2023年6G白皮书-6G未来可期

©紫光展锐（上海）科技有限公司版权所有 6G白皮书 紫光展锐 2023年9月 目录 目录I 1前言1 26G趋势、应用场景与需求3 2.16G趋势3 2.26G应用场景4 2.36G需求6 2.3.16G系统性能指标6 2.3.26G半导体技术需求与发展10 36G网络架构15 3.16G网络设计概述15 3.2天地一体化网络16 3.3以用户为中心网络17 3.4服务化网络19 3.5算力网络20 3.6通感融合网络22 3.7安全可信网络23 46G核心技术25 4.1增强MIMO技术25 4.2全双工技术28 4.3先进调制技术31 4.4太赫兹通信技术35 4.5非正交接入技术38 4.6终端直连技术41 4.7低功耗通信技术44 4.8通感一体化技术49 4.9AI辅助通信技术52 4.10星地协同传输技术56 4.11以用户为中心的接入技术59 4.12物理层安全技术60 56G发展的几点思考65 6参考文献69 1前言 自2019年5G蜂窝技术正式商用以来，5G网络建设如火如荼，多种形态的终端和应用层出不穷，5G技术也从最初的R15版本演进到5G-Advanced阶段的R18版本。与此同时，第一届6G无线技术峰会召开，国内外相继成立多个重要的6G组织，相应的研究工作在全球范围内拉开帷幕。紫光展锐携手业界合作伙伴展开了6G基础研究、核心关键技术攻关和标准化工作。2020年11月10日，紫光展锐发布了第一版《6G：无界，有AI》白皮书，预测未来6G将极大地打破传统信息交互的界限，突破信息触达的边界，实现智能化的无处不在。 近两年来，国际电联（ITU）相继发布了多项6G相关研究成果。2022年6月，ITU发布了面向6G的首份技术研究报告《未来技术趋势研究报告》，给出了6G主要技术引擎以及无线网络和无线空口的候选技术；2023年6月ITU发布了《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》，在升级5G三大应用场景的同时，扩展出三个跨领域场景，形成6G的六大应用场景，并相应提出了十五个关键能力指标，为后续6G标准化和产业发展指明了设计目标和发展大方向。 接下来的三至五年是识别明确6G技术的重要时期，行业将在技术验证和标准化等多个维度研究各类候选技术，性能优良、产业成熟的技术将脱颖而出。本白皮书从ITU的场景需求出发，给出ITU关键能力指标的定量判断和半导体技术需求，提出6G网络架构的六大技术特征：天地一体化、用户为中心、接入服务化、通算融合、通感融合、安全可信。然后从演进型和革命型两个角度对6G核心技术展开研究，包括频谱效率提升技术、超高频段技术、海量接入技术、跨领域技术、高层接入技术、安全技术。最后，给出我们对6G未来发展大方向的开放性问题，供业界同仁一起思考。 26G趋势、应用场景与需求 在需求和技术的双重驱动下，6G不再只是通信技术的增强演进，而是通过通信技术与信息技术、数据技术、感知技术及人工智能（ArtificialIntelligence,AI）等技术的深度融合，由移动通信网络发展为移动多维信息网络。未来6G网络不仅仅是一项赋能技术，更将作为一种具有广泛应用的社会基础设施而存在[1]。 2.16G趋势 普遍预计2030年以后，更多的消费者和更多用途的设备将以一种更加智慧的全新方式连接到信息网络中，地面无线网络、地面有线网络及卫星网络等深度融合，共同构成6G移动多维信息网络。此前，业界对于6G的典型特征已达成初步共识，提出了诸如泛在互联、多维感知、全域覆盖、绿色低碳、内生安全等典型特征[2]，随着ITU-R的6G建议书[3]的确定，6G的设计原则如可持续性、安全性、隐私性、弹性、泛在化、智能化等被正式提出，从这些典型特征和设计原则可以预言6G将会是5G的一个进化体，继承发扬5G的优势，同时结合其他技术，打造出一个普适性的网络。 