵政府與企業(yè)積極參與制定國家頻譜政策。目前，美國希望主導的未來5G與6G核心技術(shù)包括5G集成與開放網(wǎng)絡（ION）、支持人工智能（AI）的高級網(wǎng)絡和服務、先進的天線與無線電系統(tǒng)（例如95 GHz以上太赫茲頻段）、多接入網(wǎng)絡服務（包括地面與非地面網(wǎng)絡、自我感應以支持超高清定位等應用）、智能醫(yī)療保健網(wǎng)絡服務（包括遠程診斷與手術(shù)，利用多感測應用、觸覺互聯(lián)網(wǎng)和超高分辨率3D影像等新功能）和農(nóng)業(yè)4.0服務（支持統(tǒng)一施用水、肥料和農(nóng)藥）。
■ 1.4 日本與韓國
日本政府將在2020年夏季發(fā)布6G無線通信網(wǎng)絡研究戰(zhàn)略。韓國政府電子與電信研究所（ETRI）在2019年6月與芬蘭奧魯大學簽訂了6G網(wǎng)絡合作研究協(xié)議；三星自2019年開始重點研究6G、人工智能與機器人技術(shù)；LG在2019年1月與韓國科學技術(shù)研究所（KAIST）合作建立了6G研究中心；SKT與廠家聯(lián)合研究6G關(guān)鍵性能指標與商務需求。
■ 1.5 中國
中國工業(yè)和信息化部牽頭在2019年6月成立了6G推進組（包含需求、頻譜、網(wǎng)絡、無線技術(shù)、標準與國際合作等5個工作組），開展6G標準的可行性研究，并計劃在2019—2023年完成6G業(yè)務、愿景與使能技術(shù)的研究與驗證工作。
中國科學技術(shù)部牽頭在2019年11月啟動了由37家產(chǎn)學研機構(gòu)參與的6G技術(shù)研發(fā)推進組，開展6G需求、結(jié)構(gòu)與使能技術(shù)的產(chǎn)學研合作項目。
■ 1.6 其他
中國移動在2019年11月發(fā)布了《6G愿景與需求》、白皮書，日本DoCoMo在2020年1月發(fā)布了《B5G與6G無線技術(shù)需求》白皮書。國際電聯(lián)標準化部門（ITU-T）在部分產(chǎn)學研機構(gòu)驅(qū)動下在2018年成立了 6G需求與網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的研究項目即IMT-2030焦點組，該研究項目先后發(fā)布了《6G技術(shù)藍圖、應用與市場驅(qū)動》《6G新服務與網(wǎng)絡技服務能力》與《代表性用例和關(guān)鍵網(wǎng)絡需求》等白皮書或技術(shù)研究報告。
■ 2、 6G研究與標準工作路標預測
未來10年內(nèi)ITU、中國6G推進組與3GPP的6G標準工作路標預測，詳見圖1。相應的基本判斷是：
1）2020—2023年是6G業(yè)務、愿景、使能技術(shù)的可行性研究窗口；
2）2020年是識別6G使能技術(shù)的早期階段。
國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）的WP5D工作組計劃[1-2]在2022年6月完成《IMT未來技術(shù)趨勢》研究報告，在2021年6月—2022年11月完成《IMT-2020之后愿景》研究報告。預計2023年底的世界無線電通信大會（WRC）將討論6G頻譜需求，2027年底的WRC將完成6G頻譜分配。
中國IMT-2030暨6G推進組的6G業(yè)務、愿景與使能技術(shù)的研究和驗證，將與ITU-R的6G標準工作計劃保持同步。可以預測的是，在2023—2027年中國將完成6G系統(tǒng)與頻譜的研究、測試與系統(tǒng)試驗。
