6G无线网络研究白皮书：愿景/使能技术与新应用范式

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前言................................................................................................................................................... I
目录.................................................................................................................................................III
图目录..............................................................................................................................................V
表目录.............................................................................................................................................VI
1 c4 g5 ?7 {: Z  h; |& u一、6G 无线通信网络的发展背景.................................................................................................1
! S( L3 Q; t) d  E二、6G 性能指标、应用场景和垂直行业应用示例.....................................................................5
2.1 6G 性能指标和应用场景...................................................................................................5
2.2 垂直行业应用示例............................................................................................................8
0 c% J5 s5 I9 Z/ Y' N2.2.1 云虚拟现实.............................................................................................................8
! Z% n' ^9 g- Q& L8 W2 t2.2.2 物联网工业自动化...............................................................................................10
# U1 F2 j! D7 y6 T' A( J2.2.3 蜂窝车联网...........................................................................................................11
2.2.4 数字孪生体域网...................................................................................................13
& R4 n; B: @  I/ e& d2.2.5 高能效无线网络控制与联邦学习系统...............................................................15
三、6G 使能技术...........................................................................................................................17
3.1 6G 空口与传输技术.........................................................................................................17
3.1.1 新的波形设计.......................................................................................................17
3.1.2 多址接入...............................................................................................................19
' M; t$ o8 b1 H/ @9 i- u6 [3.1.3 信道编码...............................................................................................................20
3.1.4 无蜂窝大规模 MIMO ..........................................................................................24
3.1.5 动态智能频谱共享与接入...................................................................................25
+ b5 ~0 `* |5 i7 O3.1.6 基于区块链的无线接入网络...............................................................................26
6 U) B) n* o* L: E3.1.7 光子定义无线电...................................................................................................27
$ i( A6 s* i! T" n4 e3.1.8 关键任务 uRLLC..................................................................................................29
3.2 6G 网络架构.....................................................................................................................30
8 ]/ \5 W6 i: k: b3 u3 n$ X3.2.1 软件定义网络/网络功能虚拟化..........................................................................30
0 A5 _+ y% T. J5 H, X- ~3.2.2 网络切片及其演进...............................................................................................34
3.2.3 基于服务的网络架构及其演进...........................................................................35
4 b& Z" z/ K( h2 A! _3.2.4 认知服务架构.......................................................................................................36
3.2.5 深度边缘节点和网络（DEN2） .........................................................................37
3.2.6 无蜂窝架构...........................................................................................................38
3.2.7 云/雾/边缘计算.....................................................................................................41
7 U$ S1 H/ p" ~+ A3 S# f+ r# h/ N四、6G 新的范式转变...................................................................................................................45
  b( q9 S* q+ [+ Q- }3 a4.1 全覆盖：空天地海一体化网络......................................................................................45
4.1.1 卫星通信网络.......................................................................................................45
& a- ^/ o9 {* K0 `2 X4.1.2 无人机通信网络...................................................................................................46
4.1.3 海洋机器类通信网络...........................................................................................48
% q1 `3 ]  s& N4.1.4 空天地海一体化网络...........................................................................................50
4.2 全频谱：Sub-6 GHz、毫米波、太赫兹、光频段........................................................53
* I$ ?: G! }& C+ T" G4.2.1 Sub-6 GHz 频段.....................................................................................................53
4.2.2 毫米波频段...........................................................................................................54
2 N& \7 R0 U) v4.2.3 太赫兹频段...........................................................................................................55
4.2.4 光频段...................................................................................................................58
) y$ a9 i2 [" I$ y) I7 J4.2.5 5G 及 5G 之后的信道测量与模型.......................................................................60
4.3 全应用：AI 使能的无线通信网络.................................................................................65
4.3.1 AI 及机器学习技术概述.......................................................................................65
" O) {; C: {  [  K- A) L) E# x6 I4.3.2 物理层应用...........................................................................................................66
" A9 d! f* f- w! r/ E8 p4.3.3 上层应用...............................................................................................................68
4.3.4 资源分配应用.......................................................................................................69
  O  n' W' q8 T" N/ ~4.3.5 智能内生网络（IEN）........................................................................................71
4.3.6 面向 6G 的信息、通信与数据技术融合............................................................72
4.4 内生安全..........................................................................................................................74
) @# v0 D, V- Z( y4 x2 f4.4.1 现状和主要问题...................................................................................................74
4.4.2 6G 中的网络安全隐患问题..................................................................................77
4.4.3 6G 网络安全和隐私问题的可能对策..................................................................78
( @7 M2 M) B4 V五、总结与展望.............................................................................................................................81
3 D' Z2 o9 G7 w六、附录.........................................................................................................................................83
( t( a) E3 ?+ a: O4 _6.1 缩略语..............................................................................................................................83
参考文献.........................................................................................................................................92

