6G：跨越人联、物联，迈向万物智联

2022年9月｜华为研究｜1 2｜华为研究｜2022年9月 6G 跨越人联、物联，迈向万物智联 编者按 毫无疑问，6G研究之旅已经启航。许多国家已把6G作为重要的国家战略，所有的长期研究项目都加大了对6G研究的投入，这已成为一个全球势头。因此，我们可以肯定地说：6G已经在路上。 然而，6G的诞生需要革命性的创新技术，6G的成功需要创新的应用，二者是6G发展进程中不可或缺的必要条件。 本期《华为研究》聚焦的正是6G技术的创新。作为工程师，我们正在探索实现6G的具体技术，也欣喜地发现探索的方向日渐清晰。6G要考虑商业演进节奏，不可能一蹴而就。同时，6G创新的本质在于聚变出更多超乎想象的创新。换言之，6G不仅仅是技术创新，而是力求通过技术创新带动各产业发展、创造更大的社会价值。基于此，6G-原生智能、6G-通信感知一体化、6G-极致连接、6G-卫星、6G-可信、6G-绿色将成为6G发展的技术支柱，从根本上支撑移动通信网的转型，从而真正把6G网络打造成连接物理世界与数字世界的智能桥梁。在6G推进的同时，移动通信的重心也在演进：从网络走向终端，从低频迈向高频，从2C转向2B。这些变化，既是挑战，更是机遇。 作为面向未来十余年的ICT基础平台——特别是移动通信基础平台——6G的大厦一定是扎根于丰沃的理论土壤，立足于尖端的工程技术之上。建造这座大厦，需要广博的技术积累和深厚的专业功底。只有加大对移动技术的攻坚和投入，才能完成6G这项如此巨大的系统工程。 历史经验告诉我们，6G的成功，必定是开放合作的结果，必定要拥抱、包容所有的伙伴和参与者。国际合作已成为移动通信行业传统，本期《华为研究》也秉承了这一传统，衷心感谢所有业界同行朋友们赐稿。 最后，本期《华为研究》仅代表我们6G研究之旅的起点，而非终点。谨以此与诸位共勉！ 童文 华为无线CTO 2022年9月｜华为研究｜1 华为研究 内部资料，免费交流 准印证号：(粤BL）022060040 主编： 廖恒 本期责任主编： 童文 编委会： 廖恒，童文，肖新华，胡邦红，周慧慧，鲍丰，JeffXu，陈海波，陆品燕，张小俊，李瑞华，白博 索阅、投稿、建议和意见反馈，请联系： HWResearch@huawei.com 印刷数量：4000本 印刷单位：雅昌文化（集团）有限公司印刷地址：深圳市南山区深云路19号 印刷日期：2022年9月15日 版权所有©2022 华为技术有限公司，保留一切权利。 前瞻 4 通信感知一体化——从概念到实践 AlirezaBayesteh，何佳，陈雁，朱佩英，马江镭，AhmedWagdyShaban，余子明，张云昊，周知，王光健 22 NET4AI：6G支持AI即服务 李顼，张航，彭程晖，刘哲，王飞 34 6G超低轨卫星网络 罗禾佳，施学良，陈莹，孟贤，赵斐然，MichaelMayer， PeterAshwoodSmith，BillMcCormick，ArashmidAkhavain，刘大庆，温怀林，汪宇，王晓鲁，杨若男，李榕，王斌，王俊，童文 46 面向未来智能互联网络的太赫兹感知与通信 王光健，顾欢欢，李先进，余子明，李欧鹏，刘乔，曾昆，何佳，陈雁，卢建民，童文，DavidWessel 68 6G物联网：时间、空间、智能与价值的相互作用 PetarPopovski,FedericoChiariotti,VictorCroisfelt,AndersE.Kalør,IsraelLeyva-Mayorga,LetiziaMarchegiani,ShashiRajPandey,BeatrizSoret 78 6G原生可信 2｜华为研究｜2022年9月 刘斐，RobSun，王东晖，ChitraJavali，刘鹏 技术研究 130 超大孔径天线阵列与可重构智能表面：mMIMO演进关键技术 92用于Tbps吞吐率通信的快速极化码 144 