面向2028—2029年ITU 6G標準評估窗口，3GPP預計需要在2024—2025年即R19窗口正式啟動6G標準需求、結(jié)構(gòu)與空口技術(shù)的可行性研究工作，并最快在2026—2027年即R20窗口完成6G空口標準技術(shù)規(guī)范制定工作。此前，3GPP將在2020—2023年完成R17與R18的5G演進標準制定，此階段可簡稱為后5G即B5G標準。R17/18 5G演進標準主要功能，包括面向未來演進移動寬帶、固定無線接入、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、擴展現(xiàn)實、大規(guī)模機器通信、無人機與衛(wèi)星接入等用例的演進空口與增強功能，例如5G高頻段空口即NR 52.6～71 GHz、5G非地面網(wǎng)絡空口（NR-NTN）與其高頻段NTN、蜂窩窄帶物聯(lián)非地面網(wǎng)絡（NB-IoT/eMTC-NTN）、面向可穿戴與視頻監(jiān)控等中檔終端的5G中檔能力空口及其演進功能（NR-RedCap+）、5G多媒體廣播與組播服務空口及其演進功能（NR-MBMS+）、接入與回傳集成演進功能（IAB+）、5G直傳空口及其演進功能（NR-Sidelink+）、5G非許可頻段空口及其演進功能（NR-U+）、定位增強功能、智能自組織網(wǎng)絡及其演進功能、通信傳感集成及其演進功能（ICS+）、網(wǎng)絡拓撲增強功能等。
+：演進或增強功能
IAB：接入與回傳集成
ICS：通信與傳感集成
ITU-R：國際電信聯(lián)盟無線電通信部門
MBMS：多媒體廣播與組播服務
NB-IoT/eMTC-NTN：蜂窩窄帶物理網(wǎng)服務非地面網(wǎng)絡
NR：5G空口
NR-RedCap：5G中檔能力空口
NR-Sidelink：5G直傳服務空口
NR-U：5G非許可頻段空口
NTN：非地面網(wǎng)絡
SON：自組織網(wǎng)絡
WRC：世界無線電通信大會
圖1 B5G/6G研究與標準工作路標預測
■ 3、6G業(yè)務驅(qū)動與愿景
用戶定義視頻（如抖音）上行流量的便捷消費，機器視覺計算（如人臉識別）的廣泛應用，擴展現(xiàn)實（XR）、光場與點云等光波全息傳送的潛在消費，零距離虛擬現(xiàn)場交互（如異地“真人”二重唱或樂隊“云演奏”）的出現(xiàn)，靈巧可靠的數(shù)字人/機車/機器人終端集群（如自動駕駛汽車）服務，以及聯(lián)合國2030年可持續(xù)發(fā)展目標[1]逐步實施，都預示了人性化、全息交互、群體協(xié)作的業(yè)務發(fā)展趨勢。
4G與5G、物聯(lián)網(wǎng)、云邊計算、人工智能（AI）與機器學習（ML）[3-5]、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、衛(wèi)星火箭、無人機、可穿戴技術(shù)、機器人技術(shù)、可植入技術(shù)、超硅計算與通信技術(shù)的快速發(fā)展與應用，為業(yè)務創(chuàng)新奠定了堅實的技術(shù)基礎。應用與技術(shù)的雙重創(chuàng)新驅(qū)動，決定5G應用將在未來10年快速成長，并創(chuàng)造出新的生活方式、數(shù)字經(jīng)濟和社會結(jié)構(gòu)，例如跨階層的數(shù)字生活、網(wǎng)紅經(jīng)濟、數(shù)字貴族等。
為順應人性化、全息交互、群體協(xié)作的業(yè)務發(fā)展趨勢，6G時代可能誕生的全新服務將進一步擴展到感知互聯(lián)網(wǎng)、AI服務互聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)服務互聯(lián)網(wǎng)，呈現(xiàn)出萬務智聯(lián)改變世界的6G愿景，詳見圖2。
AR：增強現(xiàn)實
VR：虛擬現(xiàn)實
AI：人工智能
CPS：信息物理系統(tǒng)
ML：機器學習
XR：擴展現(xiàn)實
圖2 6G業(yè)務發(fā)展趨勢與愿景
■ 4、6G業(yè)務需求初步分析
4.1 感知互聯(lián)網(wǎng)
感知互聯(lián)網(wǎng)是指視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺、情感與意念等全息協(xié)作實時交互媒體互聯(lián)服務。
感知互聯(lián)網(wǎng)的典型用例“如影隨形實時共享感知”是指在預定的持續(xù)時間內(nèi)，經(jīng)過許可與信任控制，一個人可以通過自己的視覺和或其他感覺，真實地體驗另一個人的感覺甚至生活。例如，一位母親可以真實地體驗孩子剛剛穿上新鞋后是否磨腳的個人體驗。
4.2 AI服務互聯(lián)網(wǎng)
