2023年6G通感算一体化系统架构与关键技术白皮书

中国联通6G通感算一体化系统架构与关键技术白皮书 中国联合网络通信有限公司研究院 下一代互联网宽带业务应用国家工程研究中心 2023年08月 前言 本白皮书基于中国联通对于通信感知计算一体化系统架构和关键技术的深入研究，从运营商开展网络建设和应用部署的角度出发，介绍了通信感知计算一体化的应用场景、分析了未来一体化系统设计面临的挑战，提出了通感算一体化网络架构设计方案，并详细阐述了网络架构、无线空口、多模态协同感知、算力供给、系统安全、业务编排和网络调度以及服务性能指标等关键技术。 6G通信感知计算一体化尚处于研究阶段，需要持续研究，逐渐形成业界共识。 本白皮书的版权归中国联通所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本白皮书之部分或全部内容。 联合编写单位及编写组成员：（排序不分先后） 总策划：李红五、马红兵、唐雄燕、王明会、范斌、王波 编委会：王友祥，裴郁杉，黄蓉，梁辉，李瑞华，常瀚文，庞博，范琨，李乐，程奥林，刘珊，黄倩，李先达，陈杲，吴越，周伟，陈瑶华，刘欢欢 目录 1.6G通感算一体化应用场景1 1.1.通信服务2 1.2.感知服务3 1.3.计算服务4 1.4.通信感知计算一体化服务5 2.6G通感算一体化服务面临的挑战7 2.1.频谱挑战7 2.2.能效挑战8 2.3.系统挑战8 2.4.安全挑战9 2.5.性能评估11 3.6G通感算一体化网络架构12 3.1.资源层12 3.2.功能层13 3.2.1.控制面功能14 3.2.2.用户面功能14 3.2.3.数据功能15 3.2.4.计算功能16 3.3.管控层17 3.4.服务层18 4.6G通感算一体化系统关键技术19 4.1.无线空口关键技术20 4.1.1.通感算一体化信号波形设计20 4.1.2.通感算一体化多天线技术22 4.2.网络化协同感知技术24 4.2.1.多点组网协同感知技术24 4.2.2.多模态协同感知技术26 4.2.3.低功耗通信感知技术27 4.3.计算服务关键技术29 4.3.1.计算资源状态感知29 4.3.2.计算任务协同调度30 4.4.融合服务编排31 4.5.网络协同调度32 4.6.安全关键技术35 4.6.1.6G区块链技术35 4.6.2.隐私保护技术36 4.7.网络与服务性能指标体系37 5.总结与展望39 缩略语41 参考文献43 附件1：不同阶段可实现的感知指标45 1.6G通感算一体化应用场景 根据ITU-R“IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书”[1]，未来6G将包含沉浸式通信、超大规模连接、极高可靠低时延、通信与智能融合、感知与通信融合、泛在连接等六大典型应用场景。通过与其他技术的结合，如先进计算、人工智能、大数据、区块链等，6G将实现网络性能和服务能力跃升，全面引领经济社会数字化智能化绿色化转型[2]。 6G典型应用场景将在5G三大场景基础上进行增强和扩展，提供新的服务能力和应用价值。一方面，6G将在5G三大通信使用场景基础上不断扩展，以可持续发展的方式拓展移动通信能力边界；另一方面，6G也将扩展到通信使用场景之外，引入人工智能、感知、计算等服务场景。未来，6G能够实现人、机、物的泛在智能连接、物理世界和虚拟世界的融合交互，成为承载新用户、赋能新应用的新型数字信息基础设施。 面向2030年及未来，人类将进入智能化时代，数字化、智能化和绿色化将是社会发展的趋势。从移动互联，到万物互联，再到万物智联，未来全新的场景及应用需求将极大拓展移动通信网络服务的能力边界，6G将有效服务智能化生产与生活，通过人机物智能互联、协同共生，带来数字经济与实体经济的全面融合，推动社会普惠智能、绿色健康可持续发展，满足经济社会高质量发展需求。 1.1.通信服务 通信服务是移动通信网络的基础业务。