面向多维立体全场景的6G绿色无线接入网白皮书

面向多维立体全场景的6G绿色无线接入网白皮书 参与单位 北京邮电大学电子科技大学 华为技术有限公司中国移动通信有限公司 前言 随着5G网络的大规模商用，人工智能（AI）、云计算、边缘计算的发展加速了信息技术、通信技术和数据技术（ICDT）的深度融合，同时也推动整个社会走向数字化、信息化、智能化。目前，6G研究的序幕已经拉开，得到了学术界和产业界的广泛关注。6G将进一步深化现有5G的人工智能与无线网络的融合，作为一种新型的综合战略基础设施，推动工业互联网、能源互联网、智能交通、智能医疗等垂直行业的数字化和智能化。 在未来移动通信向全场景应用发展、ICDT走向深度融合等重要趋势下，面向6G网络架构的变革与发展需求，6G无线接入网络将不再是单纯的通信网络，而是集通信、感知、计算为一体的信息网络，同时空天地等多种接入域、多种网络域深度融合，需支持多维立体全场景下不同无线接入方式，固定/移动/卫星/无人机（UAV）等多连接类型以及多服务类型。为使能“万物智联，数字孪生”，6G网络需要支撑智慧内生、泛在连接、多维融合，传统的集中式智能计算架构已经不能满足低延迟高可靠的通信和计算要求，难以高效支撑未来6G网络泛在智能的需求。这些都对6G无线接入网络架构设计提出了重大挑战。另外，为了更好地支持6G新兴无线业务，6G无线接入网还需要动态、灵活地对用户需求和时变环境的智能深度感知，在有限资源、给定网络能力下更加轻量化、高效智能地满足无线网络动态、时变的差异化服务质量（QoS）需求和不同特定场景的业务需求。 本白皮书将从6G无线接入网（RAN）所面临的全新需求与挑战出发，面向ITU-R提出的6G网络愿景，重点介绍6G多维立体全场景服务下的新型绿色无线接入网络架构，包括无线接入网侧的新型逻辑功能架构及场景部署架构。部署架构中包含高低频协作无线接入、空天地融合无线接入和无线内生智能接入三个主要的部署场景。然后介绍该RAN架构两方面的关键使能技术——6G多网共生融合技术和6G无线接入内生智能技术。最后对6G无线接入网在未来的研究和标准化工作进行了展望。 本白皮书为国家研发计划重点专项“宽带通信和新型网络”项目《6G网络架构及关键技术》（项目编号：2020YFB1806800）资助成果。 目录 16GRAN需求挑战与技术趋势1 1.1需求1 1.2挑战3 1.3技术趋势5 26G多维立体全场景服务下新型绿色无线接入网络架构8 2.1设计理念8 2.2逻辑功能架构9 2.3场景部署架构13 2.4架构特征——绿色、多维、立体和全场景服务20 3使能技术——6G多网共生融合技术23 3.1UCN异构接入技术23 3.2高低频协作接入技术26 3.3空天地融合无线接入技术29 3.4多维接入网络资源智能编排31 4使能技术——6G无线接入内生智能技术34 4.1无线分布式协同智能框架34 4.2有中心模型聚合协同接入技术38 4.3全分布式模型聚合协同接入技术39 4.4分布式智能框架下的资源管理40 5总结与展望43 参考文献44 16GRAN需求挑战与技术趋势 1.1需求 5G网络的商用激发了人们对下一代移动网络的想象和期待。6G在5G基础上，将从服务于人、人与物，进一步拓展到支撑智能体的高效互联，将实现由万物互联到万物智联的跃迁，将持续提升人们的生活品质，促进社会生产方式的转型升级，并且为人类社会可持续发展的终极目标做出贡献。一方面，新业务与新应用将被开发出来，它们需要更高的网络性能，如更高的数据速率、更低的时延，这些都超出了5G无线接入网的能力范围。另一方面，需要更敏捷的网络服务能力，尤其是对于5G无法高效支撑的ToB业务，需要满足其业务快速上线需求。再者，新涌现出的业务具备明显的个性化需求，无线接入网需要具备灵活适配业务需求的能力，实现网络功能按需定制，资源按需配置。 随着大数据、云计算、物联网和人工智能等新一代技术和应用的发展，以及ICDT的深度融合，6G社会将逐步走向“数字孪生，智慧泛在”。