AI服務互聯(lián)網(wǎng)是指未來任何人、機器、組織或行為，都可以享受的協(xié)作智能互聯(lián)服務。
AI服務互聯(lián)網(wǎng)的典型用例“高速公路無人自動駕駛”是指無人駕駛汽車或車隊依據(jù)實時導航與定位機器人的最佳路線設計，機智地避免與車外人體或物體的碰撞，以最短時間、最小能耗到達目的地。
4.3 行業(yè)服務互聯(lián)網(wǎng)
行業(yè)服務互聯(lián)網(wǎng)是指跨越任何領域或平臺、任何網(wǎng)絡物理系統(tǒng)（CPS）或數(shù)字孿生服務所需的協(xié)作或虛擬孿生感應與執(zhí)行互聯(lián)服務。
行業(yè)服務互聯(lián)網(wǎng)的典型用例“觸覺反饋機器人手術(shù)”是指通過人機協(xié)作并借助多路輔助視頻[包括增強現(xiàn)實（AR）視頻]和觸覺反饋的方式遠程完成諸如冠狀動脈、腹腔鏡等無創(chuàng)外科手術(shù)。
4.4 6G業(yè)務需求
感知互聯(lián)網(wǎng)側(cè)重于感知全息實時共享，AI服務互聯(lián)網(wǎng)側(cè)重于泛在智能，行業(yè)服務互聯(lián)網(wǎng)側(cè)重于人機或機器之間的協(xié)作自動。
圖3列舉了上述典型用例的初步連接需求，包括但不限于帶寬、延時、同步、抖動、可靠性、高精定位、能耗、算力、生物兼容性等需求，每個典型用例的具體性能指標尚在研究之中。
AI：人工智能， CPS：信息物理系統(tǒng)
圖3 感知、AI與行業(yè)服務互聯(lián)網(wǎng)用例與需求
■ 5、 6G網(wǎng)絡性能指標初步預測
依據(jù)3GPP R17 5G新服務需求研究結(jié)果[6-13]，結(jié)合高清、高自由度、人眼極限視頻帶寬與可靠性要求[14-15]，以及自動駕駛定位精度要求[16]和非地面網(wǎng)絡空中基站移動速度[17]要求等，我們可以初步估計6G時代新型服務的性能指標需求和相對5G網(wǎng)絡性能指標的提升倍數(shù)，如圖4所示。
6G網(wǎng)絡將支持1 Tbit/s峰值數(shù)據(jù)率、20 Gbit/s用戶體驗數(shù)據(jù)率、10 Gbit/（s•m2）的區(qū)域業(yè)務容量密度、100 Gbit/（s•m3）的空間容量密度、每平方米100個終端的連接密度、167 dB的最大耦合損耗（表示極限覆蓋范圍）、8 km/s基站或小區(qū)移動速度、低于0.5 ms用戶面時延、高于7個9的可靠性、20年的電池供電壽命、0.2μs的確定性通信時延同步精度、低于10 cm高精定位精度。
由于5G網(wǎng)絡支持20 Gbit/s的峰值數(shù)據(jù)率、100 Mbit/s的用戶體驗數(shù)據(jù)率、10 Mbit/（s•m2）的區(qū)域業(yè)務容量密度、每平方米1個終端的連接密度、164 dB的最大耦合損耗（表示極限覆蓋范圍）、500 km/s的移動速度、0.5 ms的eMBB用戶面（UP）單向時延、5個9的可靠性、10年的電池供電壽命、1μs的確定性通信時間同步精度、10m以上定位精度。6G相對5G網(wǎng)絡的性能指標提升倍數(shù)，詳見圖4。當然，隨著5G服務用例的不斷擴展，5G長期演進網(wǎng)絡也可以有步驟地達到這些網(wǎng)絡性能指標要求。
UP：用戶面
圖4 6G網(wǎng)絡性能指標要求及其相對5G的提升倍數(shù)
■ 6、 6G網(wǎng)絡潛在使能技術(shù)
面向上述6G及5G長期演進網(wǎng)絡服務與性能需求，參考全球產(chǎn)學研B5G/6G技術(shù)研究結(jié)果，6G網(wǎng)絡使能技術(shù)可以從圖5所示的結(jié)構(gòu)、鏈路、空域、流域、推理、計算這6個維度來考慮，具體包括自治自動網(wǎng)絡、智能三維連接、智能大規(guī)模天線陣、按需網(wǎng)絡拓撲、按需網(wǎng)絡計算、超硅計算與通信。
AI：人工智能
CPS：信息物理系統(tǒng)
IoT：物聯(lián)網(wǎng)
MIMO：多輸入多輸出
NR：5G空口
NTN：非地面網(wǎng)絡
圖5 6G網(wǎng)絡技術(shù)體系框架
