三万字告诉你全球6G通信技术的最新进展

2024-07-05

文 |钱鸿生

编辑|星船知造

视觉设计：星船知造

5G时代已经过去了一半。自2019年5G启航以来，中国已经扎实推进了5G，帮助了千行百业。目前，5G至少需要5年时间。

在5G技术的支撑下，中国许多万亿级产业的崛起：“中国5G，这些万亿级产业都离不开5G”

另一方面，6G标准话语权的竞争已经拉开——今年，美国、澳大利亚、加拿大、捷克、芬兰、法国、日本、韩国、瑞典和英国10个国家发布了联合声明，并拉上了“6G”联盟，准备通过抱团弯道超越。

与此同时，包括英伟达、亚马逊网络服务公司在内的欧美日韩多家科技企业，ARM、建立爱立信、微软、诺基亚、三星电子、软银等。AI-RAN联盟，要在6GR&D领域占据关键地位。

6G标准化还处于初期研究阶段，还没有形成全球统一的技术标准。然而，各国都深刻认识到6G对中国未来技术和经济发展的重要性。上述行动的目的之一是排除中国公司。

一项6G关键技术的研究、测试工作已经全面拉开了竞争的帷幕。

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作为“现代通信与智能网络技术展望”系列栏目的第三辑，我们邀请了《第六代移动通信6G关键技术与发展前景研究》的资深读者、通信行业教授级高级工程师钱鸿生博士为我们撰写。

从移动通信技术迭代发展的角度，分析了第六代移动通信6G发展的内生动力，深入分析了6G移动通信的愿景目标、系统结构、主要性能参数和关键新技术突破的含义，分析了未来6G移动通信网络新的六大场景应用领域，盘点了中国研究人员近期6G关键技术研究中的一些重大进展案例。最终对我国6G移动通信网络的布局时间、6G资本市场的发展前景、风险控制机的建立进行了简要的分析和判断。

我们从白皮书中选取了一些内容。本文主要选取了《第六代移动通信6G网络架构设计》和《第六代移动通信6G关键技术介绍》第二章的一些内容。

完整版白皮书将在下一篇发布后同步发布。请注意！

01 第六代移动通信6G网络架构模式

移动通信网络的基础和核心是网络结构模式，它决定了整个移动通信系统的效率和技术支持能力。

6G网络架构模式将不断延伸边缘网络和天地一体化，满足固定、移动、卫星等多种连接方式的接入，实现空、天、地、海一体化通信的无缝连接和覆盖。

2.3.1 第六代移动通信6G网络结构理念

第六代移动通信6G的网络架构模式，充分吸收了过去5G网络架构模式的成熟经验和理念，在新的6G中将适应网络结构中的新项目需求，兼顾节能增效，并与现有5G网络保持适应、协调和升级。

6G网络架构模式的基本概念应考虑以下几个方面？

首先，多功能内部协同结合。

6G网络提供的服务将从原来单一的连接服务扩展到智能、感知、计算、数据、安全保障等多个方面。相关架构理念应体现大带宽、低延迟的内部连接功能，引入外部插件满足6G多样化的服务需求，满足复杂环境的需求。智能、计算率、安全等内部能力需要从网络功能、接口、协议栈等方面进行支持。，协同6G新业务所需的连接、数据、多维资源计算，选择分布式网络服务模式，满足用户对6G融合业务的匹配能力和服务水平保障。

二是提供多元化、差异化服务。

6G网络的客户不仅是传统的终端用户，还包括使用网络计算服务、数据服务、感知服务等多样化的目标客户。因此，6G应提供多样化、差异化的网络服务能力，降低网络建设和运营成本。它可以为多样化的客户提供满足个性化网络需求的不同服务项目和服务保障系统。

三是网络从连接管道向平台服务转变。

第六代移动通信6G网络将为终端用户、行业用户、合作伙伴等网络参与者提供原有的连接管道服务，转变为多元化的平台服务宗旨。开放基于统一平台的开放服务能力，灵活安排多元化的业务功能和计算功能，如降低网络定制成本、赋能多元化、可编程等。，实现用户与用户、用户与网络之间多边能力资源的协同处理能力。