6G网络作为5G网络的继承者，在网络能力上将会大幅度提高，可以实现更高的传输速率、更低的传输时延、更大的用户接入能力、更好的频率效率，还将具备智慧内生、多维感知、安全内生等能力，将超越5G现有的个性化通信服务，满足未来人们对通信服务的所有需求。6G网络的服务区域也将会从地面扩展至空天地海，实现立体的无缝连接覆盖，随时随地满足安全可靠的“人、机、物”无限连接需求。同时，6G将持续拓展移动通信能力边界，全面引领经济社会数字化、智能化和绿色化转型，最终实现“万物智联、数字孪生”的美好愿景[3]。 在性能指标方面，ITU-R“IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书”定义了15个能力指标，与5G相比，IMT-2030能力指标分为两类，即针对IMT-2020增强的功能和支持IMT-2030扩展使用场景的新功能，每种功能在不同的使用场景中可能具有不同的相关性和适用性。其中，针对IMT-2020增强的功能包括峰值速率、用户体验速率、频谱效率、区域流量密度、连接数密度、移动性、时延、可靠性、安全隐私韧性性能9个指标，支持IMT-2030扩展使用场景的新功能包括覆盖、感知相关指标、AI相关指标、可持续性性能指标、互操作、定位6个指标。 1.2.感知服务 6G网络通过利用通信信号实现对电波传播环境以及其中目标物的检测、定位、识别、成像等感知功能，获取相关信息并智能分配网络资源，提供感知服务。 从感知方式上，根据是否主动发射用于感知的电磁波，可将6G感知分为主动感知与被动感知。主动感知是指感知者主动发射电磁波，经目标对象反射后，感知者接收回波信号，进行处理分析感知。被动感知是指感知者通过接收来自目标对象的电磁波（目标对象主动发射电磁波或者反射其他电磁波）进行感知。根据感知者与感知目标对象是否进行信息交互，可将感知分为交互感知与非交互感知，其中交互感知是指双方对用于感知的电磁波的信息进行交互[5]。此外，6G网络还需要支持其他模式的感知信息协同，如温度计、湿度计、气压计、陀螺仪、加速度计、重力传感器等接触式感知，以及光感知、声感知等非接触式感知，从而能够提供更加丰富的感知服务。 从6G网络本身考虑，感知服务可以分为对外感知服务和对内感知服务两大类。对外感知是指感知网络外部环境和物体，包括物理环境（目标运动状态检测与识别、目标成像等）等，基于感知能够提供的服务包括高精度定位、高分辨率成像、参数测量（速度测量、距离测量、角度测量）、手势/动作识别、生命体征监测、环境 监测、入侵检测等。对内感知是指感知6G网络自身运营状态等，包括电磁环境（信道状态、频谱质量、电磁干扰等）、不同业务的需求（传输速率、通信时延、算力要求等）、网络物理与数字空间状态 （网元设备运行状态及资源使用情况、AI训练模型库、数字孪生网络运行状态等）等[7]。 此外，随着感知业务的快速发展，未来许多物联场景对终端设备提出了低功耗的需求，如在高空、高温、辐射等严苛环境下或对设备体积敏感的植入式医疗、仓储物流等终端设备。在这些场景中，感知终端不方便使用或频繁更换电池，因此未来6G网络也需要考虑支持低功耗的感知服务和无线供能服务。 1.3.计算服务 随着产业和社会的数字化进程加快，“算力”作为数字社会的生产要素，其需求呈现指数级增长的趋势，6G网络引入新的资源维度，包括多样性的算力资源、存储资源、数据类型、计算模型等，实现多维度资源聚合，协同提供计算服务。 根据服务对象的不同，计算服务可以分为对外计算服务和对内计算服务。未来很多6G应用会是计算密集型的，如全息通信、协作机器人、沉浸式XR、3D虚拟现实、数字孪生等，同时这些应用具有极致性能的需求，因此6G需要按需提供实时的计算服务，将终端侧、边缘侧、网络侧和云端的多维计算资源通过网络化的方式 进行协同管理，灵活调度，保障业务的服务质量。 对内服务主要是面向6G网络自身的多维度、非线性等复杂问题而提供的高效计算服务，以实现网络本身的智能管控、资源编排与优化，并实现全域全量数据关联的数字化运维和端到端的QoS感知保障，提升网络智能化水平，提高业务服务能力和资源使用效率。 