中国联通6G通感智算一体化无线网络白皮书

中国联通 6G通感智算一体化无线网络白皮书 中国联通研究院2023年6月 版权声明 本报告版权属于中国联合网络通信有限公司研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其他方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国联通研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 目录 一、无线网络演进的新需求与新挑战3 （一）业务发展趋势3 （二）技术发展趋势3 （三）主要演进挑战5 二、通感智算一体化无线网络架构及关键技术6 （一）通感智算一体化的网络架构6 （二）通感智算一体化的内在关系8 （三）通感智算一体化的关键技术9 1.算力技术9 2.智能化技术14 3.通感融合技术17 4.关键技术部署方案及建议19 三、通感智算一体化无线网络应用案例20 （一）智能节能20 （二）智能编排23 （三）物理层智能24 （四）通感融合26 （五）智能超表面27 四、未来推进计划30 五、总结与展望31 前言 5G使能的个人、行业和家庭应用正呈现爆发性增长。5G-A将深化千行百业数智化转型，进一步提升网络能力、实现工业生产效率提升和高品质智慧服务；6G将构建万物智联、数字孪生的全新世界，实现真实物理世界与虚拟数字世界的深度融合。当前数字化转型已逐步深入到生活的方方面面，产业数字化推动生产方式向更高质量、更加智能方向转变，数字技术支撑高精度、高可靠、准实时的信息传输以及与人工智能、大数据、云计算等新技术的融合应用，通信行业亟需打造新型数字信息基础设施，以适配业务发展需求。 中国联通全面承接新时代赋予的新使命，将“十四五”公司发展的定位明确为“数字信息基础设施运营服务国家队、网络强国数字中国智慧社会建设主力军、数字技术融合创新排头兵”。为全面建设广度、厚度、深度行业一流的智能化综合性数字信息基础设施，落实网络强国战略，满足业务应用“智慧化、沉浸化、全域化”的发展趋势，未来网络发展需将网络世界、数字世界与物理世界无缝融合，中国联通将把握数字化、网络化、智能化方向，构建“通感智算一体化”网络架构体系，实现“万物智联”。 中国联通于2019年首次提出了“弹性空口”无线技术综合演进方案，以提供差异化、面向应用、快速部署的整合能力为目标，推动5G无线技术演进和网络建设。2021年中国联通在“弹性空口”基础上提出了5G-A无线技术演进方案“弹性空口3.0”，提出将面向 -1- 2C的尽力而为的无线网络打造成面向千行百业的确定性、定制化和智能化的无线网络。同年中国联通发布了“中国联通6G白皮书”，向业界阐述了中国联通在6G研究起步阶段，对下一代通信网络愿景、网络特征、网络需求和关键使能技术的初步观点，提出了联通的6G初步愿景：“智能、绿色、融合、弹性”。 本白皮书是对前期弹性空口方案和6G研究在通感、智能、算力方面的进一步深化，提出了更具体的无线网络演进方向和技术，即“6G通感智算一体化无线网络”演进架构及技术方案，总结了中国联通面向5G-A及6G在智能节能、智能编排、RIS、通感等方面的多项技术试验及应用成果，在通信网络的各层面引入了感知、智能、算力能力，以实现“智能、融合、绿色、可信”的6G愿景，构建助力千行百业的数字化转型、智能化升级、融合化创新的新一代无线网络。 编写组成员（排名不分先后）： 李福昌、李露、马艳君、杨艳、刘秋妍、张涛、魏进武、李红五。 一、无线网络演进的新需求与新挑战 （一）业务发展趋势 人工智能、大数据等IT技术的发展催生行业领域丰富的新场景、新用例，感知“S”、计算“C”、智能“I”将是5G-A甚至6G新系统的重要技术组成，实现ODICT融合。