终端友好6G技术白皮书

目录 1.引言2 2.终端友好的场景和需求2 3.终端友好关键技术3 3.1卫星与地面融合技术与多频段融合技术支持终端的广域泛在接入3 3.1.1卫星与地面融合技术支持终端的广域接入3 3.1.2多频段融合技术支持终端的泛在接入9 3.2终端原生组网支持终端灵活的接入16 3.3通感算融合扩展终端的服务能力17 3.3.1对业务与用户的感知能力18 3.3.2对网络与终端的感知能力19 3.3.3对算力的感知能力21 3.4cellfree技术支持终端‘0’感知的移动性体验24 3.4.1Cellfree技术25 3.4.2上行辅助的移动性增强28 3.5Backscatter和近零功耗接收支持终端‘0’功率通信29 3.5.1Backscatter通信技术29 3.5.2近零功耗接收机36 3.5.3无功放技术40 3.6新型多址接入支持终端的免调度传输和上行异步传输42 3.6.1NOMA技术43 3.6.2非协调多址接入技术44 3.7AI与通信结合提升终端用户体验47 3.7.1终端友好的基于AI的通信技术47 3.7.2终端友好的AI技术50 3.7.3基于无线AI技术的终端展望52 4.总结53 5.参考文献54 6.缩略语55 7.贡献人员58 终端友好6G技术 1.引言 2019年Oulu大学举办的第一届6G大会拉开了6G全球研究的大幕。从目前各机构发布的6G白皮书来看，大多数观点认为6G愿景是数字孪生[1]或者数字世界与物理世界的高度融合。欧盟的Hexa-X项目提出了6G将连接人类世界，数字世界和物理世界并助力三个世界的高效互动[2]。IMT-2030（6G）推进组于2021年发布的《6G总体愿景与潜在关键技术白皮书》提出了“万物智联，数字孪生”的6G愿景[3]。 在面向6G的物理数字融合世界中，终端将发挥重要作用。终端是构建数字世界的神经末梢，是物理世界与数字世界相互作用的媒介，并将提供物理与数字世界融合服务[4]。终端的能力和水平影响其在物理世界触达的深度和广度，从而直接决定了数字化世界的水平和运作效率，直接影响用户体验。 本白皮书将从面向6G的终端应用场景和需求出发，介绍终端友好的6G关键技术。 2.终端友好的场景和需求 面向2030年及以后，预计将有千亿的各类设备需要联网以满足不同场景的多样化需求。这些设备包括各类传感器（环境监测，工业制造，体域网等），水表电表等，各种智能家居的设备，可穿戴设备（手表，XR眼镜等），手机等。在面向6G新场景和增强能力时，目前终端的诸多挑战（功耗、复杂度、覆盖、成本、体积等）会进一步加剧甚至产生新的挑战，成为制约6G发展的瓶颈。这些挑战或问题包括： 未来广域接入需求与当前终端覆盖性能受限的矛盾 面向全频段多制式的泛在接入需求对终端成本体积功耗的挑战 目前的组网和接入不够灵活与普适性不强的问题 目前的终端的感知能力和支持计算的能力有限的问题 小区重选或切换失败导致的终端业务不连续和体验下降的问题 电池和供电技术有待突破与终端‘0’功率通信需求之间的矛盾 海量小包传输与较高的调度开销之间的矛盾 小型化终端的AI能力受限问题，以及能否借助AI进一步提升终端性能的问题 上述挑战或问题导致终端在未来物理和数字融合世界中发挥作用时不够“友好”；所以急需研究终端友好6G技术，为终端减负，“把复杂留给网络，把简单留给用户”。从终端侧看，终端友好包括降低终端的功耗、成本和复杂度，支持终端多样性，扩展接入场景，提升上行效率（能效、谱效），提升用户体验；甚至是终端放松某一点的体验，从而带来其他点的更好的体验。从网络侧看，终端友好诣在提升网络能力，以简化终端的相关流程和技术复杂度。 本白皮书涉及的终端友好的具体技术方向包括： 卫星与地面融合技术与多频段融合技术支持终端的广域泛在接入 终端原生组网支持终端灵活的接入 通感算融合扩展终端的服务能力 Cellfree技术支持终端‘0’感知的移动性体验 Backscatter和近零功耗接收机支持终端‘0’功率通信 新型多址接入支持终端的免调度传输和上行异步传输 AI与通信结合提升终端用户体验 3.