6G可以在宏观和微观世界分别展开探索，实现宏观与微观的联接，可以模拟人类所有感官，提供给用户完全沉浸式的体验，实现虚拟与现实的融合，可以利用物理实体与数字模型实时互动、智慧推演，实现数字与物理的映射，还可以逼真地还原和呈现过去未来的事和物，实现过去与未来的穿越。 图2-16G服务升级 整体来说，在未来，6G系统将在AI、计算等新兴技术的加持下，伴随着传统无线技术 及网络技术的持续演进，赋能千行百业。 2.26G应用场景 在ITU-R的6G建议书[3]中，将5G的三大应用场景扩展为6G的六大应用场景，以实现全应用场景覆盖，除了对5G原有的应用场景继续增强和演进，包括沉浸式通信、极可靠低时延通信和大规模通信，还催生出全新的应用场景，包括感知通信一体化、AI通信一体化和泛在连接，提升生产效率，提高生活品质。 图2-2IMT-2030应用场景[3] 沉浸式通信场景 沉浸式通信场景是5G增强移动宽带场景（eMBB）的扩展，主要涵盖了为用户提供高速率音视频交互式体验的用例，如沉浸式XR等。沉浸式通信场景最主要的能力增强是提高频谱效率和一致性服务体验，其中，在各种环境中把握更高的数据速率和移动性之间的平衡是至关重要的。 比如在沉浸式XR中，通过对视觉、听觉、触觉等感官信息的完全模拟和实时交互，可以给用户创造身临其境、感同身受的逼真体验。沉浸式XR对网络的需求主要体现在传输速率、时延和同步精度等方面。传输速率方面，沉浸式XR对下行速率有极高的要求，为了保证用户较为满意的体验效果，对传输速率的需求一般在Gbps量级，同时沉浸式XR对上行数据速率也有较高要求。 沉浸式XR对终端的要求较高，新型的XR终端需要满足轻质、高分辨率/高刷新率显示、高保真/3D定位音频及真实触感反馈等要求，此外，还需在智能交互方面进行增强。 极可靠低时延通信场景 极可靠低时延通信场景是5G超可靠低时延场景（URLLC）的扩展，主要涵盖了对可靠性和延时有更高需求的用例，在这些用例中，如果不能满足对应的需求，则可能会造成非常严重的后果，如工业控制等。极可靠低时延通信场景在提升可靠性和降低时延时，与具体用例、定位精度及连接密度等息息相关。 比如在工业控制中，为了实现完全自动化、精确控制和精准操作，对可靠性、时延及抖动都有严苛的要求。在传统的工业环境中，有线连接是常用手段，当6G能提供接近或媲美有线连接的体验后，可以在越来越多的环境中替代有线连接。 大规模通信场景 大规模通信场景是5G大规模机器通信场景（mMTC）的扩展，主要涵盖了包含大量设备或传感器连接的用例，如智慧城市、智慧交通、物流、能源、环境监测等。大规模通信场景需要支持高连接密度，并且根据使用情况，对数据速率、功耗、移动性、覆盖范围以及安全性和可靠性也提出了不同的要求。 比如在数字孪生城市中，需要通过使用数字孪生技术，将整个城市映射到数字世界中，如物理世界中的水/电/燃气等资源供给系统，学校/医院/社区/道路等城市基础设施和实时的人群活动和事件等。数字孪生技术可以辅助城市管理者在问题发生之前，预测和防控可能发生的问题，也可以在问题发生后，迅速制定出最优的解决方案。 泛在连接场景 泛在连接场景作为6G新提出的场景，需要为目前通信网络无覆盖或几乎无覆盖地区提供无差别的连接服务，特别是农村、偏远和人烟稀少的区域，以弥合数字鸿沟。泛在连接主要涵盖了物联网和移动宽带通信，特别是基于卫星的物联网和移动宽带通信。 比如借助卫星网络实现全球范围内尤其是海洋、荒漠等人迹罕至地区的全域无缝覆盖，是目前移动通信发展的重要方向。在6G时代，卫星通信和空间通信作为地面通信的补充，能够满足广域覆盖的要求，实现业务层面的互联互通。但是，面向未来广域智能连接与全球无缝宽带接入等迫切需求，在AI技术、云技术、卫星技术、运载技术等技术快速发展的驱动下，空间网络与地面网络需要从业务、体制、频谱、系统等不同层次进行融合，构建全域无缝覆盖通信系统，实现统一高效的资源调度与网络管控。 AI通信一体化场景 AI通信一体化场景作为6G新提出的场景，主要支持分布式计算和人工智能驱动的各种应用，如辅助自动驾驶、数字孪生等。