RahimTafazolli，YiMa，JiuyuLiu，PeiXiao，AlexandrKuzminskiy，FabienHeliot，MohsenKhalily，汪凡 四臂螺旋天线（QHA）：使能5G与未来的高效MassiveMIMO 102 童佳杰，王献斌，张其蕃，张华滋，李榕，王俊 面向深度学习的联合消息传递与自编码器 162 FayezHyjazie，童文，陈大庚，张碧军，李波杰，金黄平，张关喜，肖伟宏 5G-Advanced：上行超宽带通信 （UCBC） 114 葛屹群，史无限，王坚，李榕，童文 面向6G的以用户为中心的无蜂窝无线网络：通信理论模型与研究挑战 FabianG¨ottsch,GiuseppeCaire,WenXu,MartinSchubert 174 庞继勇，郭志恒，金黄平，彭金磷，唐臻飞，汪少波 800Gbit/s和1.6Tbit/s数据中心光模块技术 MaximKuschnerov，TalhaRahman，林友熙，NebojsaStojanovic，StefanoCalabro， JinlongWei，史文俊，蔡念，李志伟，郑建宇，周蒙，胡立辉，于飞，曾金林，黄沁辉，马会肖，梁伟光，ChangsongXie，张乐伟 技术验证 182 184 6G太赫兹通信感知一体化，开启无线新可能 超低功耗高速短距无线，使能6G沉浸式体验 185 6G光无线通信感知一体化，拓展无线通信频谱新边界 前瞻 物理-生物世界 数字世界 XR 触感推理 感知学习 边缘神经网络 中枢神经网络 通信感知一体化——从概念到实践 AlirezaBayesteh1，何佳2，陈雁1，朱佩英1，马江镭1，AhmedWagdyShaban1，余子明2，张云昊2，周知2，王光健21渥太华无线先进系统能力中心 2无线技术实验室 摘要 6G将构建分布式神经网络，连接物理世界与数字世界，真正开启智通万物、慧达千行的“万物智联”时代。网络感知与原生AI将成为6G两大全新的应用场景，这意味着，6G将感知与通信能力融入同一套系统，利用无线电波超越人眼、“观察”物理世界，并在虚拟世界中构建数字孪生。本文介绍了通信感知一体化（IntegratedSensingandCommunication，ISAC）的概念及其典型应用，并举例说明如何使用6GISAC提高定位精度以及用便携式终端进行太赫兹毫米级成像。此外，本文还探讨了ISAC在实际应用中所面临的挑战。 关键词 通信感知一体化（ISAC），定位，太赫兹成像，感知精度，感知分辨率，原型样机 1引言 在6G移动通信系统中，更高的频段（毫米波乃至太赫兹）、更宽的带宽、更大规模天线阵列使高精度、高分辨感知成为可能，从而可以在一个系统中实现通信感知一体化 （IntegratedSensingandCommunication，ISAC），使通信与感知功能相辅相成。一方面，整个通信网络可以作为一个巨大的传感器，网元发送和接收无线信号，利用无线电波的传输、反射和散射，可以更好地感知和理解物理世界。通过从无线信号中获取距离、速度、角度信息，可以提供高精度定位、手势捕捉、动作识别、无源对象的检测和追踪、成像及环境重构等广泛的新服务[1]，实现“网络即传感器”（NetworkasaSensor）。另一方面，感知所提供的高精度定位、成像和环境重构能力可以帮助提升通信性能，例如波束赋形更准确、波束失败恢复更迅速、终端信道状态信息（ChannelStateInformation，CSI）追踪的开销更低[2-3]，实现“感知辅助通信”。感知同时也是对物理世界、生物世界进行观察、采样，使其连接数字世界的“新通道”。正因如此，实时的网络感知，能为物理世界复刻出一个平行的数字世界，这对未来实现“数字孪生”这一概念极为重要。 基于5G-Advanced空口的ISAC应用场景和潜在需求 的研究，在3GPP中已初步启动。未来6GISAC系统的应用场景很可能会包括超高精度定位追踪、同步成像、地图构建、人类感官增强等（详情参见表1）[1]，这要求6GISAC系统突破当前5G系统的局限、持续优化，以实现全面的通感一体化。