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　　0  引言

　　面向2030年及未來，人類社會將進(jìn)入智能化時代。社會服務(wù)均衡化、高端化，社會治理科學(xué)化、精準(zhǔn)化，社會發(fā)展綠色化、節(jié)能化將成為未來社會的發(fā)展趨勢[1]。移動通信的代際躍遷不僅深刻變革了人們的生活方式，更將成為社會經(jīng)濟(jì)數(shù)字化和信息化水平加速提升的新引擎。

　　當(dāng)前，全球主要國家已啟動了面向新一代移動通信系統(tǒng)（6G）的研究，業(yè)界正在積極探索未來IMT系統(tǒng)的應(yīng)用場景和主要性能指標(biāo)，并開展?jié)撛陉P(guān)鍵技術(shù)預(yù)研。國際電信聯(lián)盟無線電通信部門5D工作組（ITU-R WP5D）在2022年6月份第41次會議期間完成了《未來技術(shù)趨勢研究報告》[2]，并計劃將于2023年6月完成《未來IMT愿景需求建議書》[3]。

　　本文結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外研究進(jìn)展，在6G總體愿景的基礎(chǔ)上，重點提出了未來6G典型應(yīng)用場景和主要能力指標(biāo)，并對業(yè)界重點關(guān)注的創(chuàng)新型潛在關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

　　1  6G總體愿景

　　面向2030年及未來，在社會宏觀發(fā)展進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量提升以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等因素的共同驅(qū)動下，人類社會將進(jìn)入智能化時代，全新的場景及應(yīng)用需求將極大拓展移動通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的能力邊界，6G將有效服務(wù)智能化生產(chǎn)與生活，助力構(gòu)建智能普惠的人類社會。6G將與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)加速融合；將充分利用低中高全頻譜資源，滿足不同場景及業(yè)務(wù)應(yīng)用需求；將實現(xiàn)空天地一體化的全球無縫立體覆蓋，隨時隨地滿足安全可靠的“人機(jī)物”無限連接需求。6G將為沉浸式云XR、全息通信、感官互聯(lián)、智慧交互、通信感知、普惠智能、數(shù)字孿生、全域覆蓋、精密機(jī)器控制等5G網(wǎng)絡(luò)難以實現(xiàn)的全新業(yè)務(wù)應(yīng)用提供能力支撐，助力實現(xiàn)真實環(huán)境中物理實體的數(shù)字化和智能化，并滲透至生產(chǎn)生活及社會治理的方方面面，實現(xiàn)世間萬物“萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生”的總體愿景[1]。

　　2  6G的5個典型場景

　　增強(qiáng)型移動寬帶、超可靠和低延遲通信、大規(guī)模機(jī)器類型通信是5G的三大典型場景，預(yù)計面向2030年及以后的6G將在三大典型場景基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)展（見圖1）。6G不僅將提供以人為中心的沉浸式交互體驗和高效可靠的物聯(lián)網(wǎng)場景，服務(wù)范圍也將擴(kuò)展至全球立體覆蓋。此外，6G還將超越傳統(tǒng)通信的能力邊界，擴(kuò)展感知服務(wù)和智能化服務(wù)的新場景[4]。面向2030年及以后，6G的典型場景描述如下。

圖1  從5G到6G的典型場景演進(jìn)

　　2.1  超級無線寬帶

　　超級無線寬帶將是5G增強(qiáng)型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）的演進(jìn)和擴(kuò)展，不僅將極大提升以人為中心的沉浸式通信體驗，也將在全球任意地點實現(xiàn)無縫覆蓋。超級無線寬帶場景將廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、工作、教育、娛樂等多個領(lǐng)域，提升人們的生活質(zhì)量和社會效率。

　　以人為中心的通信（如沉浸式XR、通感互連、全息通信和遠(yuǎn)程操控）以及以機(jī)器為中心的通信（如視頻監(jiān)測控制和工業(yè)機(jī)器人觸覺反饋等）在熱點部署的場景下將對峰值速率、用戶體驗速率、系統(tǒng)容量提出更高的要求。同時，還需要時延的降低和穩(wěn)定性的提升以獲得更好的用戶體驗。全域覆蓋意味著全時全地域的寬帶接入能力，在空天地一體化三維立體網(wǎng)絡(luò)中提供無縫切換、高移動性和高質(zhì)量用戶體驗。此外，超級移動寬帶也需要提供更高的頻譜效率，在移動高清視頻直播、飛機(jī)、輪船或高鐵等高移動性場景下保證高質(zhì)量的用戶體驗。

