截至目前，第五代（5G）移動(dòng)通信系統(tǒng)已在許多國(guó)家推出，5G用戶數(shù)量已達(dá)到非常大的規(guī)模。目前是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界將注意力轉(zhuǎn)向下一代的合適時(shí)機(jī)。在這個(gè)十字路口，對(duì)當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)的概述和對(duì)未來(lái)通信的展望無(wú)疑是令人感興趣的。

本文主要探究5G活躍在移動(dòng)通信領(lǐng)域的前提下，6G是否有存在的必要。因此，本文重點(diǎn)是將5G與6G在技術(shù)要求上進(jìn)行比較討論，并總結(jié)了一些代表性機(jī)構(gòu)和國(guó)家最先進(jìn)的6G研究工作和活動(dòng)，預(yù)測(cè)6G產(chǎn)生時(shí)的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化路線圖，簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)一些可能出現(xiàn)的技術(shù)，并介紹其原理、優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)和開放的研究問題。本文旨在探究6G誕生后，對(duì)人們的日常生活會(huì)產(chǎn)生怎樣的變化，盡量全面地描述6G系統(tǒng)各方面的全貌，激發(fā)人們對(duì)6G通信系統(tǒng)后續(xù)研究和開發(fā)的興趣。

引言

移動(dòng)通信系統(tǒng)是從美國(guó)和北歐誕生的第一代模擬蜂窩系統(tǒng)即1G網(wǎng)絡(luò)。目前已經(jīng)發(fā)展到第五代。2G的創(chuàng)新點(diǎn)在全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM；3G的創(chuàng)新點(diǎn)在碼分多址（CDMA）的革命性技術(shù)，以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA為代表；4G的創(chuàng)新點(diǎn)在通過多輸入多輸出（MIMO）和正交頻分復(fù)用（OFDM）的天才組合。5G則將移動(dòng)通信服務(wù)從人擴(kuò)展到物，也從消費(fèi)者擴(kuò)展到垂直行業(yè)，從傳統(tǒng)移動(dòng)寬帶到工業(yè)4.0、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和自動(dòng)駕駛。

目前，5G仍在世界各地部署，但學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)將注意力轉(zhuǎn)移到6G系統(tǒng)，以滿足未來(lái)2030年的信息和通信需求。雖然曾有人反對(duì)談?wù)?G[1]，但其實(shí)關(guān)于下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的幾項(xiàng)開創(chuàng)性工作已經(jīng)開始。2018年7月，國(guó)際電信聯(lián)盟電信（ITU-T）標(biāo)準(zhǔn)化部門成立了一個(gè)名為“網(wǎng)絡(luò)2030技術(shù)”的重點(diǎn)小組。該小組打算研究2030年及以后的網(wǎng)絡(luò)能力[2]，屆時(shí)有望支持新的前瞻性場(chǎng)景，如全息型通信、無(wú)處不在的智能、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、多感官體驗(yàn)和數(shù)字孿生。歐盟委員會(huì)發(fā)起贊助5G以外的研究活動(dòng)，正如《地平線2020》（Horizon 2020）呼吁的那樣——ICT-20 5G長(zhǎng)期演進(jìn)和ICT-52 5G以外智能連接——2020年初，一批關(guān)鍵6G技術(shù)的先鋒研究項(xiàng)目啟動(dòng)。 

歐盟委員會(huì)還宣布了加快對(duì)歐洲“千兆連接”（包括5G和6G）投資的戰(zhàn)略，以塑造歐洲的數(shù)字未來(lái)[3]。2020年10月，下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（NGMN）啟動(dòng)了新的“6G愿景和驅(qū)動(dòng)因素”項(xiàng)目，旨在為全球6G活動(dòng)提供早期和及時(shí)的指導(dǎo)。美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、日本和韓國(guó)等移動(dòng)通信領(lǐng)域的其他傳統(tǒng)主要參與者已經(jīng)正式啟動(dòng)了6G研究。 