AI通信一体化除了对通信的要求外，还需要包括将 AI和计算集成到6G中的一些新功能，如数据收集和处理、人工智能模型的训练、分发和推理等。 比如在辅助自动驾驶或完全自动驾驶中，主要依赖于车本身的单体智能和车联网技术构造的群体智能。自动驾驶是实现智能交通的重要手段，也是人们生活高度智能化程度的一个重要特征。 通信感知一体化场景 通信感知一体化场景作为6G新提出的场景，主要涵盖了需要传感功能的新型应用，利用6G提供关于物体和连接设备的运动信息和周边环境信息，如活动检测、运动跟踪、环境监测等。通信感知一体化场景除了对通信的要求外，还需要高精度定位和传感相关能力的支持，包括距离/速度/角度估计、物体和存在检测、定位、成像和测绘。 2.36G需求 随着6G应用场景的不断丰富，要在同一个网络系统中满足差异化的需求，对网络提出了极大的挑战。6G网络从整体上需要能够按需提供服务，随时随地满足不同用户差异化的需求，即6G需要有以用户为中心的全域无缝覆盖和按需服务的能力。另外，6G还需要做到灵活高效、智慧安全，节约部署和运营成本。 2.3.16G系统性能指标 历史上每一次移动通信技术的更新换代，在关键性能指标上都会有十倍到百倍的提升，包括峰值速率、体验速率、网络容量、时延、可靠性、移动性、连接密度等等。6G系统一方面需要满足某些特定场景下的极致需求，另一方面也要兼顾不同场景的多样化需求，保持可持续发展的道路。2023年6月ITU-R发布了《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》[3]，在给出6G六大应用场景同时提出了十五个关键能力指标维度。关于以上谈到的两个方面，在ITU给出的十五个性能指标维度上均有所体现。 ITU-R已经汇集产业各方力量正在制定详细的技术性能需求（TechnicalPerformanceRequirements,TPR），给出6G技术需要达到的最小能力指标取值。我们认为6G各种性能指标的最终取值需要综合考虑潜在的业务需求和技术可实现性，避免性能指标成为空中楼阁，没有实际落地可能。当前，5G主要标准技术组织3GPP（3rdGenerationPartnershipProject）正在制定5G-Advanced相关需求和技术，普遍认为5G-Advanced研究方向是未来6G的提前试水预热。因此，我们认为6G可以以5G-Advanced的性能指标[4]为基准，针对不同场景、不同业务，会有更深入更有针对性的提升。紫光展锐在ITU已有指标取值建议范围的基础上做了适当的扩展补充，关于定量指标初步观点如图2-3所示，各项指标的取值分析和功能描 述将在下文说明。 图2-36G能力指标预测（来自紫光展锐） 对于图2-3中的九大增强型能力指标分析如下： 1)峰值速率：峰值速率主要与峰值频谱效率和带宽有关。5G峰值频谱效率为下行30bps/Hz，上行15bps/Hz，该需求基于上下行采用256QAM调制方式、下行8流，上行4流数据传输，推算而来[5]。从当前技术发展程度看，预计可以在调制阶数、空间流数等方面进一步增强，如调制方式从256QAM提升到1024QAM，下行8流增加到下行16流，上行4流增加到上行8流，基于这样的假设，峰值频谱效率理论上可以提升至原来的2.5倍，即下行75bps/Hz，上行37.5bps/Hz。在带宽方面，我们认为在能够达到峰值频谱效率的中低频段带宽能力在500MHz-600MHz左右。在高频段，尤其是太赫兹频段，可用带宽会比中低频带宽更多，如增加到2GHz左右，但其峰值频谱效率由于空间流数等因素的限制会下降到上述给出的峰值频谱效率的1/3到1/2。理论上，6G可以通过高中低频的聚合实现超高的峰值速率，如下行峰值速率达到100Gbps左右，上行峰值速率达到50Gbps左右。需要说明的是，实际商用系统的峰值速率并不一定能达到该峰值速率，其取值取决于各地区频谱规划和各频带实