在第2节中，将展开讨论具体应用场景和性能要求。 感知与通信从松耦合到完全一体化可分为三个等级。在最低等级，通信与感知共享硬件和频谱。硬件共享可以有效降低成本、简化部署并减少维护问题，使感知从移动通信网络的规模效益中受益；频谱共享相比于各自使用独立频谱，频谱的利用更加高效。第二等级实现波形和信号处理一体化，时域、频域、空域波形和信号处理技术可以组合起来，为感知和通信两个功能服务。到了第三等级，信息可以跨层、跨模块、跨节点共享，通信与感知完全一体化，系统性能显著提升，网络系统的总体成本和能耗将大大减少、系统规模也更小，基站与用户设备（UserEquipment，UE）之间更大规模的协同、通信感知波形联合设计、先进的干扰消除技术、原生AI技术等其他技术创新还可以进一步提升感知数据的处理能力。 本文后续内容中，将重点探讨典型的ISAC应用场景，介绍ISAC在增强定位能力和毫米级成像两个方面的应用，讨论ISAC系统设计中面临的挑战，并在最后进行总结。 表1ISAC在6G中的新应用场景（按类别） 场景分类 应用分类 高精度定位和追踪 同步成像、地图构建与定位 人类感官增强 手势和表情识别 垂直行业智能医疗智能交通智能工厂智慧农业 ·机器人协助手术 ·人机停靠在移动车辆 ·设备/模块安装 ·家禽移动/动物迁徙监测 ·超高分辨率图像感知眼镜 ·3D路况成像 ·仓库机器人和自动化系统 ·作物生理监测和生产 ·远程手术·污染和空气质量监测·产品缺陷自动化检测 ·作物养分、水压、病害智能监测 ·基于手势控制的智能手术室·座舱监控和无接触控制·智能生产系统无接触控制·基于手势的精准农业机器人和机械控制 消费者 智能家居娱乐智能移动终端 ·协作式家务机器人·使用手机精准定位小物件（追踪器或有源设备） ·近距离场景和物体成像 ·墙后水管成像·热量检测·污染食材检测 ·虚拟钢琴·无接触控制家电·无接触控制智能屏幕 公共服务智慧城市智慧环境智慧公安 ·无人机服务员 ·水文监测（降水、水位监测）·大型活动人群管理和应急疏散 ·无线同步定位与地图构建 ·无人机-基站群合成孔径雷达成像 ·车载司乘监控感知 ·建筑、桥梁、人造结构裂缝检测·细颗粒物检测（PM10、PM2.5）·爆炸物检测和燃气监测·包裹安全检查 ·老年人、残疾人手势控制无障碍设施·恐慌情绪识别 2ISAC潜在应用场景 2.1概述 长期以来，无线感知一直是一项独立发展的技术，与移动通信系统的发展没有明显交集。感知服务是由各种专门的传感设备，如普通雷达、激光雷达、计算机断层扫描、磁共振成像等设备提供的。5G及更早期通信系统中，定位是移动通信系统唯一可以提供的感知服务。 6G移动通信系统中，定位之外的通用感知将集成入通信系统中，成为一项全新功能，从而开辟出全新的服务。ISAC可以帮助移动运营商提供许多新服务，如高精度定位、追踪、生物医学和安检成像、用于复杂室内外环境地图构建的同步定位和地图构建、污染和自然灾害监测、手势和动作识别、缺陷和材料检测等服务。这些新服务反过来也将为未来的消费者和各垂直行业创造新的业务场景。表1列举了未来ISAC系统可能支持的新服务，并将不同行业（垂直行业、消费者、公共服务）的应用场景按功能分成四类： ·高精度定位和追踪； ·同步成像、地图构建与定位； ·人类感官增强； ·手势和动作识别。 值得一提的是，除了可以提供以上新服务和新业务外，感知还可以辅助通信和定位，这部分内容将在5.4节中阐述。 2.2高精度定位和追踪 从工厂到仓库，从医院到零售商店，从农业到矿业，低时延、高精度的定位和追踪构建了数字信息和实体位置之间的有意义关联。 6G网络可提供有源和无源两种定位服务，有源定位是针对联网设备的定位，目标设备的位置信息来源于接收到的参考信号（设备侧定位）或目标设备的测量反馈（网络侧定位）；无源定位则不要求目标设备联网，通