IMT2020已经明确5G-A六大应用场景：沉浸实时、智能上行、工业互联、通感一体、千亿物联、天地一体；ITU在IMT-2020三大场景（EmbbUrllcMmtc）基础上深化，构建了扩展应用并赋予新能力的演进型场景，将增强型移动宽带扩展为沉浸式通信，同时拓展了泛在连接沉、智能融合和通信感知融合三大新型场景，最终形成6G六大应用场景，即沉浸式通信、极可靠和低延迟通信、大规模通信、泛在连接、通信智能融合、通信感知融合六大6G场景。 新型6G场景下的众多业务应用具有密集型计算、极致性能的特征，当前网络无法在高效地保障用户体验的情况下为网络自身和终端按需提供计算服务，此外算力能力将成为6G内生智能、感知等计算型服务的基础平台能力。因此网络架构向“通感智算一体化”方向演进是面向6G发展的必然趋势。 （二）技术发展趋势 当前5G网络不断向超上行、低时延、融合感知的方向持续演进，以满足实现大上行、低时延高可靠和高精度定位等面向行业的需求。 但5G网络架构、功能和参数复杂，面临高能耗、高成本、运维难的挑战；此外，随着XR、V2X、工业互联网等新兴业务的兴起，对网络智能化、部署灵活性也提出更高要求，而传统无线网设备功能固化，无法满足多种业务形态下的差异化部署需求、无法满足能力开放需求。随着计算、大数据、AI等技术的发展，6G网络将向弹性、敏捷、定制化等多维能力融合网络演进。 基于未来业务发展趋势，6G网络将实现全域融合和极致连接，为用户提供随愿按需定制的弹性开放服务，同时向智能原生、数字孪生、绿色共享、算网一体、安全可信等方向进行能力演进，以实现“智能、融合、绿色、可信”的6G愿景，通感智算一体化架构将是实现6G网络能力的基础： 通感：将物理世界感知加入通信网络是未来6G网络发展的趋势，6G通感融合中需要打通感知和通信的关键指标、判别标准及关键技术，并以人工智能技术与感知高效重组和结合，提升智慧交通、智慧城市、智慧工厂等各项应用的能力。 智能：6G智能化将从AI助力网络发展向网络为各项应用提供智能化服务方向演进，并且6G智能化具备智能内生和分布式智能化特点，移动通信网络不仅是传输管道，更要将智能服务所需的多维资源进行深度融合。 算力：算力与无线网深度融合是解决无线网络智能化需求、多维接入资源管理需求、网络敏捷和灵活性需求的基础，在向6G演进过程中，信息基础设施将从通信网络设备向算网一体设备转变，从而降低基础设施迭代更新成本、提高网络和硬件资源效能。 （三）主要演进挑战 传统无线网络专注于连接和管理，6G通感智算一体化无线网络需要增加感知、智能、算力、数据处理、增强的安全等能力，这些能力如何与现有网络结合是极具挑战性的问题。同时，6G通感智算一体化无线网络也要适应未来业务场景的多样化、DOICT技术的融合、商业的极致性能、持续发展的社会责任等需求，复杂程度进一步增加。 现有5G网络不能满足通感智算一体化的高速、低延迟、高可靠性、多域数据融合等需求。现有5G网络通信协议的数据传输路径需要经过CPU和系统内存的多次拷贝，导致数据交换开销和延迟增加。现有5G的网络架构和拓扑结构不能适应网络感知、智能应用、算力调度的动态性、灵活性和自适应性。因此，6G通感智算一体化网络的演进面临巨大挑战。 实现6G通感智算一体化网络在通感方面需要融合通信和感知两种典型功能，因此需要充分考虑核心网、空口等网元或者资源在感知和通信资源的业务化均衡。在空口方面比较典型的是如何采用合 适的波形、帧结构或者MIMO技术实现感知功能，尤其是在感知精度要求较高的情况下，存在感知精度提升的挑战。在网元和架构设置方面，需要综合考虑通信和感知需要的时延、业务处理能力等进行架构的合理化设置。 实现6G通感智算一体化网络在智能化方面面临数据采集、处理、存储的挑战，数据使用安全方面的挑战，模型训练算力资源不足的挑战，模型使用泛化性、稳定性的挑战等。另外，不同行业和场景中的智能服务对网络的需求千差万别，模型评估及智能化服务质量指标尚无成熟的量化评估方式，如何评估智能化服务质量也是一个重要挑战。 实现6G通感智算一体化网络在算力方面存在算力部署、感知、调度、编排、安全等问题，未来6G网络对算力需求巨大，多维算力资源广泛分布大量的异构网元节点中，在各个网元节点可能都有算力部署，因此如何高效利用算力资源以及分布式算力协同将是未来需要解决的问题。 