! `- |0 q! I; _7 P7 _0 ?+ r! g- C! O一、6G 无线通信网络的发展背景
自 2020 年起，第五代（5G）无线通信标准化工作进入尾声并开始在全球部署。5G 的三大应用场景包括增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类通信（mMTc）与高可靠低时延通信（uRLLC）。5G 的关键性能指标（KPI）包括 20 Gbps 的峰值速率、0.1 Gbps 的用户体验速率、1 ms 端到端时延、500 km/h 的移动速度支持、每平方千米 100 万设备的连接数密度、10 Mbps/m2 的流量密度、3 倍于第四代（4G）无线通信系统的频效，以及 100 倍于 4G 的能效。业界已提出了多种关键技术来达到 5G 的性能指标，例如毫米波（mmWave）、大规模多输入多输出（MIMO）、超密集网络（UDN）等。
但是，5G 将不能满足 2030 年之后的未来网络需求。研究人员开始着眼于第六代（6G）无线通信网络的研发。5G 的一个显著特点是低时延，更准确地说是保障/确定性时延，这需要通过确定性网络（DetNet）来保障未来用例需求的准时、准确的端到端时延。6G 对时间和相位同步的精确度提出了更多更高的需求，这是 5G 所不能满足的。除此之外，6G 还将提供接近 100%的全球覆盖、亚厘米级的定位精度和毫秒级的定位更新速率以满足未来应用需求。由于 5G 网络仅局限于一些典型场景，某些偏远地区还不能很好地覆盖，限制了无人驾驶等应用。非陆地网络，特别是卫星通信网络，由于其成本低、无缝接入、泛在服务能力的优势，可以作为陆地网络的有效补充。无人机通信网络由于其快速响应的特点，在严酷艰难的环境中尤为重要。海洋通信网络可以为船只提供高质量的通信服务。5G 毫米波可以提供 Gbps 级的数据传输速率，但对于高质量三维（3D）视频、虚拟现实（VR）、虚拟现实与增强现实（AR）混合等应用，需要 Tbps 级的数据传输速率，太赫兹（THz）和光频段将是可用的候选频段。由于面临大量天线单元、大带宽、新的服务需求产生的海量数据，6G 网络需要借助人工智能（AI）与机器学习（ML）算法，实现一系列智能应用。网络自动化将在多个方面进一步提升网络的性能，例如服务质量（QoS）、用户体验质量（QoE）、安全性、故障管理、能效等方面。
直到 5G 时代，网络流量仍然以视频或流媒体应用为主。除了上面提及的应用和需求，以 5G 触觉互联网应用[2]为代表的类机器人对象的无线网络控制（例如自动驾驶或工厂物流）将成为无线技术新的重要应用领域，但同时面临诸多挑战。当分析由这些应用产生的网络流量时，许多移动终端必须共享传感与控制信息，这给中央式控制系统带来了巨大负担。目前，基于 AI 的分布式控制系统正受到越来越多关注，其中联邦学习被认为是一种可行的方法，数据集相关算法分布于移动终端上，聚合学习在云端完成。这一应用产生了一类全新的网络流量，具有大带宽和极其多样的时延需求。这类应用以及相关的 AI 应用将很有可能主导 6G 的网络流量需求。这是一片未知的探索领域，机遇与挑战并存！与 5G 网络相比，6G 无线通信网络有望提供更高的频谱/能量/成本效率、更高的传输速率（Tbps 级）、10 倍以上的更低时延、100 倍以上的连接数密度、全自动的更高智能化水平、亚厘米级的定位精度、接近 100%的覆盖率，以及亚毫秒级的时间同步。新的空口与传输技术对于获得高频效和高能效十分必要，这包括新的波形设计、多址接入方式、信道编码方案、多天线技术，以及这些技术的有机结合。同时，需要设计新的网络架构，例如软件定义网络（SDN）/网络功能虚拟化（NFV）、动态网络切片、基于服务的网络架构（SBA）、认知服务架构（CSA）以及无蜂窝架构等。
2 i9 |" M" {7 L3 s  G# I; c( K9 J  f另一方面，软件化伴随着相应的代价，正如我们从 5G 部署所得知的一样。商用现成品（COTS）服务器的使用与虚拟化无线接入网（RAN）中的特定领域芯片带来了能量消耗的大幅增加，由此需要更为高能效的新对策。虽然 5G 网络消耗的能量多于 4G 网络，但是提供了更大的带宽，从而使得 5G 传输单位数据使用的能耗小于 4G。因此，新一代无线网络的能耗不应超过上一代的能量需求。为此，6G 需要新的计算范式来获得软件化的所有优点而不增加总体能量消耗。以云计算、雾计算、边缘计算为代表的计算技术对于保障网络韧性、分布式计算与处理能力、低时延与时间同步十分重要。为了解决 5G 包括短包缺陷在内的限制，提供高可靠性、低时延、高传输速率服务、系统覆盖率、万物互联（IoE），满足 2030 年及之后的移动通信需求，6G 网络必须将以人为中心作为发展愿景，而非以机器、应用或数据为中心。为了满足这些需求，6G 无线通信网络将会产生新的范式转换。我们对于 6G 网络的发展愿景如图 1 所示。首先，6G 无线通信网络将会是空天地海一体化网络，用于提供深度全球覆盖。卫星通信、无人机通信、海洋通信将极大扩展无线通信网络的覆盖范围。为了提供更高的数据传输速率，包括 sub-6 GHz 频段、毫米波、太赫兹、光频段在内的全频谱资源将会被充分挖掘。为了实现全应用愿景，AI 与机器学习技术将与 6G 无线通信网络高效融合以实现更好地网络管理与自动化。此外 AI 技术可以实现网络、缓存、计算资源的动态调配以提高下一代网络的性能。还有一个重要趋势是强安全或内生安全，包括物理层与网络层安全，这在构建网络之初就要考虑。垂直行业应用，诸如云虚拟现实、物联网工业自动化、蜂窝车联网（C-V2X）、数字孪生体域网，以及高能效无线网络控制与联邦学习系统将极大促进 6G 无线通信网络的发展。6G 无线通信网络概述如图 2 所示，图中给出了 6G 的各种性能指标、应用场景、使能技术、新的范式转换，以及垂直行业应用。
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看一看，学一学。\(^o^)/~

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学一学。\(^o^)/~