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2.3.2 第六代移动通信6G系统性能参数

为了支持2030年及以后移动通信应用场景的需要，通过引入新的技术规范、重构或改进网络结构和协议方案，6G网络性能参数可以比5G有显著提升。5G和5G是系统带宽、传输速度、延迟、频谱效率、流量密度、系统安全可靠性和连接数等关键性能指标。与数量级的增长相比，如图所示

图表：6G网络性能参数估计目标值

将来 6G 网将具有比 5G 支持10-100Gbps的性能参数指标。使用体验速度，峰值速度可达1Tbps，每平方公里终端密度可达1000多万，空口延迟小于0.1ms，上述指标远远超过5G ，在5G的基础上，某些性能参数将达到10到100。倍的提高。

可是，ITU-R在2023年11月发布未来IMT发展的框架和2030年及以后的总体目标（M.2160-0)指出，随着后续标准的出台，一些估计6G能力指标参数的目标值将根据不可预测的应用环境和不同国家的研究发生一些参数变化，其中一些可能无法同时满足。

02 六代移动通信6G核心技术简介

为了实现第六代移动通信新业务的应用和要求极高的性能参数，6G需要在新系统结构的基础上，选择当代最先进的科技成果和未来可预见的新技术，使6G系统能够在更高的目标上实现强大的功能演变。6G选择的核心技术大致可以包括以下几个技术领域。

2.4.1 网络结构与内部智能紧密结合

伴随着人工智能技术的飞速发展，人工智能技术将在未来6G移动通信系统的各个方面产生，不仅限于新的智能网络技术系统，如无线架构、无线数据、无线算法和无线应用。ITU-在6G标准设计之初，R就考虑了AI技术的应用。

例如，内部智能新型空口模块化设计可以深入挖掘无线资源管理、防止影响等多维特性，从而提高6G无线网络的稳定性、即时性和安全性，保证6G网络的独立安全运行。

6G移动通信网络的智能内部是根据用户和网络需求提供通信和网络服务，最终实现网络随需变化。6G网络将具备语义识别、分析、理解和推理的能力。通信网络将从数据驱动向语义驱动转变，为用户提供更高效、节能、智能的通信服务。

在内部智能网络的帮助下，6G将支持具有感知、通信和计算能力的无线基站和终端，实现智能分布式协同服务，提高整个网络的通信能力和计算率。

2.4.2 完美MIMO多输入输出技术

多输入多输出MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put），MIMO技术的原理是在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，在不增加带宽和发射功率的情况下，可以区分发射或来自不同空气方向的无线信号，提高系统的覆盖面、容量和信噪比，从而改变无线信号的传输质量。为满足6G高速移动场景和全需求场景的接入需求，提高天线系统容量、覆盖范围和信噪比，提高无线信号传输质量。

2.4.3 内双工技术的应用

内部双工技术 (In-Band Full Duplex)，简称IBFD技术，选用内部双工技术，能够在相同的载波频率上，同时发射和接收电磁波信号，实现传送资源更加灵活配置，具有自干扰抑制，功耗低、天线微型化，有效提升系统频带的使用效率。

2.4.4 可以重构智能超表面技术

可以重构智能超表面技术（reconfigurable intelligent surface），RIS技术被业界广泛认为是推动5G-Advanced和6G移动网络演进的最有力的技术之一。

RIS技术的基本原理是通过数字化编程来控制超材料的电磁特性，创造一个智能、自适应的无线环境。与传统材料相比，RIS 可以利用电磁超材料的特性，准确控制电磁波的宽度、方向和数量，实现信号的准确反射和散射。可用于高频覆盖增强、克服局部盲点、提高风扇区域边缘传输速度、绿色通信、高精度定位等场景。

2.4.5 轨角动量技术的应用

轨道角动量（Orbital Angular Momentum,）简称OAM技术，可以在不依赖时间、频率等资源的情况下，通过多模态电磁波涡流量子再利用传输，发送多个同轴数据流，提供新的无线传输再利用技术层面，适用于用户与基站之间的远距离传输，从而提高频谱效率。

2.4.6 智能化全息无线电技术

智能化全息无线电（Intelligent Holographic Radio），简称IHR技术，智能化全息无线电技术是利用电磁波的全息干涉原理，实现电磁空间的动态重构和动态精密调控，进而大幅度提升频谱效率和网络容量。可以实现显像、定位和无线通信的深度融合，实现超高分辨率空间的再利用，满足6G超高频谱、极高流量密度、更低延迟和极高容量需求。6G标准制定中的关键内容之一就是能够为万物互联终端提供精准定位、无线终端长距离快充等服务，为6G场景应用提供强有力的技术保障。

