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. 移動網絡與移動多媒體技術國家重點實驗室，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技術研究現(xiàn)狀，初步預估了6G需求、技術與標準研究工作路標，分析了面向6G網絡的未來業(yè)務發(fā)展趨勢和典型服務用例，構建了6G網絡服務愿景、基本性能需求，以及基于架構、鏈路、空域、流域、推理與計算維度的6G使能技術框架。認為6G潛在使能技術包括自治自動網絡、智能三維連接、智能大規(guī)模天線陣、按需網絡拓撲與計算、超硅計算與通信。重點介紹了中興通訊服務架構無線接入網絡（SBA-RAN）、平滑虛擬小區(qū)技術（SVC）、智能反射表面MIMO技術（IRS-MIMO）與增強多用戶共享接入（eMUSA）等6G創(chuàng)新技術實例，揭示了決定6G相對5G是“演進”還是“革命”網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，并展望了5G演進網絡中將廣泛應用的Pre6G創(chuàng)新技術。
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.
關鍵詞：6G；智能無線電；服務架構無線接入網；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網絡是指2030年將要商用的移動通信網絡。1980—2020年移動通信網絡“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商用網絡將在業(yè)務與網絡技術方面不斷演進，并最終向6G網絡過渡；因此6G也是5G長期演進網絡。
■ 6G全球研究現(xiàn)狀
隨著5G網絡成功規(guī)模商用，全球產學研已在2019年正式啟動6G潛在服務需求、網絡架構與潛在使能技術的研究工作。
■ 1.1歐盟
歐盟企業(yè)技術平臺NetWorld2020在2018年9月發(fā)布了《下一代因特網中的智能網絡》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（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智能網絡服務產學研框架項目。
■ 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技術峰會演講，并在會上與會下技術討論基礎上于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個技術專題的6G技術白皮書，最快在2020年下半年發(fā)布若干技術白皮書，包括6G驅動與聯(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、寬帶連接、射頻（RF）技術與頻譜、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核心技術包括5G集成與開放網絡（ION）、支持人工智能（AI）的高級網絡和服務、先進的天線與無線電系統(tǒng)（例如95 GHz以上太赫茲頻段）、多接入網絡服務（包括地面與非地面網絡、自我感應以支持超高清定位等應用）、智能醫(yī)療保健網絡服務（包括遠程診斷與手術，利用多感測應用、觸覺互聯(lián)網和超高分辨率3D影像等新功能）和農業(yè)4.0服務（支持統(tǒng)一施用水、肥料和農藥）。
■ 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；LG在2019年1月與韓國科學技術研究所（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、網絡、無線技術、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、愿景與使能技術的研究與驗證工作。
中國科學技術部牽頭在2019年11月啟動了由37家產學研機構參與的6G技術研發(fā)推進組，開展6G需求、結構與使能技術的產學研合作項目。
■ 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無線技術需求》白皮書。國際電聯(lián)標準化部門（ITU-T）在部分產學研機構驅動下在2018年成立了 6G需求與網絡結構的研究項目即IMT-2030焦點組，該研究項目先后發(fā)布了《6G技術藍圖、應用與市場驅動》《6G新服務與網絡技服務能力》與《代表性用例和關鍵網絡需求》等白皮書或技術研究報告。
■ 2、 6G研究與標準工作路標預測
未來10年內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、使能技術的可行性研究窗口；
2）2020年是識別6G使能技術的早期階段。
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、愿景與使能技術的研究和驗證，將與ITU-R的6G標準工作計劃保持同步�？梢灶A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、結構與空口技術的可行性研究工作，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、車聯(lián)網、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非地面網絡空口（NR-NTN）與其高頻段NTN、蜂窩窄帶物聯(lián)非地面網絡（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、智能自組織網絡及其演進功能、通信傳感集成及其演進功能（ICS+）、網絡拓撲增強功能等。
+：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：蜂窩窄帶物理網服務非地面網絡
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：非地面網絡
SON：自組織網絡
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、云邊計算、人工智能（AI）與機器學習（ML）[3-5]、大數(shù)據、區(qū)塊鏈、衛(wèi)星火箭、無人機、可穿戴技術、機器人技術、可植入技術、超硅計算與通信技術的快速發(fā)展與應用，為業(yè)務創(chuàng)新奠定了堅實的技術基礎。應用與技術的雙重創(chuàng)新驅動，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)字經濟和社會結構，例如跨階層的數(shù)字生活、網紅經濟、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、AI服務互聯(lián)網與行業(yè)服務互聯(lián)網，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