6GRAN将通过提供物理空间与虚拟空间的通信服务构建人类社会、物理世界和虚拟世界融合交互、紧密连接的网络空间，通过数字化世界创造全新价值，实现“6G改变世界”的美好愿景。 2030年及以后，在数字孪生世界和智慧泛在的背景下，移动通信的应用场景将会呈现出全新的特点，支持无处不在的无线连接、大数据和人工智能等全新的技术，并催生出智享生活、智赋生产、智焕社会3大方面的应用场景，包含空天地一体化、通感互联、智能交互等。6GRAN将不再 仅局限于提供通信的功能，而是随着感知-通信-计算-AI-安全融合的大趋势，从传统单一的功能拓展到提供感知、计算、AI和安全等新的网络能力。 国际电信联盟无线电通信部门于2023年6月在第44届ITU-RWP5D会议通过了《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》，该建议书对5G原有三大应用场景进行增强和扩展，包含沉浸式通信、超大规模连接、极高可靠低时延、人工智能与通信的融合、感知与通信的融合、泛在连接等六大典型场景。沉浸式通信场景涵盖了为用户提供丰富的互动视频（沉浸式）体验的用例，包括与机器界面的互动；超大规模连接场景涉及连接大量的设备或传感器；极高可靠低时延场景涵盖了预计对可靠性和延迟有更严格要求的专门用例；人工智能与通信的融合场景将支持分布式计算和人工智能驱动的应用；感知与通信的融合场景促进了需要传感能力的新应用和服务；泛在连接场景旨在加强连接性，以缩小数字鸿沟。 同时，空天地融合组网也是未来的一大趋势，卫星网络、无人机网络等将是地面网络的重要补充，实现天基、空基、陆基等各类用户接入与应用，能够在任何地点、任何时间、以任何方式提供全场景的信息服务。并且随着AI技术的发展，网络的智能也将在网络运维、资源编排、空口调度等方面释放出更大的潜力，为智慧社区、医院、工厂等不同用户场景下的多维度异构业务需求提供通信、感知、计算、存储等一系列能力的按需服务，真正实现AI不再是“外挂式”的存在，而是内生于网络，从而更好的为网络提供服务。 因此为了满足未来业务和应用发展的需求，6GRAN的设计需考虑新型网络架构，以在更多维度上取得网络能力的突破，实现极致的性能追求。 1.2挑战 5G技术满足了人们对大宽带、高数据速率、大连接密度、低延时的通信需求。在未来6G系统中，上述技术将会继续得到增强，并扩展更多的应用场景。面向2030年，6G业务和应用将朝着需求的多样化、覆盖的立体化、交互形式与内容的多样化、业务的开放化和定制化、以及通信计算、AI和安全的融合化的方向发展。然而，当前无线接入网络在网络架构设计、组网模式和资源管理上存在不灵活智能、融合网络之间信息交互复杂、开销大且低效能等问题，无线接入网络由5G向6G的演进中将面临诸多的挑战。 1.网络架构设计不够灵活 现有网络主要采用一体化的结构，这导致网络的建设完全是按覆盖的要求进行规划和建设，基站形态单一，网络管理和维护的方法比较传统，网络运维效率较低，网络结构单一固化，这些特点导致了网络部署的高成本和高功耗问题。另外，由于现网支持2G/3G/4G/5G多网共存与互操作，在提供更高吞吐量和更好的业务连续性保障的同时也增加了更多的网络功能、交互流程、管理策略和异常因素，使得网络架构与管理更加复杂。因此需要6G及其后续网络在网络架构设计方面发展自我演进能力，以智能地利用资源，降低运营成本，并保证高服务质量。 2.组网模式难以支撑多元化演进 6G网络频段将要由目前的700MHz~2.6GHz等扩展至毫米波甚至太赫兹和可见光等频段，覆盖将由地面覆盖到立体覆盖，实现星地一体融合 组网。但由于非地面网络的网络拓扑结构动态变化以及运行环境的不同， 地面网络所采用的组网技术不能直接应用于非地面场景，需研究空天地一体化网络中的新型组网技术，考虑新的立体组网模式。另一方面，随着分布式边缘计算以及智能网络节点大量部署，计算和存储等资源下沉至边缘节点，6G需要中心化集中管理的蜂窝组网与分布式协作的云边融合组网共同支持多样化场景的业务需求，满足用户的差异化需求。 