　　2.2  極其可靠通信

　　極其可靠通信將在5G低時延高可靠通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)能力。典型應(yīng)用包括智能化工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人協(xié)作、無人機(jī)群和各種人機(jī)實時交互操作，智能交通系統(tǒng)中的全功能自動駕駛，精準(zhǔn)醫(yī)療中的個性化“數(shù)字人”及遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)，以及智慧能源、智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用等。

　　除了要求更低的時延和更高的可靠性之外，也將新增抖動等確定性要求。此外，某些情景下還需要同時具備高速數(shù)據(jù)傳輸和超高精度定位的能力。

　　2.3  超大規(guī)模連接

　　超大規(guī)模連接將在5G大規(guī)模機(jī)器類型通信的基礎(chǔ)上，拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域和能力邊界。超大規(guī)模連接的對象將包括智慧城市、智慧生活、智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)和智能制造中部署的各類設(shè)備。典型應(yīng)用有遠(yuǎn)程抄表、環(huán)境監(jiān)測、智能燈桿互連等。此外，未來數(shù)字孿生世界將通過部署大量傳感器實現(xiàn)，通過日常生活中的各類設(shè)備采集并傳送豐富信息，數(shù)字孿生城市將廣泛具備海量數(shù)據(jù)采集、高精度圖像構(gòu)建、高清視頻監(jiān)控的應(yīng)用。

　　超大規(guī)模連接的場景特點是連網(wǎng)設(shè)備數(shù)量巨大，但多數(shù)可能僅產(chǎn)生零星散發(fā)的流量。與5G中僅支持大規(guī)模設(shè)備的低速率傳輸相比，6G超大規(guī)模連接設(shè)備的傳輸速率可能從低到高不等。數(shù)據(jù)包的傳遞頻次根據(jù)具體應(yīng)用也存在較大差異，從一天一次到幾毫秒一次。不同采集能力的傳感器，其壽命也會存在較大差異。同時，這一場景在某些用例下也需要支持高精度定位、高可靠性和低時延能力。

　　2.4  普惠智能服務(wù)

　　普惠智能服務(wù)是6G的新增典型場景，通過網(wǎng)絡(luò)為需要進(jìn)行高效分布式AI學(xué)習(xí)或推理的智能化服務(wù)提供集成化的通信和AI計算能力。它不僅將服務(wù)于特定應(yīng)用，還將服務(wù)于未來整個通信系統(tǒng)，以提高網(wǎng)絡(luò)整體的性能和效率。在這個典型場景中，網(wǎng)絡(luò)中的大量智能體將聯(lián)合執(zhí)行復(fù)雜的AI訓(xùn)練和推理任務(wù)，從而充分利用移動邊緣（包括設(shè)備中）的智能算力，使社會各個角落享受到快捷和靈活的智能服務(wù)。此場景的典型應(yīng)用包括數(shù)字孿生數(shù)據(jù)訓(xùn)練和推理過程中的圖像識別、生成和預(yù)測，執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人協(xié)作，以及智能交互中人類和機(jī)器之間知識傳遞和技能模式積累。

　　普惠智能服務(wù)以提供AI學(xué)習(xí)和推理為目標(biāo)，除了通信方面的大容量和低時延要求外，此場景還需要一組與AI計算性能直接相關(guān)的能力指標(biāo)，如收斂時間、聯(lián)合通信和計算的能效、訓(xùn)練效率和準(zhǔn)確性、推理效率和準(zhǔn)確性等。此外，實現(xiàn)原生可信的網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)隱私保護(hù)也是此場景的重要條件。

　　2.5  通信感知融合

　　通信感知融合是6G新增典型場景。感知和通信的集成將提供成像、制圖和定位等超越傳統(tǒng)通信的能力，極大促進(jìn)超高分辨率和精度的應(yīng)用需求，如超高精度定位、高分辨率實時無線地圖構(gòu)建、基于設(shè)備甚至無設(shè)備的被動目標(biāo)定位、環(huán)境重建和監(jiān)控、手勢和動作識別、產(chǎn)品缺陷監(jiān)控、訪客識別等。此外，通信感知融合也將有助于提高通信的性能和效率，例如，通過考慮用戶移動軌跡和環(huán)境變化來優(yōu)化無線資源利用率。通信感知融合可以廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，為車聯(lián)網(wǎng)、智能工廠等提供更好的服務(wù)。