感知互聯(lián)網是指視覺、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，經過許可與信任控制，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
AI服務互聯(lián)網是指未來任何人、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
行業(yè)服務互聯(lián)網是指跨越任何領域或平臺、任何網絡物理系統(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)網的典型用例“觸覺反饋機器人手術”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。
4.4 6G業(yè)務需求
感知互聯(lián)網側重于感知全息實時共享，AI服務互聯(lián)網側重于泛在智能，行業(yè)服務互聯(lián)網側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)網用例與需求
■ 5、 6G網絡性能指標初步預測
依據3GPP R17 5G新服務需求研究結果[6-13]，結合高清、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網絡性能指標的提升倍數(shù)，如圖4所示。
6G網絡將支持1 Tbit/s峰值數(shù)據率、20 Gbit/s用戶體驗數(shù)據率、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網絡支持20 Gbit/s的峰值數(shù)據率、100 Mbit/s的用戶體驗數(shù)據率、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長期演進網絡也可以有步驟地達到這些網絡性能指標要求。
UP：用戶面
圖4 6G網絡性能指標要求及其相對5G的提升倍數(shù)
■ 6、 6G網絡潛在使能技術
面向上述6G及5G長期演進網絡服務與性能需求，參考全球產學研B5G/6G技術研究結果，6G網絡使能技術可以從圖5所示的結構、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絡、智能三維連接、智能大規(guī)模天線陣、按需網絡拓撲、按需網絡計算、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
MIMO：多輸入多輸出
NR：5G空口
NTN：非地面網絡
圖5 6G網絡技術體系框架
6.1 自治自動網絡架構
6G網絡不僅需要支持智能化、自動化、服務化的系統(tǒng)網絡架構，實現(xiàn)軟件定義智能、編排與管理（例如認知網絡、服務架構、全自動生命周期管理、CPS與數(shù)字孿生網絡），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絡架構[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)有線通信質量或超過有線通信質量的無線連接；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絡功能演進，任何動態(tài)操作可支持AI處理，網絡拓撲可依據服務需求靈活選擇與改變。因此，6G自治自動網絡架構將成為各項6G網絡使能技術的融合基礎。
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等地面網絡（TN）與非地面網絡（NTN）融合組網——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絡。
智能三維連接主要技術挑戰(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，高譜效大連接多址技術，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，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，太赫茲通信技術挑戰(zhàn)包括：極低峰均功率比波形與調制，超大帶寬與容量信道編碼、極窄波束管理技術，漫散射信道建模技術，極低功耗RF器件，高增益天線技術，大帶寬數(shù)模與模數(shù)轉換技術，全電與光電混合鏈路設計等�？梢姽馔ㄐ偶夹g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，外調制器、放大器、復用與解復用、光開關與收發(fā)集成器等光電混合器件，室內/室外/水下光信道建模以及陣列天線技術。
6.3 智能大規(guī)模天線陣
智能大規(guī)模天線陣是指依據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，包括能量有效的大容量多用戶MIMO即MU-MIMO技術、超大規(guī)模天線陣列智能波束管理技術、以終端為中心的分布式MIMO技術、靈活部署的智能反射/透射表面技術等。
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 按需網絡拓撲
按需網絡拓撲是指依據服務和連接需求靈活選擇或改變網絡部署形態(tài)與密度，包括TN/NTN接入與回傳集成、本地網狀網、靈活組播與多跳技術、動態(tài)路徑選擇、動態(tài)網絡切片、多層異構密集化技術等，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。
其主要技術挑戰(zhàn)包括數(shù)據/意圖驅動智能拓撲[包括網狀網（MESH）、組播、多跳]策略、靈活無線接入網或虛擬小區(qū)（即用戶為中心的服務小區(qū)）、智能移動網絡（包括用戶或站點移動性預測與切換）、智能端到端網絡切片（包括業(yè)務與用戶資源需求預測與分配）等。
6.5 按需網絡計算
按需網絡計算是指6G網絡智能代理、算力與算法技術，包括神經網絡、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分層技術和AI空口設計與AI芯片技術，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制解調與信道編譯碼、無線高精定位、移動性管理、網絡靈活部署、網絡服務編排與管理等。
其主要技術挑戰(zhàn)為云邊端混合聯(lián)邦AI架構、網絡全局與本地AI集成、多個AI代理目標對準、可解釋AI算法設計、標簽數(shù)據自助獲取、數(shù)據標簽的主動學習、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[19]，包括計算存儲技術、神經神態(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、三維異質集成、多芯片結構與高速互聯(lián)技術，以及環(huán)境無線能量采集技術、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等。