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2.4.7 太赫兹频段通信技术的应用

如何在移动高速通信技术方面，进一步提高无线网络的传输速度，是目前全球移动通信领域最重要的研究方向。

太赫兹频段快速通信是一种新型的无线传输方式，不同于传统的无线网络，它在太赫兹频段工作，太赫兹(缩写为THz)，太赫兹频段是指在0.1THz到10THz之间的频带范围，其工作频段在0.1THz到10THz之间，通常在300-3000GHz之间。低于太赫兹的频段称为毫米波（mmW）指工作频段为30GHz-300GHz的电磁波，毫米波为5G移动通信推荐频段。

太赫兹频率布局图具体如下

插图:传统通信频率和太赫兹（THZ）频率布局图

随着移动通信的演变，使用的频带逐渐扩大，从5G扩展到毫米波频段，而6G开始使用太赫兹频段，但其中频段仍然是实现广域覆盖最经济的方式。

怎样开发和使用太赫兹频段有望成为 6G移动通信的核心技术之一，太赫兹频段频段非常宽，大部分频段都没有使用，可以承载快速数据的传输。6G通信充分利用太赫兹频段，可以有效缓解有限的频谱资源，减少容量限制。

太赫兹频段将充分发挥超大带宽和快速率的优点，支持6G海量设备连接和6G海量设备连接 Tbit/s 高等级的用户信息传输。所以太赫兹频段被认为是6G 太赫兹波因其独特的技术优势，在高速短距离宽带无线通信方面具有广阔的应用前景，是通信的重要应用。太赫兹频段通信将广泛应用于全息通信、超大容量数据传输和短距离快速数据传输的场景中，特别是在6G万物互联的最终100米终端连接中。

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2.4.8 分布式自治和数字孪生网络

6G将具有超大的网络接入规模和丰富的网络体验功能，支持多样化的场景接入，实现广阔的场景应用领域。因此，新的6G系统架构设计需要基于原有的5G网络结构，包括接入网络和核心网络。

6G系统架构将向分布式、分散式、自治化的网络机制方向发展，实现以用户需求为核心的网络控制和管理，选择深边智能节点灵活组网技术，支持以任务为核心的智能连接，构建具有自治、自我演变能力的智能内部网络结构，更具包容性的多模态信任模式。6G系统架构将大大降低系统内部接口，平整系统架构，具有高可靠、高吞吐量的区块链架构模式。基于数字孪生的设计理念，6G通信架构将发展为更全面的智能控制。

数字双胞胎技术已被引入6G核心技术的研究对象，数字双胞胎技术将应用于6G系统架构设计中。通过对物理网络的虚拟表达，通过数据、模型和接口分析和诊断和控制6G系统架构，实现网络优化和智能网络自治决策，利用数字双胞胎技术实现信息交互和反馈调整。提高网络数据的有效利用和网络的高效建模，满足业务发展的需要。

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2.4.9 全球覆盖空天地一体网络结构

ITU已正式将空天地一体化网络结构作为6G的关键技术之一。

6G将全面实现路面移动通信网络与不同轨道高度的通信卫星和不同高度飞机的移动通信网络的双向融合，利用天基和空基全覆盖网络实现边远地区、海洋和空中灵活的网络组织，构建标准终端互联网、统一空口协议的一体化网络结构。用户可以在任何地方、任何时间、任何方式实现通信和信息交换的服务。

天地一体化将构建统一的共享网络基础设施平台，为不同安全水平的客户提供差异化的网络服务和安全保障。天地一体化网络需要卫星通信、移动通信、终端互联网、芯片制造等技术的融合，技术难度极高。它不仅对民用市场有很大的需求，而且能有效补充地面蜂窝移动基础设施的覆盖面，具有很高的军事价值。

2.4.10 通信感知一体化技术的应用

感知是人们与物理世界互动信息的重要过程。广义来说，6G通信感知一体化技术是指6G网络应该具备感知所有客户和终端状态的能力，狭义的感知是指6G移动通信网络具有准确识别、定位、测速、测距目标的能力。