3.多维资源管理不够智能化 5G网络引入了网络切片技术，但切片在无线侧和核心网的融合设计和优化仍需进一步验证和完善，并且在使用网络和托管资源时，除了对切片进行独立管理导致更高的运营成本之外，还存在效率较低的风险。因此，6G将发展无线资源的智能灵活编排技术。6G要服务于各行各业新涌现的个性化业务，就需要对各种资源，包括通信、计算、数据等维度，进行更智能化的管理编排，使之具备灵活适配业务差异化需求的能力。同时，由于分布在不同地理位置的无线节点的可用资源是泛在化、异构化的，需要6G网络通过模型函数将不同类型的多维资源映射转换，形成业务层可理解、可阅读的资源池，为网络的资源匹配调度提供基础保障。在数据维度，6G需要借助于信息和学习理论对从物理世界中采集的大量数据进行管理编排和有效地利用，构建一个数字世界。在通信维度，6G系统设计将编排使用尽可能少的带宽资源实现海量大数据的有效传输，降低通信成本。在计算维度，需要在6G网络中最优化计算资源的分布，以最大限度地编排利用移动边缘的计算能力。 4.融合网络之间的信息交互复杂 传统网元之间采用专用接口进行通信，需要进行相应的接口建立。为 了保证特定业务或服务需求，3GPP定义了一系列协议，如用于D2D发现 /通信的ProSe/PC5Signalling协议、用于定位的LPP/NRPPa协议、用于实现QoSflow到DRB映射的SDAP协议、用于回传的BAP协议等。这些协议功能的引入不仅增加了标准化工作量和实现难度，还增加了测试与运维的复杂度。此外，5G无线网络采用分层结构，每一层功能处理都会引入时延，信令面与用户面和协议栈功能之间也存在一定的耦合，妨碍了网络功能的灵活按需部署。6G在5G基础上，将从服务于人与物，进一步拓展到支撑智能体的高效互联，将实现由万物互联到万物智联的跃迁。新业务与新应用将被开发出来，它们需要更高的网络性能，如更高的数据速率、更低的时延，这些都超出了5G系统的能力范围。另一方面，网络需要更敏捷的服务能力，尤其是对于5G无法高效支撑的ToB业务，需要满足其业务快速上线需求。这要求6G具有智简统一的协议和网络体系，以降低支撑各类业务之间的逻辑约束，实现网络服务即插即用。 上述存在的问题和挑战将成为6G网络设计的重要驱动力和创新目标。 1.3技术趋势 ITU-R在《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》中从全面的视角阐述了未来6G网络将是一个具有包容性、安全性、自治性、可持续性的泛连接绿色网络，并要求6GRAN侧完成新技术的突破以应对未来6G通信中更为严峻的挑战。结合6GRAN未来业务和应用发展的需求，新兴的技术趋势可能包括以下方面： 1.通信与AI融合提升底层空口传输性能研究 在未来大规模甚至超大规模MIMO场景下，研究基于AI的空口侧技术增强，应对由于密集天线阵列所带来的更复杂CSI反馈、波束形成和接收机设计等挑战，达成更可靠的空口传输，提升空口性能，并实现在空口侧进行网络的自我监控、自我组织、自我优化、自我修复和自我管理。 2.频谱共享和动态频谱分配技术提升频谱利用率研究 频谱是无线通信中有限且稀缺的资源，但目前很多已分配的频谱资源长时间处于闲置状态，利用率低下，严重浪费珍贵的频谱资源。研究基于动态频谱共享协议或者规则，动态分配资源，合理规划并有效利用闲置频谱，提升频谱的整体利用率。 3.基于分布式AI技术提升网络侧通信能力研究 随着硬件性能的提升，无线终端侧拥有更加强大的计算能力，这为分布式AI的实现提供了算力基础。同时广泛分布的终端物联网设备感知与存储为分布式AI的实现提供了数据基础。研究基于分布式AI的未来6G网络，促进AI与通信融合，赋能边缘智能，实现网络的智能内生和泛在AI。 4.基于内生智能的无线网络实现网络智能服务研究 支持智能服务（如智能数据感知、按需能力供应等）的无线网络将是IM