终端友好关键技术 3.1卫星与地面融合技术与多频段融合技术支持终端的广域泛在接入 3.1.1卫星与地面融合技术支持终端的广域接入 广域接入技术能够为终端和用户在广域范围内提供无线接入，实现随时随地连接网络。当前，地面蜂窝移动通信系统覆盖的人口数量已经超过70%，但是由于技术和经济限制，只覆盖了20%的陆地面积，6%的地球表面面积，远不能满足广域无缝接入的要求。卫星通信具有覆盖广、对基础设施依赖小等一系列突出 优势，为地面蜂窝系统解决地球剩余94%面积的网络覆盖问题提供了一种低成本方式。地面蜂窝通信系统和高、中、低轨卫星通信系统融合发展，构建天地一体化通信系统，将极大地扩展终端的接入区域，可实现在全球范围内，任何人任何物在任何地点在任何时间无缝接入和泛在连接。在6G天地一体化系统中，卫星通信终端和地面蜂窝通信终端的有机融合是实现终端的广域无缝接入和泛在连接的关键。 相比地面蜂窝通信终端，目前，卫星通信终端在形态、功耗、通信速率、集成度、网络联通性等方面都不算友好。一方面是因为卫星通信传输距离远、大尺度衰落严重，当通信卫星是GEO同步卫星，且采用毫米波及以上频段时，路径损耗极大；另一方面是因为卫星通信领域标准化程度较低，系统之间缺乏标准化接口。 表1比较了典型的地面蜂窝通信终端和卫星通信终端，包括5G手机终端、天通一号卫星终端和亚太6D卫星终端。其中，天通一号卫星是我国首颗移动通信卫星，亚太6D卫星是我国最先进的Ku高通量卫星。 表1.卫星通信终端和地面通信终端的区别 项目 卫星通信终端 地面通信终端 天通卫星终端（GEO，S频段） 亚太卫星终端（GEO卫星，Ku频段） Sub6G终端 毫米波终端 形态 手持机 VSAT站（天线尺寸0.6m~1.2m） 便携终端（天线尺寸0.1m） 手持机 CPE 最大发射功率 33dBm 8W~16W（39dBm~42dBm) 1W（30dBm） 23dBm 23dBm 数据速率 1.2Kbps~9.6Kbps 下行80Mbps（带宽50MHz）；上行10Mbps（带宽8MHz） 上行7Kbps（带宽200KHz）、下行37.5Kbps（带宽500KHz） 以下行最大4层MIMO、下行最高256QAM调制、最大带宽100MHz、载波间隔30kHz计算：对于5ms单周期帧结构，单载波理论下行峰值速率为1.745Gbps；以上行最大1层SIMO传输、最大带宽100MHz、载波间隔30kHz计算：对于5ms单周期帧结构，单载波理论上行峰值速率为95Mbps(64QAM)或127Mbps（256QAM） 下行高于4Gbps；上行高于340Mbps 标准 天通一号标准 下行：DVB-S2上行：DVB-RCS 3GPP5GNR(FR1) 3GPP5GNR(FR2) 集成化程度 基带芯片40nm工艺 28nm或40nm 基带芯片5nm 基带芯片5nm 通信模式 双模（LTE+卫星）/单模 单模 多模 多模 用户数 数十万 数万 据爱立信预估，2021年底全球5G用户数量预估将超过5.8亿 注：5G手机终端指标来自于CCSA5G终端行业标准《2018-2364T-YDT3627-2019_5G数字蜂窝移动通信网增强移动宽带终端设备技术要求（第一阶段）》；5G毫米波CPE终端数据来自于中国信通院组织的在MTNet实验室进行的毫米波测试。 表1中，天通一号手持机同时支持卫星通信体制和4GLTE标准，但仅仅是两颗芯片的简单集成，在制式间切换、节省资源等方面都没有做任何的优化。目前卫星通信终端和地面蜂窝通信终端难以深度融合的主要原因是两种通信体制差异太大，而且卫星通信网络和地面蜂窝网络没有统一管理。 