開發(fā)6G的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力

自2019年年中以來(lái)，商用5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已在全球鋪開，并在一些國(guó)家達(dá)到了非常大的規(guī)模。例如，截止2020年底中國(guó)部署的5G基站數(shù)量超過50萬(wàn)個(gè)，服務(wù)于1億多5G用戶。按照每十年出現(xiàn)新一代的傳統(tǒng)，現(xiàn)在是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開始探索5G繼任者的時(shí)候了。然而，在邁向6G的道路上，我們遇到的第一個(gè)問題就是“6G是否真的需要? ”，或者說(shuō)“5G是否已滿足需求? ”，因此本文討論開發(fā)6G的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。

下一代系統(tǒng)的發(fā)展不僅受到移動(dòng)流量和移動(dòng)訂閱指數(shù)增長(zhǎng)的推動(dòng)，而且還受到即將出現(xiàn)的新的破壞性服務(wù)和應(yīng)用的推動(dòng)。此外，它還受到移動(dòng)通信社會(huì)不斷提高網(wǎng)絡(luò)效率（即成本效率、能源效率、頻譜效率和運(yùn)營(yíng)效率）的內(nèi)在需求驅(qū)動(dòng)。隨著AI、THz和大規(guī)模衛(wèi)星星座等先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，通信網(wǎng)絡(luò)能夠朝著更強(qiáng)大、更高效的系統(tǒng)發(fā)展，以更好地滿足當(dāng)前服務(wù)的需求，并為提供迄今從未見過的破壞性服務(wù)打開了可能性。

關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力之一首先是移動(dòng)流量的爆炸性增長(zhǎng)。我們正處于一個(gè)前所未有的時(shí)代，大量智能產(chǎn)品、交互式服務(wù)和智能應(yīng)用程序迅速涌現(xiàn)和發(fā)展，對(duì)移動(dòng)通信提出了巨大的需求。可以預(yù)見，5G系統(tǒng)很難適應(yīng)2030年及以后的巨大移動(dòng)通信量。由于豐富的視頻應(yīng)用程序、增強(qiáng)的屏幕分辨率、機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）通信、移動(dòng)云服務(wù)等新技術(shù)應(yīng)用激增，全球移動(dòng)通信量將以爆炸性的方式持續(xù)增長(zhǎng)，2030年將達(dá)到每月5016 EB，而2020年為每月62 EB。愛立信的一份報(bào)告[4]顯示，2019年底全球移動(dòng)通信量已達(dá)到每月33 EB，這證明了ITU-R估計(jì)的正確性。

在過去十年中，由于移動(dòng)寬帶（MBB）的普及，智能手機(jī)和平板電腦的數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這一趨勢(shì)將在21世紀(jì)20年代繼續(xù)，因?yàn)橹悄苁謾C(jī)和平板電腦的滲透率尚未飽和，特別是在發(fā)展中國(guó)家。與此同時(shí)，可穿戴電子設(shè)備和VR眼鏡等新型用戶終端迅速出現(xiàn)在市場(chǎng)上，并迅速被消費(fèi)者采用。另一方面，隨著MBB用戶數(shù)量的增加，每個(gè)MBB用戶的流量需求不斷增加。這主要是因?yàn)閅outube、Netflix和最近的Tik Tok等移動(dòng)視頻服務(wù)的普及，以及移動(dòng)設(shè)備屏幕分辨率的穩(wěn)定提高。即將到來(lái)的移動(dòng)流量爆炸性增長(zhǎng)三分之二[4]來(lái)自于移動(dòng)視頻服務(wù)，并且移動(dòng)視頻服務(wù)將在未來(lái)更占主導(dǎo)地位。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，在2025年之前，豐富的視頻服務(wù)推動(dòng)了強(qiáng)勁的流量增長(zhǎng)，由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和VR應(yīng)用的滲透，長(zhǎng)期增長(zhǎng)浪潮將持續(xù)。