　　這一場景增加了新的性能維度要求，如（范圍、速度、角度）的感知分辨率和感知精度、檢測概率、高精度定位等，其要求因應(yīng)用而異。對于定位和重建功能，需要超高精度和分辨率；對于成像功能，超高分辨率是關(guān)鍵；對于手勢和活動識別，檢測概率是首要因素。綜上所述，未來6G的5個典型場景及其特征性業(yè)務(wù)如圖2所示。

圖2  6G五大典型場景

　　3  主要能力指標(biāo)

　　為了支撐并實現(xiàn)未來6G的五大場景，未來IMT系統(tǒng)的主要能力指標(biāo)可以看作是在5G指標(biāo)體系基礎(chǔ)上的進(jìn)一步增強(qiáng)和擴(kuò)充。6G能力既有傳統(tǒng)通信性能指標(biāo)方面的提升，提供更高速率、更多連接、更低時延、更高精度、更廣覆蓋、更高可靠性，也有在傳統(tǒng)移動通信基礎(chǔ)能力之外新增添的感知和人工智能等新的能力維度，以支持通信感知融合和普惠智能這兩個新典型場景的應(yīng)用需求?？紤]到我國ICT技術(shù)賦能減排，預(yù)計2040年6G網(wǎng)絡(luò)的能量效率相比2022年移動通信網(wǎng)絡(luò)需提升約20 倍[4]。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)維護(hù)成本和安全方面，也將有更高的要求。

　　6G的主要指標(biāo)體系，可看作由可量化指標(biāo)（如峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、連接數(shù)密度、區(qū)域流量密度、覆蓋范圍、移動性、時延和抖動、可靠性、能量效率、AI能力相關(guān)指標(biāo)、感知/定位能力相關(guān)指標(biāo)等）和非量化指標(biāo)（如成本控制、可信度等）共同構(gòu)成。

　　6G可量化指標(biāo)的初步考慮以及與5個典型場景的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。在非量化指標(biāo)方面，信息技術(shù)的跨界融合和服務(wù)場景多樣化對網(wǎng)絡(luò)安全提出新的挑戰(zhàn)，需要從設(shè)計初始就構(gòu)建一張能夠滿足安全泛在、持久隱私保護(hù)、智能韌性的可信網(wǎng)絡(luò)。此外，構(gòu)建低成本的柔性、至簡、孿生自治網(wǎng)絡(luò)是6G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的目標(biāo)[5]，6G研發(fā)的過程中需要考慮網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本、運營成本和維護(hù)成本，把低成本也作為設(shè)計目標(biāo)之一。

圖3  6G可量化指標(biāo)取值范圍與典型場景的對應(yīng)關(guān)系

　　4  6G主要關(guān)鍵技術(shù)舉例

　　為滿足面向2030年未來6G網(wǎng)絡(luò)性能需求，需要傳統(tǒng)無線空口技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)以及新技術(shù)維度的突破。從2022年6月ITU完成的未來技術(shù)趨勢研究[2]來看，目前業(yè)界重點關(guān)注的6G潛在使能技術(shù)主要包括人工智能與無線通信的融合、感知通信融合、新維度無線通信（智能超表面等）、太赫茲通信、無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及傳統(tǒng)的無線空口技術(shù)的持續(xù)增強(qiáng)。本文選取了具有發(fā)展?jié)摿Φ闹攸c技術(shù)，舉例分析6G關(guān)鍵技術(shù)特征及未來探索方向。在這些關(guān)鍵技術(shù)能力的支持下，未來6G網(wǎng)絡(luò)能力將得到極大提升，支撐典型場景及業(yè)務(wù)體驗的實現(xiàn)。

　　4.1  人工智能與無線通信的融合

　　通信技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合將成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢，人工智能技術(shù)在建模與學(xué)習(xí)、信道預(yù)測、智能信號生成與處理、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)跟蹤與智能調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署等諸多方面具有重要的應(yīng)用潛力，催生未來通信范式的演變和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革。面向2030年及以后IMT系統(tǒng)的架構(gòu)、協(xié)議和算法設(shè)計將深入挖掘并充分利用無線大數(shù)據(jù)的信息。同時，隨著移動通信基站、邊緣服務(wù)器和智能設(shè)備的廣泛部署，移動通信網(wǎng)絡(luò)將為數(shù)據(jù)收集、存儲、交換和計算提供強(qiáng)大的平臺，進(jìn)一步支撐移動分布式和協(xié)作式的人工智能應(yīng)用。