6.1 自治自動網(wǎng)絡架構(gòu)
6G網(wǎng)絡不僅需要支持智能化、自動化、服務化的系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)，實現(xiàn)軟件定義智能、編排與管理（例如認知網(wǎng)絡、服務架構(gòu)、全自動生命周期管理、CPS與數(shù)字孿生網(wǎng)絡），同時還需要支持智能無線電、智能覆蓋與智能演進的無線網(wǎng)絡架構(gòu)[18]，以確保服務、編排、管理、拓撲、部署、覆蓋、空口、天線等連接要素的靈活性和軟件可編程。
所謂智能無線電是指軟件定義的無線信道，通過無線鏈路與其傳播特性的分離，實現(xiàn)有線通信質(zhì)量或超過有線通信質(zhì)量的無線連接；智能覆蓋是指終端與小區(qū)分離，虛擬小區(qū)為終端服務，小區(qū)邊緣不再存在；智能演進是指獨立的無線網(wǎng)絡功能演進，任何動態(tài)操作可支持AI處理，網(wǎng)絡拓撲可依據(jù)服務需求靈活選擇與改變。因此，6G自治自動網(wǎng)絡架構(gòu)將成為各項6G網(wǎng)絡使能技術(shù)的融合基礎。
6.2 智能三維連接
智能三維連接是指空、天、地、海一體化全頻段智能通信連接，支持人與人通信、人機合作通信與機器通信，支持MHz到THz頻率范圍，支持2G/3G/4G/5G等地面網(wǎng)絡（TN）與非地面網(wǎng)絡（NTN）融合組網(wǎng)——這里NTN是指地上/水下無人機、半靜止空中平臺、飛行器、低/中/高/同步地球軌道衛(wèi)星等組成的非地面通信網(wǎng)絡。
智能三維連接主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：全頻段頻譜管理，包括NR/IoT-NTN空口演進、通信與傳感集成、THz與可見光通信、厘米級高精定位等多制式空口設計，多制式和諧物理層共存設計，遠距離隨機接入與時頻偏移補償技術(shù)，高譜效大連接多址技術(shù)，無線資源與干擾管理，高速移動性管理，業(yè)務與終端服務連續(xù)性，確定性及其通信技術(shù)，尤其是滿足一個或一組特定業(yè)務需求（如譜效、能效、成本效率、可靠性、時延與抖動）的智能連接策略。
其中，太赫茲通信技術(shù)挑戰(zhàn)包括：極低峰均功率比波形與調(diào)制，超大帶寬與容量信道編碼、極窄波束管理技術(shù)，漫散射信道建模技術(shù)，極低功耗RF器件，高增益天線技術(shù)，大帶寬數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，全電與光電混合鏈路設計等�？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)挑戰(zhàn)包括：可見光超輻射發(fā)光二極管等光信號源設計，大帶寬與高靈敏度光檢測器，外調(diào)制器、放大器、復用與解復用、光開關(guān)與收發(fā)集成器等光電混合器件，室內(nèi)/室外/水下光信道建模以及陣列天線技術(shù)。
6.3 智能大規(guī)模天線陣
智能大規(guī)模天線陣是指依據(jù)空間自由度達到三維連接鏈路優(yōu)設計要求的智能天線陣技術(shù)，包括能量有效的大容量多用戶MIMO即MU-MIMO技術(shù)、超大規(guī)模天線陣列智能波束管理技術(shù)、以終端為中心的分布式MIMO技術(shù)、靈活部署的智能反射/透射表面技術(shù)等。
其主要應用場景包括城市密集街區(qū)高頻覆蓋、大容量MU-MIMO能效改進、室外到室內(nèi)連續(xù)覆蓋、高頻段高速移動無損切換、人造無線信道環(huán)境。
其主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括空間效率與鏈路性能聯(lián)合優(yōu)化、高增益低損耗智能天線面板設計、網(wǎng)絡級多天線靈活部署策略、智能MIMO算法設計、智能導頻與訓練序列優(yōu)化設計等。
6.4 按需網(wǎng)絡拓撲