另一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力是潛在應(yīng)用案例。隨著新技術(shù)的出現(xiàn)和現(xiàn)有技術(shù)的不斷發(fā)展，如全息、機(jī)器人、微電子、光電、人工智能和空間技術(shù)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中可以培育出許多前所未有的應(yīng)用。為了強(qiáng)調(diào)6G的獨(dú)特特性并定義6G的技術(shù)要求，主要列舉一些6G的潛在應(yīng)用案例，比如全息型通信（HTC），多感官體驗(yàn)和大眾智能等等。

全息型通信（HTC）：與使用雙眼視差的傳統(tǒng)3D視頻相比，真正的全息圖可以盡可能自然地滿足肉眼觀察3D對(duì)象的所有視覺提示。隨著近年來(lái)全息顯示技術(shù)的顯著進(jìn)步，如微軟的HoloLens[5]，預(yù)計(jì)其應(yīng)用將在未來(lái)十年成為現(xiàn)實(shí)。通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程渲染高清全息圖將帶來(lái)真正的沉浸式體驗(yàn)。例如，全息遠(yuǎn)程呈現(xiàn)將允許遠(yuǎn)程參與者以全息圖的形式投影到會(huì)議室，或者允許在線培訓(xùn)或教育的參與者與超現(xiàn)實(shí)的對(duì)象交互。然而，即使使用圖像壓縮，HTC也會(huì)導(dǎo)致每秒太比特量級(jí)的巨大帶寬需求。

除了考慮二維（2D）視頻中的幀速率、分辨率和顏色深度外，全息圖的質(zhì)量還包括傾斜、角度和位置等體積數(shù)據(jù)[6]。HTC還需要超低延遲，以實(shí)現(xiàn)真正的沉浸感和跨大量相關(guān)流的高精度同步，從而重建全息圖。

多感官體驗(yàn)：人類有五種感官（視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺）來(lái)感知外部環(huán)境，而當(dāng)前的通信只關(guān)注光學(xué)（文本、圖像和視頻）和聲學(xué)（音頻、語(yǔ)音和音樂）媒體。味覺和嗅覺的參與可以創(chuàng)造完全沉浸式的體驗(yàn)，這可能會(huì)帶來(lái)一些新的服務(wù)，例如在食品和紋理行業(yè)[2]。此外，觸覺通信的應(yīng)用將發(fā)揮更重要的作用，并帶來(lái)廣泛的應(yīng)用，如遠(yuǎn)程手術(shù)、遠(yuǎn)程控制和沉浸式游戲。這個(gè)應(yīng)用案例對(duì)低延遲提出了嚴(yán)格的要求。

大眾智能：隨著移動(dòng)智能設(shè)備的普及以及機(jī)器人、智能汽車、無(wú)人機(jī)和VR眼鏡等新型互聯(lián)設(shè)備的出現(xiàn)，空中智能服務(wù)有望蓬勃發(fā)展。這些智能任務(wù)主要依賴于傳統(tǒng)的面向計(jì)算的人工智能技術(shù)：計(jì)算機(jī)視覺、同時(shí)定位和映射（SLAM）、人臉和語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、運(yùn)動(dòng)控制等。為了克服移動(dòng)設(shè)備上嚴(yán)格的計(jì)算、存儲(chǔ)、功率和隱私限制，6G網(wǎng)絡(luò)將通過利用云、移動(dòng)邊緣和終端設(shè)備上的分布式計(jì)算資源，并培養(yǎng)高效通信的ML訓(xùn)練和干擾機(jī)制，以AI即服務(wù)的方式提供普遍智能[7]。例如，波士頓動(dòng)力公司的Atlas等人形機(jī)器人[8]可以將SLAM的計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)移到邊緣計(jì)算資源，以提高運(yùn)動(dòng)精度、延長(zhǎng)電池壽命，并通過移除一些嵌入式計(jì)算組件變得更輕。除了計(jì)算密集型任務(wù)外，普適智能還促進(jìn)了對(duì)時(shí)間敏感的AI任務(wù)，以避免在需要快速?zèng)Q策或?qū)l件做出響應(yīng)時(shí)云計(jì)算的延遲限制。 