　　在空口技術(shù)方面，發(fā)送和接收端將直接通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信信號的處理和傳輸，物理層通信將被看作一個端到端的信號重構(gòu)過程，聯(lián)合優(yōu)化通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。智能空口技術(shù)有待進(jìn)一步研究的方向包括：人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)在信號檢測、編解碼、波束選擇、天線配置方面的設(shè)計和應(yīng)用，智能化信道估計，跨層協(xié)作的算法設(shè)計，基于人工智能的無線資源管理訓(xùn)練和推理等。

　　在無線接入架構(gòu)方面，人工智能原生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將支持網(wǎng)絡(luò)提供自動化和智能化服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)特定要求/目標(biāo)/命令或環(huán)境變化進(jìn)行自動優(yōu)化和調(diào)整。未來的無線接入網(wǎng)絡(luò)還將通過監(jiān)控和跟蹤網(wǎng)絡(luò)狀況，以自動化的方式診斷和修復(fù)出現(xiàn)的問題，實現(xiàn)全生命周期的自主性管理。可能的研究方向涉及高層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如：智能數(shù)據(jù)獲取和管理、用戶反饋引入網(wǎng)絡(luò)的決策過程、控制面和用戶面設(shè)計支持普適計算節(jié)點、分布式人工智能系統(tǒng)的中心控制、按需提供的能力、自適應(yīng)解決方案等。

　　4.2  感知通信融合

　　在未來的通信系統(tǒng)中，更高的頻段（例如從毫米波到太赫茲）、更寬的帶寬、更密集的部署、更大的天線陣列，以及人工智能和通信節(jié)點之間的協(xié)作，都為在通信系統(tǒng)中集成無線感知能力提供了可能。感知通信一體化系統(tǒng)的設(shè)計理念，是讓無線感知和無線通信兩個功能在同一系統(tǒng)中實現(xiàn)且互惠互利。

　　在一體化設(shè)計中，技術(shù)發(fā)展可以分為通信和感知從松耦合到完全一體化的幾個不同階段[7]。作為起點，通信和感知系統(tǒng)共享頻譜和硬件等資源，在感知和通信模塊之間開發(fā)有效的調(diào)度和協(xié)調(diào)算法以最大限度地減少相互干擾是一個關(guān)鍵問題。隨著進(jìn)一步的發(fā)展，通信和感知將協(xié)同工作以提高整體系統(tǒng)的性能。信號處理的集成，例如時域、頻域和空間域的處理技術(shù)，可以為感知和通信服務(wù)進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計。這一階段的潛在技術(shù)方向?qū)ɑ诼?lián)合波形的空口設(shè)計、統(tǒng)一的波束賦形方案等，這對于提高一體化系統(tǒng)的效率至關(guān)重要。邁向成熟階段，通信和感知將在頻譜、硬件、信令、協(xié)議、組網(wǎng)等多個維度上協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)相互促進(jìn)、互利共贏。進(jìn)一步結(jié)合人工智能、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和多節(jié)點協(xié)同感知等技術(shù)，通信感知一體化系統(tǒng)將提升整體系統(tǒng)性能和成本、降低系統(tǒng)的尺寸和功耗。

　　未來的研究方向包括基礎(chǔ)理論、信道模型、一體化信號波形、數(shù)據(jù)處理算法、聯(lián)合定位和感知設(shè)計以提高定位和感知精度，以及感知輔助通信等[6]。

　　4.3  智能超表面

　　智能超表面（Reconfigurable Intelligence Surface，RIS）通過實時可編程的人工電磁表面來調(diào)整電磁波傳播中的相位、幅度、頻率和極化等信道參數(shù)，從而實現(xiàn)對無線環(huán)境的動態(tài)控制。RIS使無線環(huán)境從被動變?yōu)橹悄軈⑴c者，使得信道“可編程”。此外，還具有成本低、功耗低、易于部署的特點。RIS將挑戰(zhàn)基本的無線系統(tǒng)設(shè)計范式，可能影響無線系統(tǒng)架構(gòu)、接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展。RIS的適用場景包括：實現(xiàn)NLOS場景下的全復(fù)用增益，支持熱點區(qū)域，提升小區(qū)容量；擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，包括室外下行覆蓋和上行增強(qiáng)、室外到室內(nèi)覆蓋、航空沿線覆蓋等；提高小區(qū)邊緣性能,并幫助減輕多小區(qū)同頻干擾。