按需網(wǎng)絡拓撲是指依據(jù)服務和連接需求靈活選擇或改變網(wǎng)絡部署形態(tài)與密度，包括TN/NTN接入與回傳集成、本地網(wǎng)狀網(wǎng)、靈活組播與多跳技術(shù)、動態(tài)路徑選擇、動態(tài)網(wǎng)絡切片、多層異構(gòu)密集化技術(shù)等，以實現(xiàn)成本、能耗等性能指標的按需優(yōu)化。
其主要應用場景包括跨行業(yè)（如衛(wèi)星廣播電視與通信）數(shù)字基礎設施綜合服務平臺、本地部署的CPS或數(shù)字孿生等確定性傳感通信（如數(shù)字孿生城市基礎設施監(jiān)控、協(xié)作機器人通信）服務平臺。
其主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括數(shù)據(jù)/意圖驅(qū)動智能拓撲[包括網(wǎng)狀網(wǎng)（MESH）、組播、多跳]策略、靈活無線接入網(wǎng)或虛擬小區(qū)（即用戶為中心的服務小區(qū)）、智能移動網(wǎng)絡（包括用戶或站點移動性預測與切換）、智能端到端網(wǎng)絡切片（包括業(yè)務與用戶資源需求預測與分配）等。
6.5 按需網(wǎng)絡計算
按需網(wǎng)絡計算是指6G網(wǎng)絡智能代理、算力與算法技術(shù)，包括神經(jīng)網(wǎng)絡、增強學習、遷移學習、對抗學習、聯(lián)邦學習、自動學習、可解釋學習、負責任學習等深度學習算法以及全局與本地AI分層技術(shù)和AI空口設計與AI芯片技術(shù)，以確保服務、資源、管理尤其是算力效率及其可信任性。
其應用場景包括物理層自動調(diào)制解調(diào)與信道編譯碼、無線高精定位、移動性管理、網(wǎng)絡靈活部署、網(wǎng)絡服務編排與管理等。
其主要技術(shù)挑戰(zhàn)為云邊端混合聯(lián)邦AI架構(gòu)、網(wǎng)絡全局與本地AI集成、多個AI代理目標對準、可解釋AI算法設計、標簽數(shù)據(jù)自助獲取、數(shù)據(jù)標簽的主動學習、訓練與測試誤差降低。
6.6 超硅計算與通信
超硅計算與通信是指各種后摩爾計算或人腦啟發(fā)計算技術(shù)[19]，包括計算存儲技術(shù)、神經(jīng)神態(tài)計算、量子計算等新型計算、基于石墨烯與碳納米管等新型二維/三維材料的計算技術(shù)、三維異質(zhì)集成、多芯片結(jié)構(gòu)與高速互聯(lián)技術(shù)，以及環(huán)境無線能量采集技術(shù)、極近距離人體無線通信或液態(tài)分子通信、人體大腦與計算機或云接口技術(shù)等。
當然，這些新型計算技術(shù)的可行研究可能需要在6G演進網(wǎng)絡框架中考慮，例如以分子通信[20]（液體或其噴霧的化學通信）和腦云接口[21]（神經(jīng)元細胞突觸與超級大腦云之間的接口）為代表的微觀三維連接技術(shù)。
■ 7 、中興通訊6G創(chuàng)新技術(shù)實例
如何設計滿足上述6G服務需求的6G網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與使能技術(shù)，并通過測試、試驗驗證其技術(shù)可行性，將是中國與全球6G產(chǎn)學研資源的共同使命。中興通訊無線技術(shù)研究團隊圍繞上述6G使能技術(shù)開展了相應關(guān)鍵技術(shù)研究與創(chuàng)新工作，例如服務架構(gòu)無線接入網(wǎng)絡（SBA-RAN）、平滑虛擬小區(qū)技術(shù)（SVC）、智能反射表面MIMO技術(shù)（IRS-MIMO）與增強多用戶共享接入（eMUSA）。這些創(chuàng)新技術(shù)實例不僅可以用于6G網(wǎng)絡設計，同時也可以用于5G演進網(wǎng)絡的需求與功能擴展及其性能提升。
7.1 服務架構(gòu)無線接入網(wǎng)（SBA-RAN）
為支持云原生的6G網(wǎng)絡——包括智能三維連接所需的原生的軟件定義全頻段空中接口和協(xié)議棧、需求和意圖驅(qū)動的多制式空口及不同物理層技術(shù)的靈活演進——有必要在無線接入網(wǎng)側(cè)引入與核心網(wǎng)有效融合的服務架構(gòu)網(wǎng)絡。服務架構(gòu)無線網(wǎng)絡一般設計原則包括：