6G技術(shù)要求

為了很好地支持2030年及以后的破壞性用例和應(yīng)用，6G系統(tǒng)將提供極高的容量、可靠性、效率等。與[9]中規(guī)定的IMT-2020最低要求一樣，使用了大量定量或定性KPI來(lái)指示6G的技術(shù)要求。大多數(shù)用于評(píng)估5G的KPI仍然適用于6G，而一些新的KPI將被引入新技術(shù)特征的評(píng)估。

以下5個(gè)KPI可以被視為5G定義中的關(guān)鍵要求，簡(jiǎn)要介紹如下：

峰值數(shù)據(jù)速率：在用戶需求和THz通信等技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)將達(dá)到1Tbps，是5G的數(shù)十倍，5G的峰值速率為下行鏈路20 Gbps，上行鏈路10 Gbps。

用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)率：此數(shù)值定義為用戶吞吐量的累積分布函數(shù)的第5百分位（5%）。換言之，用戶可以在任何時(shí)間或位置獲得至少95%的數(shù)據(jù)速率。衡量感知性能，尤其是在小區(qū)邊緣，并反映網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的質(zhì)量（如站點(diǎn)密度、架構(gòu)、小區(qū)間優(yōu)化等）更有意義。在密集城市的5G部署場(chǎng)景中，用戶感知速率的目標(biāo)是下行鏈路為100Mbps，上行鏈路為50Mbps。預(yù)計(jì)6G可以提供更高的1Gbps，是5G的10倍。

延遲：延遲可以分為用戶平面和控制平面延遲。前者是假設(shè)移動(dòng)站處于活動(dòng)狀態(tài)，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中從源發(fā)送分組到目的地接收分組的時(shí)間延遲。在5G中，eMBB對(duì)用戶平面延遲的最低要求為4ms，URLLC為1ms。預(yù)計(jì)該值將進(jìn)一步降低到100μs甚至10μs?？刂破矫嫜舆t是指從最“電池效率”狀態(tài)（例如，空閑狀態(tài)）到開始連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸（例如，活動(dòng)狀態(tài)）的過渡時(shí)間。5G中控制平面的最小延遲應(yīng)為10ms，預(yù)計(jì)6G中也會(huì)顯著改善。除了空中延遲，往返或E2E延遲更有意義，但由于涉及大量網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，因此也很復(fù)雜。在6G中，E2E延遲可被視為一個(gè)整體。

移動(dòng)性：移動(dòng)性意味著在提供可接受的體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）的情況下，由網(wǎng)絡(luò)支持的移動(dòng)站最高移動(dòng)速度。為了支持高速列車的部署場(chǎng)景，5G支持的最高移動(dòng)性為500公里/小時(shí)。在6G中，如果考慮商業(yè)航空系統(tǒng)，最大速度為1000公里/小時(shí)。

連接密度是mMTC使用場(chǎng)景中用于評(píng)估的KPI。在無(wú)線資源數(shù)量有限的情況下，每平方公里具有寬松QoS的設(shè)備的最小數(shù)量為106臺(tái)5G，預(yù)計(jì)將進(jìn)一步提高10倍，達(dá)到107臺(tái)每平方公里。 

可見光通信

VLC工作在400THz至800THz的頻率范圍內(nèi)。與使用天線的較低THz范圍的射頻技術(shù)不同，VLC依靠照明源（尤其是發(fā)光二極管（LED））和圖像傳感器或光電二極管陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)器。使用這些收發(fā)器，可以以低功耗（10 Mbps至100 Mbps時(shí)為100 mW）輕松實(shí)現(xiàn)高帶寬，而不會(huì)產(chǎn)生電磁或無(wú)線電干擾。主流LED的高能效、長(zhǎng)壽命（長(zhǎng)達(dá)10年）和低成本，加上未經(jīng)許可的頻譜訪問，使VLC成為對(duì)電池壽命和訪問成本敏感的用例（如大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN））有吸引力的解決方案。此外，VLC在一些非地面場(chǎng)景（如航空航天和水下）中也表現(xiàn)出比RF技術(shù)更好的傳播性能，這可能是未來(lái)6G生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。