　　未來需要研究的內(nèi)容包括：信道模型；RIS 輔助通信系統(tǒng)的基本限制和潛在收益，以確定RIS相比傳統(tǒng)中繼和不可重構(gòu)無源反射結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢部署場景；無源波束賦行設(shè)計；由于缺少射頻傳輸鏈路，需要考慮新的信道估計方法；材料研究和硬件實現(xiàn)；RIS的實時控制協(xié)議和對整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響等。

　　4.4  太赫茲通信技術(shù)

　　太赫茲波指位于100 GHz到10 THz頻率范圍內(nèi)的電磁波，它同時具有微波和光波的通信特征。憑借豐富的頻率資源，太赫茲通信可以支持超高的通信速率，應(yīng)用于全息通信、中短距無線接入和數(shù)據(jù)回傳/前傳等具有超高速率傳輸需求的場景，以及微尺寸通信等新型通信應(yīng)用場景。此外，利用太赫茲通信信號的超大帶寬，高精度定位和高分辨率感知成像也是太赫茲通信的重要應(yīng)用場景。

　　在IMT系統(tǒng)中應(yīng)用太赫茲頻段存在一些眾所周知的挑戰(zhàn)，例如高頻段的高傳輸損耗。此外，太赫茲信號更容易受到不同類型障礙物（例如人、墻、車輛等）的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的分析，發(fā)展太赫茲技術(shù)需要在以下方向進(jìn)行深入研究。

　?。?）超高速基帶信號處理：需要考慮低量化精度信號處理技術(shù)，探索新的信號處理體制架構(gòu)、空口架構(gòu)和算法、低性能部件的補(bǔ)償算法等。

　?。?）超大規(guī)模陣列天線技術(shù)：發(fā)展小型化和陣列化的超大規(guī)模太赫茲MIMO。

　?。?）信道測量和建模：傳播損耗模型、太赫茲電磁波物理傳播機(jī)理、太赫茲信道建模方法等。

　?。?）太赫茲關(guān)鍵電路/器件技術(shù)，以滿足低功耗、高效率、長壽命等商用需求。

　　4.5  無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和復(fù)雜性的不斷提高，未來無線網(wǎng)絡(luò)將以強(qiáng)化功能、簡化架構(gòu)、即插即用為設(shè)計目標(biāo)，以基于服務(wù)和用戶為中心，提供滿足用戶特定要求的按需能力。網(wǎng)絡(luò)中的泛在AI將用于提升網(wǎng)絡(luò)性能、降低部署和運維成本、實現(xiàn)資源管理的智能決策和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

　　空天地一體化網(wǎng)絡(luò)也是未來通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢，地面網(wǎng)絡(luò)與非地面網(wǎng)絡(luò)（如高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、中低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、高空平臺、無人機(jī)等）共同組成多維融合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提供全域立體無縫覆蓋?？仗斓鼐W(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)需要構(gòu)建包含統(tǒng)一空口協(xié)議和組網(wǎng)協(xié)議的服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，滿足不同部署場景和多樣化的業(yè)務(wù)需求。

　　網(wǎng)絡(luò)安全方面，6G網(wǎng)絡(luò)安全愿景將以AI為基礎(chǔ)，具備網(wǎng)絡(luò)主動免疫（可信任技術(shù)，為基礎(chǔ)設(shè)施提供主動防御）、信息虛擬共生（實現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)安全的統(tǒng)一與進(jìn)化）、能力泛在協(xié)同（安全能力動態(tài)編排和按需部署，提升網(wǎng)絡(luò)韌性）、安全彈性自治（端、邊、網(wǎng)、云協(xié)同，準(zhǔn)確感知安全態(tài)勢，處置安全風(fēng)險）的四大特征[8]。

　　5  結(jié)束語

　　繼5G規(guī)模商用之后，世界主要國家和地區(qū)均已啟動6G研發(fā)布局，搶奪下一代移動通信發(fā)展主導(dǎo)權(quán)。目前，仍然處于6G的早期探索階段，業(yè)界正在熱烈探討6G愿景需求及關(guān)鍵技術(shù)，但尚未形成最終結(jié)論。本文詳細(xì)討論了未來6G的5個典型場景、預(yù)期具備的主要技術(shù)能力指標(biāo)，以及支撐典型場景和能力指標(biāo)實現(xiàn)需要重點考慮的關(guān)鍵技術(shù)方向，針對人工智能與無線通信的融合、感知通信融合、智能超表面、太赫茲通信技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等業(yè)界重點關(guān)注的創(chuàng)新型潛在技術(shù)進(jìn)行了分析，并提出未來的研究方向供業(yè)界參考。