1） 最小化耦合關(guān)系的模塊化、服務化功能定義和功能劃分；
2） 最大化流程重用，流程本身也是服務；
3） 控制功能和執(zhí)行功能分離，以允許獨立的實現(xiàn)、部署、彈性伸縮和定制；
4） 解耦框架性功能（或平臺性功能）與其上的無線服務功能；
5） 支持按需的“無狀態(tài)”控制功能，其中“無狀態(tài)”是指上下文的使用和存儲是分離的。
無線接入網(wǎng)服務功能不僅包括物理層執(zhí)行功能、物理層控制功能、用戶面執(zhí)行功能、用戶面控制功能和無線連接控制功能，還包括和這些基礎功能相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲功能、數(shù)據(jù)采集功能、智能分析功能和運營功能。無線服務功能可進一步劃分為執(zhí)行平面、控制平面、數(shù)據(jù)平面、智能平面、運營平面。跨平面的多功能協(xié)作，可支持像無線接入網(wǎng)切片之類的高級特性。若大量的租戶需要共享無線接入網(wǎng)基礎設施，則執(zhí)行功能和控制功能可以被運營平面、智能平面的功能所編排和配置，以滿足不同租戶的個性化需求。
SBA-RAN可以支持無線接入網(wǎng)不同功能的獨立演進，它是原生的軟件定義空中接口（SDAI）/協(xié)議（SDP）的使能技術(shù)。
7.2 平滑虛擬小區(qū)（SVC）
SVC通過部署大規(guī)模分布式接入節(jié)點（AP），利用本地化共軛預編碼技術(shù)實現(xiàn)AP間相干上下行傳輸，以用戶為中心的靈活虛擬小區(qū)構(gòu)建，支持幾乎一致的用戶傳輸質(zhì)量而不管它們處于哪個位置，來實現(xiàn)可以消除傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)邊界的平滑切換技術(shù)，旨在解決小區(qū)間干擾問題并提升用戶體驗。
如圖6所示，每個AP配備有少量天線，分布在所需覆蓋區(qū)域內(nèi)，通過前端前傳網(wǎng)絡協(xié)同工作，與一個或多個中央處理器（CPU）相連。在理想情況下，平滑虛擬小區(qū)以時分雙工模式運行，其上行鏈路導頻信號可用于上行和下行鏈路信道估計。
每個用戶享有由大量較佳質(zhì)量的AP構(gòu)造出的虛擬小區(qū)服務，路徑損耗較小且多個信道相互獨立，可以實現(xiàn)大規(guī)模衰落分集，從而解決了常規(guī)共址天線基站的小區(qū)邊緣干擾問題。虛擬小區(qū)包含的AP規(guī)模越大，SVC網(wǎng)絡中的虛擬小區(qū)干擾會更容易被抑制。與此同時，信道硬化的效果使得整個系統(tǒng)的設計得到有效簡化。
CPU主要負責編碼調(diào)制以及資源的調(diào)度分配等功能。下行信息發(fā)送時，在AP處執(zhí)行信號共軛預編碼來避免大量信道狀態(tài)信息（CSI）的交換；上行信息接收時，AP使用本地CSI實現(xiàn)預編碼匹配濾波器、迫零或最小均方誤差等信號檢測處理。每個接入點由天線和用戶設備級射頻模塊組成，這些模塊執(zhí)行數(shù)字操作，例如信道估計、組合/預編碼、插值/抽取、數(shù)字預失真和離散傅立葉變換；因此這對前端網(wǎng)絡傳輸容量提出更高要求。
其主要應用場景包括高頻段超大帶寬通信、一致用戶體驗、低時延超高可靠通信、用戶附近內(nèi)容緩存、網(wǎng)絡密集型計算任務。其關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)包括前端前傳帶寬降低、無小區(qū)初始接入、免調(diào)度隨機接入技術(shù)等。
圖6 平滑虛擬小區(qū)概念框圖
7.3 智能反射表面MIMO技術(shù)（IRS-MIMO）
IRS-MIMO主要應用場景包括高頻覆蓋與服務連續(xù)性改進、MIMO容量和或能效性能改進、人造無線信道環(huán)境。圖7給出IRS-MIMO系統(tǒng)組成框圖，該系統(tǒng)由MIMO基站、基站可控的智能反射表面天線板、用戶終端組成。基站可以通過無線或有線控制信令接口，按需控制智能反射表面天線板輻射信號相位/幅度/極化等配置參數(shù)。處于基站非視距傳播位置且無法接收到基站的直射信號的用戶終端（UE1），可以通過IRS-MIMO天線板接收基站MIMO發(fā)射信號。