當然，這些新型計算技術的可行研究可能需要在6G演進網絡框架中考慮，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。
■ 7 、中興通訊6G創(chuàng)新技術實例
如何設計滿足上述6G服務需求的6G網絡結構與使能技術，并通過測試、試驗驗證其技術可行性，將是中國與全球6G產學研資源的共同使命。中興通訊無線技術研究團隊圍繞上述6G使能技術開展了相應關鍵技術研究與創(chuàng)新工作，例如服務架構無線接入網絡（SBA-RAN）、平滑虛擬小區(qū)技術（SVC）、智能反射表面MIMO技術（IRS-MIMO）與增強多用戶共享接入（eMUSA）。這些創(chuàng)新技術實例不僅可以用于6G網絡設計，同時也可以用于5G演進網絡的需求與功能擴展及其性能提升。
7.1 服務架構無線接入網（SBA-RAN）
為支持云原生的6G網絡——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、需求和意圖驅動的多制式空口及不同物理層技術的靈活演進——有必要在無線接入網側引入與核心網有效融合的服務架構網絡。服務架構無線網絡一般設計原則包括：
1） 最小化耦合關系的模塊化、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的數(shù)據存儲功能、數(shù)據采集功能、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)據平面、智能平面、運營平面�？缙矫娴亩喙δ軈f(xié)作，可支持像無線接入網切片之類的高級特性。若大量的租戶需要共享無線接入網基礎設施，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。
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)構建，支持幾乎一致的用戶傳輸質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，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，通過前端前傳網絡協(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量的AP構造出的虛擬小區(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主要負責編碼調制以及資源的調度分配等功能。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、用戶附近內容緩存、網絡密集型計算任務。其關鍵技術挑戰(zhàn)包括前端前傳帶寬降低、無小區(qū)初始接入、免調度隨機接入技術等。
圖6 平滑虛擬小區(qū)概念框圖
7.3 智能反射表面MIMO技術（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�；究梢酝ㄟ^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果。結果顯示，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）
隨著未來通信技術從人的通信轉變?yōu)槲锏耐ㄐ�、下行為主轉變?yōu)樯闲袨橹鳌⒒緸橹行霓D變?yōu)槿ブ行幕瑐鹘y(tǒng)的接入技術將無法滿足海量連接和實時傳輸?shù)男枨�；因此，eMUSA技術[22]應運而生。eMUSA是一種輕量級和即時的多用戶傳輸技術。圖10給出了eMUSA技術愿景、特性與技術實現(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)點的調度，就可以滿足未來以用戶為中心的6G網絡架構要求。
在免調度的場景，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)據傳輸。eMUSA利用數(shù)據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、特性及技術實現(xiàn)
■ 8、總結與展望
終端與應用創(chuàng)新始終是移動網絡“跳躍式”發(fā)展的動力，例如智能手機、社交網絡與用戶短視頻；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競爭技術的比較創(chuàng)新，將在很大程度上決定6G需求、架構與技術創(chuàng)新的性質是“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。
當然，網絡側技術創(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自治自動網絡架構、智能三維連接、智能大規(guī)模天線陣、按需網絡拓撲、按需網絡計算是實現(xiàn)上述網絡側技術創(chuàng)新目標的潛在候選技術。其中，空地通信融合組網、平滑虛擬小區(qū)、智能反/透射表面MIMO技術、大約1～10 GHz帶寬的太赫茲通信、通信傳感集成技術、增強多用戶共享接入等Pre6G技術將可能率先在5G演進網絡中得到應用。
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)模商用網絡的連接技術積累，與全球6G產學研創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)互相合作，為5G向6G網絡的長期演進貢獻更多更強的Pre6G創(chuàng)新技術。6G商用雖然遙遠，Pre6G技術正在向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！
■ 參考文獻
[1] ITU. Workplan for a preliminary draft new report ITU-R M. [IMT. FUTURE TECHNOLOGY TRENDS][R]. ITU-R WP5D#34 meeting document 5D/TEMP/96, 2020
[2] ITU. ITU-R working party 5D structure and workplan[R]. ITU-R WP5D#34, R19-WP5D-C-0134!H02!MSW-E, 2020
[3] 鐘義信. 智能是怎樣生成的[J]. 中興通訊技術, 2019, 25(2):47-51. DOI: 10.12142/ZTETJ.201902010
[4] 張嗣宏, 左羅. 基于人工智能的網絡智能化發(fā)展探討[J]. 中興通訊技術, 2019, 25(2):57-62. DOI: 10.12142/ZTETJ.201902009
[5] WANG Z D. Editorial: special topic on machine learning for wireless networks[J]. ZTE communications, 2019, 17(2): 1–1. DOI: 10.12142/ZTECOM.201902001