“2030年及以后IMT未来发展的框架和总体目标”于2023年11月国际电联发布。（ITU-R M.2160-0)中提到:“传感与通信的融合有望成为未来通信普遍使用的关键驱动因素。此外，感知物理环境和适度的人工智能可以进一步增强态势感知”。

通信感知一体化技术被称为未来6G移动通信的核心技术之一，必须具备空间感知、智能通信和泛在计算能力的网络。该网络内部通信、感知和计算三位一体的软硬件资源共享，实现多维感知和合作通信。

通信感知一体化是物联网发展的重要组成部分，它能为多个行业应用提供准确可靠的数据传输和连接，促进工业互联网技术的进一步发展和应用。

通信感知一体化技术涉及多种先进技术的融合，包括依靠先进的传感器、先进的无线电通信、太赫兹、空地一体化、高速数据传输、高速数据处理、内部AI。、新技术，如元宇宙、网络安全保障等，赋予6G系统极强的感知。

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未来，6G网络将通过6G感知功能获取物联网信息和环境信息，利用先进的模型和算法、边缘计算和AI处理量，生成超高分辨率的图像，准确分配通信资源，挖掘潜在数据能力，增强客户体验，完成对目标的准确识别检验、定位分析、显像处理等感知功能。并且有助于完成物理数字的虚拟化，催生6G 更广阔的场景应用前景。

还可以实现设备与人之间的协同运行，如无接触手势控制、人身肢体语言识别等。通过6G的通信感知集成技术，可以准确感知物体和监控对象的运动状态，实现6G在场景应用中提供高精度的实时感知。

2.4.11 多模态技术提高网络安全性

通讯网络是国家重要的基础设施之一，6G网络将在社会经济和国防建设中发挥重要作用，其网络安全尤为重要。

在研究6G标准化的过程中，各国对未来6G的网络安全提出了更高的要求，专家们对未来6G的网络安全提出了更高的要求。网络应具有更稳定可靠的通信安全架构，选择多模式自适应的安全设置，智能可控的网络安全决策，灵活的网络安全发展和安全开放协议，并提出明确的技术要求。

未来，6G网络将朝着云端化和边缘化的方向发展。6G网络将为移动通信网络、卫星互联网、物联网、智慧城市、汽车联网等海量终端提供统一的访问服务，形成广泛的跨系统、跨生态系统、高速访问服务模式。此时，6G网络安全系统将显得尤为重要，需要通过各种先进的技术手段来保证。

例如，安全证据、抗量子攻击非对称密码算法、网络安全内部主动免疫、基于可靠的网络安全技术等。，为6G网络基础设施提供主动免疫、弹性自治、虚实共生、泛在协同的安全防御功能。并且可以根据行业和客户之间的不同安全需求，实现安全能力的弹性部署，提高网络韧性和网络安全性。通过端、边、网、云四位一体的智能协作，可以准确感知整个网络的安全情况，使6G网络始终处于安全可控的运行状态。人工智能AI帮助网络安全，降低网络安全运行成本，构建强大的内部安全防护体系，可测量，可演进。

基于大数据分析技术和深度学习算法模型，构建更具包容性的多模态信任模型，可以检测和识别未知恶意程序，自动追溯黑客攻击源，实现网络安全界限定制、跨域交叉认证、风险隔离、安全设置优化，提高整个6G网络的安全能力。

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总的来说，全球范围内的6G 研究仍处于起步阶段，整体技术路线尚不清晰，系统结构和性能参数需要后续探索的推动。

目前，研究主要在6G愿景目标、应用领域、基本指标、潜在核心技术等方面取得了一定进展。6G核心技术的一些研究成果将在后续的5G-Advanced相关版本中得到应用和验证，并为6G标准化制定和应用积累成功案例。

主要参考文献：

[1] ITU-R."Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2030 and beyond". June 2023.

[2] ITU-R，Overview timeline for IMT towards the year 2030 andbeyond".2022.

[3] 编辑唐晓园的作者钱鸿生.除了华为，1998-2023芯片背后的持久战[J].上海.《星船知造》.2022年9月12日.

[4] 科技部网站.第六代移动通信技术研发在我国正式启动.2019年11月7日.

[5] 中国IMT-2030(6)推进组官网.

[6] 中国电信研究所.“6G愿景与技术白皮书”.2022年12月.

[7] 中国移动集团公司.中国移动6G网络架构技术白皮书.2022年12月.