圖8與圖9分別給出了高頻段（28 GHz）與低頻段（2.6 GHz）上城市密集街區(qū)樓頂IRS-MIMO天線板主波束對準某一方位時的輻射方向圖，同時給出了IRS-MIMO天線板通過反射基站MIMO信號在原基站非直射區(qū)域的接收信號強度仿真結(jié)果。結(jié)果顯示，該基站原來的覆蓋盲區(qū)街道上目標覆蓋區(qū)域的信號得到了增強，從而擴展了基站MIMO的覆蓋。需要被進一步研究的IRS-MIMO技術(shù)問題包括：IRS-MIMO信道建模；IRS天線板的面板配置參數(shù)設計，及其對MU-MIMO能效、容量或譜效影響的定量評估；基站與反射信號聯(lián)合優(yōu)化的MU-MIMO算法優(yōu)化設計等等。
IRS：智能反射表面
MIMO：多輸入多輸出
UE：用戶終端
H1/2/3：分別代表基站與智能反射表面、智能反射表面與終端、基站與終端之間的信道
圖7 IRS-MIMO系統(tǒng)室外覆蓋擴展
圖8 28 GHz頻段智能反射表面（IRS）面板立體方向圖（單位：dBi）與IRS對基站信號的反射信號強度分布（單位：dBm）
圖9 2.6 GHz頻段智能反射表面（IRS）面板三維方向圖（單位：dBi）與IRS對基站信號的反射信號強度分布（單位：dBm）
7.4 增強多用戶共享接入（eMUSA）
隨著未來通信技術(shù)從人的通信轉(zhuǎn)變?yōu)槲锏耐ㄐ拧⑾滦袨橹鬓D(zhuǎn)變?yōu)樯闲袨橹�、基站為中心轉(zhuǎn)變?yōu)槿ブ行幕�，傳統(tǒng)的接入技術(shù)將無法滿足海量連接和實時傳輸?shù)男枨�；因此，eMUSA技術(shù)[22]應運而生。eMUSA是一種輕量級和即時的多用戶傳輸技術(shù)。圖10給出了eMUSA技術(shù)愿景、特性與技術(shù)實現(xiàn)。
eMUSA可以應用在大規(guī)模機器通信（mMTC）場景，簡化傳輸交互流程，省去海量用戶調(diào)度的巨大開銷，從而實現(xiàn)高過載和高譜效的小包傳輸和低成本的終端設計。eMUSA也可以應用在超可靠低時延通信（URLLC）場景，減少調(diào)度造成的延時，并且可以支持無設施的端到端傳輸，以保障傳輸?shù)姆�(wěn)健性。另外，eMUSA無需中心節(jié)點的調(diào)度，就可以滿足未來以用戶為中心的6G網(wǎng)絡架構(gòu)要求。
在免調(diào)度的場景，多用戶傳輸無法保證嚴格正交，eMUSA采用基于功率域、碼域和空域的非正交技術(shù)來區(qū)分不同的用戶。為了避免導頻碰撞，eMUSA支持無須導頻的純數(shù)據(jù)傳輸。eMUSA利用數(shù)據(jù)的先驗知識進行用戶檢測、均衡、時頻偏估計等信號處理，并且針對物聯(lián)網(wǎng)采用創(chuàng)新的波形設計來支持低峰均比（PAPR）。當接收天線數(shù)很多時，基于數(shù)據(jù)的方案對于空域合并比的搜索空間太大、復雜度高。在這種場景下，eMUSA采用增強的導頻設計來減小導頻碰撞。和傳統(tǒng)的非正交導頻不同，eMUSA采用部分正交的導頻設計以減小接收端的復雜度，降低鄰小區(qū)干擾和抵抗時頻偏。另外，由于接入的用戶數(shù)是完全隨機的，eMUSA可以借助分集和干擾消除技術(shù)來平均不同時刻上的用戶干擾，以獲得更加可靠的性能。
mMTC：大規(guī)模機器通信
URLLC：超可靠低時延通信
圖10 eMUSA愿景、特性及技術(shù)實現(xiàn)
■ 8、總結(jié)與展望
終端與應用創(chuàng)新始終是移動網(wǎng)絡“跳躍式”發(fā)展的動力，例如智能手機、社交網(wǎng)絡與用戶短視頻；而受限于光波處理算法與終端算力，AR/虛擬現(xiàn)實（VR）/XR終端尚未“再現(xiàn)”智能手機的成功。未來新型服務終端、超硅與非馮諾依曼計算、5G競爭技術(shù)的比較創(chuàng)新，將在很大程度上決定6G需求、架構(gòu)與技術(shù)創(chuàng)新的性質(zhì)是“演進”還是“革命”。其中，超硅計算既是6G最大挑戰(zhàn)，也是6G潛在機會；石墨烯與碳納米管等新型材料科學、神經(jīng)生態(tài)計算、量子計算、人腦科學等基礎研究，將幫助6G發(fā)現(xiàn)并使用維持摩爾定律高速發(fā)展的計算技術(shù)。