與RF相比，VLC中的MIMO增益非常脆弱，尤其是在室內(nèi)場(chǎng)景中。這源于傳播路徑之間的高一致性，即低空間多樣性。雖然通過使用間隔LED陣列可以在某種程度上降低這種一致性[10]，但MIMO-VLC也受到接收機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)：非成像接收機(jī)對(duì)其與發(fā)射機(jī)的空間對(duì)準(zhǔn)極為敏感，而成像接收機(jī)因其高昂的價(jià)格而不適用于成本關(guān)鍵的使用情況。因此，盡管學(xué)術(shù)界自十年來(lái)一直在努力 [11]，但到目前為止，還沒有將MIMO方法標(biāo)準(zhǔn)化為IEEE 802.15.7的主流VLC物理層。因此，VLC中的波束形成與基于MIMO的RF波束形成不同，是通過稱為空間光調(diào)制器（SLM）的特殊光學(xué)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。

與毫米波和太赫茲技術(shù)類似，VLC也依賴LOS信道，因?yàn)樗葲]有穿透能力，也沒有足夠的衍射來(lái)繞過常見障礙物。同時(shí)，由于對(duì)相鄰小區(qū)干擾和幾乎無(wú)處不在的環(huán)境光噪聲的擔(dān)憂，VLC系統(tǒng)通常需要具有窄波束的定向天線。這些事實(shí)使得VLC系統(tǒng)對(duì)用戶的位置和移動(dòng)性高度敏感，導(dǎo)致對(duì)波束跟蹤的高要求。

另一方面，該功能也可以在某些使用場(chǎng)景中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，例如室內(nèi)定位的精度更高[12]，車輛通信的干擾更低[13]。

VLC面臨的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)是開放和不受監(jiān)管（更具體地說(shuō)，不可監(jiān)管）的可見光頻譜接入，這意味著與許可RF頻帶中的傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)相比，VLC系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)更高，需要更嚴(yán)格的安全要求。關(guān)于這一點(diǎn)，物理層安全性作為一種有前途的解決方案被廣泛研究[14]。

總結(jié)與展望

本文對(duì)6G移動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)因素、需求、動(dòng)力和促成因素進(jìn)行了部分調(diào)查。可以得出的結(jié)論是，每十年新一代的傳統(tǒng)演進(jìn)不會(huì)終止于5G，考慮到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)發(fā)展6G的巨大熱情，第一個(gè)6G網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)將于2030年或更早部署。6G將以更具成本效益、能效和資源效率的方式，適應(yīng)5G中引入的用例和應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、虛擬現(xiàn)實(shí)和自動(dòng)駕駛，并提供更好的體驗(yàn)質(zhì)量。同時(shí)，它將實(shí)現(xiàn)5G無(wú)法支持的前所未有的用例，例如全息型通信、普及智能、全球無(wú)處不在的可連接性，以及我們尚無(wú)法想象的其他破壞性應(yīng)用。從5G時(shí)代引入MTC和IoT開始，移動(dòng)通信服務(wù)的趨勢(shì)從僅以人為中心擴(kuò)展到連接機(jī)器和事物，這一趨勢(shì)將繼續(xù)下去，而萬(wàn)物互聯(lián)將在6G到來(lái)時(shí)實(shí)現(xiàn)。6G系統(tǒng)必須滿足對(duì)延遲、可靠性、移動(dòng)性和安全性的極為嚴(yán)格的要求，并大幅提高覆蓋率、峰值數(shù)據(jù)速率、用戶體驗(yàn)速率、系統(tǒng)容量和連接密度，與5G相比，KPI通常提高10至100倍。

1926年，工程師兼發(fā)明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）表示，“當(dāng)無(wú)線技術(shù)完美應(yīng)用時(shí)，整個(gè)地球?qū)⒆兂梢粋€(gè)巨大的大腦”。當(dāng)6G到來(lái)時(shí)，這一預(yù)言將變成現(xiàn)實(shí)。

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翻譯修改自：W. Jiang, B. Han, M. A. Habibi and H. D. Schotten, "The Road Towards 6G: A Comprehensive Survey"