二、通感智算一体化无线网络架构及关键技术 （一）通感智算一体化的网络架构 6G网络将实现全域融合和极致连接，通感智算一体化架构将是 实现6G网络能力的基础。6G通感智算一体化无线网络可划分为应用域、控制域、资源域、终端域四个层面，通过在各层面引入感知、智能、算力能力，构建面向通感智算一体化无线网络的全域智能架构。应用域主要指OSS网管侧的网络智能化应用，典型应用包括网络智能节能、智能定位、智能根因分析等。控制域主要从智能化网络资源管理的出发，包括通感融合的控制层面、意图解析等方面的技术及方案。资源域包括网络感知、基站算力及边缘云等，可实现高层AI（通感融合、智能编排）、物理层AI（编译码、信道估计、智能波束管理）、智能材料（智能超表面）等。终端域主要从无线网络和终端协同的角度出发，支持终端智能化、通感融合的实现，典型应用包括端网协同、环境感知、智能适配等。 图3-1通感智算一体化无线网络架构图 （二）通感智算一体化的内在关系 6G通感智算融合，即通过智能化技术，基于网络算力基础，利用移动通信设施感知未来物理世界，实现通信网络与感知网络协同，从而为用户提供更好、更智能的服务。在通感智算一体化网络中，算力将成为核心基础设施，为智能化、通感提供计算平台。AI为无线网络的运行提供了许多潜在的功能增强，是无线网络发展的加速器。通感融合具备将通信、感知、算力等因素基因化再进行智能基因重组，实现智能化、融合化、低碳化、高效能化的全新无线架构，因此通信和感知一体化无线网络是未来网络发展的必要目标。 6G通感智算一体化网络支持物理世界、算力和网络相互感知相互融合，对网络自身而言2N（ToNetwork）具备网络智能自治能力，下沉的算力资源可为2B（ToBusinesses）用户提供更低时延、更高可靠的本地化服务，并能灵活地对2C（ToCustomers）用户提供算力及智能化服务，实现算力资源、连接资源的合理分配。 图3-2通感智算一体化无线网络关系图 （三）通感智算一体化的关键技术 1.算力技术 算力一般定义为设备通过处理数据，实现特定结果输出的计算能力，常用FLOPS（Floating-pointOperationsPerSecond）作为度量单位。数字经济时代，算力是多技术融合、多领域协同的重要载体，作为生产力支撑数字经济发展的坚实基础。算力发展历经三个阶段，早期单点式计算通过使用一台大型机或一台PC独立完成全部的计算任务使用；随着计算需求的增加，单点式计算逐渐呈现算力不足的趋势，出现了如网格计算等的分布式计算架构，分布式计算可将巨大的计算任务分解为很多的小型计算任务并交给不同的计算机完成；随着信息化和数字化的不断深入，引发了各行各业对算力的强烈需求，云计算技术应运而生。云计算技术可以看作分布式计算的新范式，其本质是将大量的零散算力资源进行打包、汇聚，实现更高可靠性、更高性能、更低成本的算力。 面向智算一体化的无线网络架构演进，算力基础设施将与基站基础设施深度融合，形成算力资源池，满足感知和智能化带来的大量计算需求。无线网络通过在算力上搭载智能化应用，实现对网络资源和性能的优化；算力编排中心通过对网络状态、能力、需求，以及算力分布的感知，实现算力资源的高效利用。 (1)算力资源类型 算力通常分为两大类，即通用算力和专用算力。通用式计算类型多样，如CPU；专用指计算类型单一，如FPGA或ASIC。 CPU中央处理器作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元，CPU是对计算机的所有硬件资源 （如存储器、输入输出单元）进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。CPU有大量的缓存和复杂的逻辑控制单元，其优点是非常擅长逻辑控制、串行的运算，缺点是不擅长复杂算法运算和处理并行重复的操作且功耗高。 GPU图形处理器，又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（