[6] 3GPP. Study on scenarios and requirements for next generation access technologies: R14 TR 38.913[S]. 2016
[7] 3GPP. Service requirements for the 5G system: R15/16/17 TS 22.261[S]. 2017
[8] 3GPP. Service requirements for cyber-physical control applications in vertical domains: R16 TS 22.104[S]. 2019
[9] 3GPP. Study on Communication for automation in vertical domains (CAV): R16 TR 22.804[S]. 2018
[10] 3GPP. Study on communication services for critical medical applications: R17 TR 22.826[S]. 2019
[11] 3GPP. Study on audio-visual service production: R17 TR 22.827[S]. 2019
[12] 3GPP. Study on enhancements for cyber-physical control applications in vertical domains: R17 TR 22.832[S]. 2019
[13] 3GPP. Study on Network Controlled Interactive Service (NCIS) in the 5G System (5GS): R17 TR 22.842. 2019
[14] Qualcomm. VR and AR pushing connectivity limits (2017-03-29)[EB/OL]. [2020-06-16]. https://www.qualcomm.com/media/documents/files/vr-and-ar-pushing-connectivity-limits
[15] BASTUG E, BENNIS M, MEDARD M, et al. Toward interconnected virtual reality: opportunities, challenges, and enablers[J]. IEEE communications magazine, 2017, 55(6): 110-117. DOI:10.1109/mcom.2017.1601089
[16] REID T G R, HOUTS S E, CAMMARATA R, et al. Localization requirements for autonomous vehicles[J]. Robotics, 2019, 2(3). DOI: 10.4271/12-02-03-0012
[17] 3GPP. Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN): R16 TR 28.821[S]. 2020
[18] FANG M. Service Native Challenges and Innovations Towards 6G[C], Keynote presentation in the 2nd 6G Wireless Summit. : Finland, March 17-18, 2020. http://www.6gsummit.com/keynotes/keynote6_public/
[19] BAUSU S, BRYANT R E, MICHELI G D, et al. Nonsilicon, non-von neumann computing—Part I [Scanning the Issue][J]. Proceedings of the IEEE, 2019, 107(1):11-18. DOI: 10.1109/JPROC.2018.2884780
[20] KUSCU M, DINC E, BILGIN B A, et al. Transmitter and receiver architectures for molecular communications: a survey on physical design with modulation, coding, and detection techniques[J]. Proceedings of the IEEE, 2019, (99):1-40. DOI: 10.1109/JPROC.2019.2916081
[21] MARTINS N R B, ANGELICA A, Chakravarthy K, et al. Human brain/cloud interface[J]. Frontiers in neuroscience, 2019, 13. DOI: 10.3389/fnins.2019.00112
[22] YUAN Z, LI W, LI Z, et al. Contention-based grant-free transmission with independent multi-pilot scheme[EB/OL]. (2020-04-07)[2020-06-16]. https://arxiv.org/abs/2004.03225
■ 作者簡介：
方敏：中興通訊股份有限公司無線經營部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)關鍵技術研發(fā)、標準化與專利保護工作，現(xiàn)專門從事6G新服務、新頻譜、新結構與新技術相關的創(chuàng)新技術研究工作；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標準技術規(guī)范的研究與起草工作，并對5G關鍵技術可行性研究做出突出貢獻，其中Pre5G大規(guī)模天線陣技術獲得2016年世界移動大會雙項技術大獎；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總經理、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)關鍵技術規(guī)劃與創(chuàng)新，擁有超過20年的移動通信關鍵技術和產品研發(fā)經驗；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營部算法部副部長、工程博士；從事移動通信技術研究和管理工作20余年，主要研究方向包括系統(tǒng)功率控制、編碼調制技術、物理層處理流程設計、超密集組網技術以及網絡規(guī)劃與優(yōu)化等；主持了TD-LTE-Advanced 技術標準研發(fā)與驗證、5G熱點高容量組網技術與試驗系統(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、廣東省科學技術獎二等獎等獎項；發(fā)表論文和專利百余篇。