1.4.通信感知计算一体化服务 利用软硬件资源的协同与共享，通信、感知和计算融合一体可以实现多维感知、协作通信、智能计算功能的深度融合和互惠增强，从而能够对物理世界进行观测并采样，开启物理世界与数字世界融合的通道，提供定位、测距、测速、成像、检测、识别等多元化能力，极大满足超高分辨率和精度的应用需求，如包括产业升级领域中的位置感知、接近检测、缺陷检测、无人监控、环境重构、数字孪生等，社会治理领域的环境监测、危险物品探测等，智慧生活领域的手势和动作识别、安防监控、行为监测、健康监测等。 当通信、感知、计算是相互独立的系统和功能时，它们服务的目标对象均是系统外部的客户或者消费者。未来6G系统的感知和计算功能，不仅可以提供对外的业务服务，同时也可以服务于6G网络本身。若将感知和计算（包含AI）分别视为一种工具，协同通信功能，三者之间可以相互辅助、功能增强。通过对业务需求（传 输速率、通信时延、算力要求、性能指标等）、网络物理与数字空间状态（网元设备运行状态及资源使用情况、AI训练模型库、孪生网络运行状态、算力负载等）等进行感知，从而实现业务加载时的预配置和动态调整，提升6G网络的通信能力；并根据对计算资源和计算服务的部署位置、实时状态、负载信息和业务需求的感知，合理分配计算任务，实现高效计算服务。基于通信、感知和计算的融合一体设计，可以实现整体网络性能提升。6G作为新一代智能化综合数字信息基础设施，将与人工智能、大数据、先进计算、区块链等信息技术交叉融合，实现通信与感知、计算、控制的深度耦合，成为服务生活、赋能生产、绿色发展的基本要素。6G系统通过感知服务对物理世界进行采样同时构建数字世界，通过通信服务为物理世界提供连接，通过计算服务对通信和感知的过程和数据进行处理。如果以数据为中心，感知则进行数据采集，通信则是数据传输，计算是数据处理。因此，除了信息传递者之外，6G还将扮演信息生产者和信息加工者的角色。 2.6G通感算一体化服务面临的挑战 2.1.频谱挑战 6G通感算一体化服务要求在同一个设备、相同频谱上同时支持通信和感知服务，并能够提供实时的计算能力，未来可以进一步支持无线传能服务，然而通信系统的频谱资源是有限的，多业务的频谱共用对运营商提出了挑战： 6G网络拥有海量的节点，包括网络侧设备和用户侧设备，通感算一体化的服务将产生大量的感知数据、模型数据和网络信息数据的传输需求。同时，无线空口的感知功能引入了感知链路，新功能的引入会带来严重的干扰问题和资源拥挤，对运营商有限的频谱资源提出了严峻挑战。因此，需要考虑海量节点的合理有效接入，在保障业务服务质量的基础上，更加高效地在各个功能维度上分配调度频谱资源，提升网络的资源利用率。 6G通信、感知和传能服务在波形设计、波束赋形、覆盖强度等方面具有不同的性能目标和要求。此外，6G感知业务需要同时支持导航、模式识别、成像、运动、重构等多类型业务，并可按时、按区域地进行管控，实现不同精度的感知性能。因此，运营商需要结合不同频段的物理特性，灵活设计频率使用策略，以满足不同业务的性能要求，同时网络的运营复杂度和维护成本会大幅增加。 2.2.能效挑战 根据主设备厂家基站设备的测试结果，2019年5G的单位比特能耗是4G的20%，但由于5G峰值速率的提升，5G单站的能耗是4G单站的4倍。随着技术的发展进步，5G系统的能耗有所降低，预测2025年5G的单站能耗将仍为4G单站的2倍[8][9]。相比2019年，2022年我国基站总数增长了28.8%，其中绝大部分是5G基站[10][11]，同时运营商的基站电费从2019年的214亿元增长至2022年的309亿元，增长了 44.5%[10][11]。据测，2026年国内运营商全部升级5G后，电力消耗将达到全国总用电量的2.1%[12]。因此，未来6G网络的建设和新能力的引入将进一步加剧能耗问题： 高精度的感知和更大带宽的通信，需要引入高频通信和大规模阵列天线技术，更多的硬件设备将进一步提升基站的