當然，網(wǎng)絡側(cè)技術(shù)創(chuàng)新的目標始終是：更高的頻段和或帶寬，更高的頻譜、空間、接入、能量、成本、冗余、鏈路、拓撲、密集部署、管理與編排、計算效率。6G自治自動網(wǎng)絡架構(gòu)、智能三維連接、智能大規(guī)模天線陣、按需網(wǎng)絡拓撲、按需網(wǎng)絡計算是實現(xiàn)上述網(wǎng)絡側(cè)技術(shù)創(chuàng)新目標的潛在候選技術(shù)。其中，空地通信融合組網(wǎng)、平滑虛擬小區(qū)、智能反/透射表面MIMO技術(shù)、大約1～10 GHz帶寬的太赫茲通信、通信傳感集成技術(shù)、增強多用戶共享接入等Pre6G技術(shù)將可能率先在5G演進網(wǎng)絡中得到應用。
面向2020—2023年B5G與6G研究窗口，中興通訊將立足2G、3G、4G與5G 大規(guī)模商用網(wǎng)絡的連接技術(shù)積累，與全球6G產(chǎn)學研創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)互相合作，為5G向6G網(wǎng)絡的長期演進貢獻更多更強的Pre6G創(chuàng)新技術(shù)。6G商用雖然遙遠，Pre6G技術(shù)正在向5G走來！
■ 致謝
本文第8章的主要貢獻人包括中興通訊股份有限公司無線經(jīng)營部陳藝戩、馬一華、竇建武、謝峰、袁志峰與彭琳，在此表示特別感謝！同時，郁光輝、向際鷹博士在本文起草中提出指導意見，在此一并感謝！
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■ 作者簡介：
方敏：中興通訊股份有限公司無線經(jīng)營部6G研究與合作總監(jiān)、清華大學信息與通信系統(tǒng)專業(yè)工學博士；長期從事下一代無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、標準化與專利保護工作，現(xiàn)專門從事6G新服務、新頻譜、新結(jié)構(gòu)與新技術(shù)相關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)研究工作；曾率領中興通訊無線標準團隊全程參與并完成3GPP R8 LTEFDD與EPC標準技術(shù)規(guī)范的研究與起草工作，并對5G關(guān)鍵技術(shù)可行性研究做出突出貢獻，其中Pre5G大規(guī)模天線陣技術(shù)獲得2016年世界移動大會雙項技術(shù)大獎；參與發(fā)表1部5G專著并獲多項發(fā)明專利。
段向陽：中興通訊股份有限公司無線架構(gòu)總經(jīng)理、國家重大專項專家組成員、未來移動通信論壇副理事長；負責中興通訊無線系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)規(guī)劃與創(chuàng)新，擁有超過20年的移動通信關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗；獲得中國電子學會科技進步一等獎1次、深圳市科技進步一等獎2次；發(fā)表IEEE專題論文1篇，獲得國家發(fā)明專利15項。
胡留軍：中興通訊股份有限公司無線經(jīng)營部算法部副部長、工程博士；從事移動通信技術(shù)研究和管理工作20余年，主要研究方向包括系統(tǒng)功率控制、編碼調(diào)制技術(shù)、物理層處理流程設計、超密集組網(wǎng)技術(shù)以及網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化等；主持了TD-LTE-Advanced 技術(shù)標準研發(fā)與驗證、5G熱點高容量組網(wǎng)技術(shù)與試驗系統(tǒng)研發(fā)等多項國家級重大項目研究，曾獲得廣東省專利金獎、廣東省科學技術(shù)獎二等獎等獎項；發(fā)表論文和專利百余篇。