一方面，空口传输技术的选择直接决定了通信终端芯片实现方案，因此，终 端要实现两种空口的有机融合、资源共享，首先需要针对不同的通信信道特性、不同的通信场景和资源限制情况，统一设计融合的空口传输技术。另一方面，卫星通信终端和地面通信终端的有机融合意味着终端能够随时随地通过卫星节点或地面基站接入网络，并实现无缝切换。为此，需要设计星地融合的网络架构，实现一种网络架构覆盖卫星接入网和地面接入网，采用统一的接入管理机制，并研究高效、实时的移动性管理技术。相比地面蜂窝通信系统，卫星通信传输距离远，大尺度衰落严重，尤其是当用户链路使用Ku/Ka等高频段时，路径损耗更大。在卫星通信载荷能力一定的情况下，增大终端天线尺寸提高终端G/T值是实现高速数据传输的有效手段。解决终端大规模相控阵低成本化的问题是星地融合高频段终端规模化应用的必要途径。 但是，卫星通信与地面蜂窝通信存在较大差异，二者的信道模型不同、传输环境不同。卫星通信星载资源有限、传输距离远、低轨卫星节点高速移动等特点给空口传输技术融合、网络架构融合、移动性管理融合等带来挑战。3GPP立项的非地面网络（Non-terrestrialnetworks,NTN）项目致力于将卫星通信与5G融合，解决新空口（NewRadio，NR）支持NTN的问题。3GPPNTN标准化工作将为6G星地融合研究奠定基础。从终端友好的角度来看，6G星地融合关键技术包括天地一体化柔性网络架构、6G星地融合传输技术、低成本终端相控阵天线技术等。 1.天地一体化柔性网络架构 当前，卫星网络和地面蜂窝网络的架构差异大。面向未来天地一体化场景，高、中、低轨卫星网络和地面蜂窝网络融合组网，采用统一的柔性网络架构，构建端到端服务化的网络，实现全局统一的接入服务和移动性管理服务，对简化终端流程、降低切换时延都有利。 基于微服务的天地一体化接入网是构建柔性网络的关键环节。通过容器等云原生技术，利用微服务理念对无线协议功能进行重构，将各层相似功能按照微服务的方式进行重新封装，去除冗余，实现无线接入网的服务化设计。接入网各微服务可以独立演进、弹性扩展。微服务化的接入网包括资源配置服务、重传控制 服务、加密解密服务、移动性管理服务、信号处理服务、网络接入服务等。在天地一体化接入网中，通过星地协同提供统一的接入服务，可支持用户终端智能选择卫星接入节点或地面接入节点进行接入，保证接入方式最优。从终端来看，采用统一的机制接入网络，意味着接入网络对终端是透明、不可见的，从而极大地简化了终端实现。 2.6G星地融合传输技术 从终端的角度，采用星地融合统一的空口传输技术，能有效简化终端的产品设计，扩大产业生态链。在保持技术体系一致性的基础上，通过空中接口参数和协议机制的软件可配置和适应性修改，即可满足不同的应用需求。 相比传统的地面蜂窝通信系统和卫星通信系统，天地一体化系统面临更加复杂的传输信道环境，传输时延、大尺度衰落、多普勒频偏、散射等特性差异很大。如何高效利用时、空、频、码、功率等多维资源，设计星地融合统一的空中接口传输技术，是6G技术迫切需要解决的问题。 星地传输路径损耗大、星上资源受限、链路时延长以及低轨卫星高速移动，对同步和接入设计都带来了很大挑战。为了有效降低处理时延、提高用户体验，需要研究鲁棒的定时同步和极简的随机接入方案。尤其是对于没有GNSS定位和时频预补偿能力的终端，需要设计更加稳健的上行物理随机接入信道以克服定时偏移和频率偏差。 载波调制方式是极为重要的基础传输技术，实质上决定了数据传输的方式、频谱利用率和时频同步方案等。多载波调制方式凭借其灵活性和性能优势，是未来通信发展的主要方向。6G多载波调制技术需要充分考虑卫星通信和地面蜂窝通信在传输信道模型、链路余量、多普勒频偏、节点资源等特性的不同，将星地传输、宽带窄带、高低频都纳入统一框架，平衡频谱效率、载波灵活性和峰均比等指标。 6G阶段，会面临从地面网人本位城市覆盖组网方式向物本位全球覆盖组网方式的逐渐转换。物联网，尤其是卫星物联网，将是6G重要的应用场景之一。 在频谱资源越发