北美通往6G的愿景和时间表

Posted 2022-12-10 5G行业应用

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《Next G Alliance Report: Roadmap to 6G》报告原文

因为通信和传感技术的进步、通信和计算的融合、硬件密度和数据吞吐量的更高目标，以及通过自动化和原生人工智能能力进行更快速的决策，6G代表了通信领域的一种新范式。

Alliance for Telecommunications Industry Solutions（电信行业解决方案联盟，ATIS）是3GPP的北美合作伙伴，oneM2M全球倡议的创始合作伙伴，国际电信联盟（ITU）成员，以及美洲电信委员会（CITEL）成员。ATIS的“Next G Alliance”旨在通过私营部门主导的努力，在未来十年提升北美无线技术的领先地位，工作将涵盖研发、制造、标准化和市场准备的整个生命周期。

ATIS在2022年2月发布《Next G Alliance Report: Roadmap to 6G》报告，内容包括北美6G目标、愿景、生命周期路线图、时间表和关键技术等。本文翻译相关部分内容，供国内同行参考。欢迎关注【5G行业应用】公号，后续继续推出6G系列文章。

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文 | 吴冬升

（一）

北美6G目标

Next G Alliance的最终目标是在本世纪末将6G打造成一个强大的北美和全球市场。在从研究到实现的整个生命周期中，北美私营部门和公共部门之间的合作有助于实现关键的社会目标，如为未来的劳动力创造条件和缩小数字鸿沟。

到本世纪末，北美在6G领域的领导地位将产生：a）在从研究到商业化的整个生命周期中，跨行业、政府和学术界进行更强大的工作协作；b）一个强大的市场，使用创新的应用程序和技术，在新的数字世界中连接社会；c）增加对部署进步技术的所有权，实现6G愿景。

Next G Alliance确定了六大具体目标，这些目标描述了北美在6G未来全球标准、部署、产品、运营和服务方面的贡献和领导地位的最高优先事项。这些优先事项考虑了整个北美的社会和经济需求，以及北美将为世界其他地区做出贡献的技术优势，如图1所示。

图1 Next G Alliance六大目标

（1）信任、安全和弹性：未来的网络应该得到提升，以使人们、企业和政府完全相信未来的网络具有弹性、安全性、隐私保护性、安全性、可靠性，并且在任何情况下都可用。

（2）数字世界体验：增强的体验包括多感官体验，以实现人类协作的变革形式，以及将改变工作、教育和娱乐的人机交互，从而提高生活质量并创造巨大的经济价值。

（3）经济高效的解决方案：应涵盖网络架构的所有方面，包括设备、无线接入、蜂窝站点回程、整体分布和能源消耗。在各种环境（包括城市、农村和郊区）中提供服务，同时还支持提高数据速度和未来网络预期的服务。容量的增加必须与效率的提高相抵消，通过更节能的组件和系统架构降低网络的总体功耗。频谱必须在所有频率范围内变得更加可用，包括低频、中频、毫米波，甚至太赫兹/亚太赫兹。解决方案必须基于开放的、可互操作的体系结构，以提高效率，并以经济高效的方式灵活地支持各种服务和部署。

（4）分布式云和通信系统：基于虚拟化技术的构建将提高关键用例的灵活性、性能和恢复能力，如MR、URLLC应用程序、交互式游戏和多感官应用程序。

（5）人工智能原生网络：为了提高无线和云技术的稳健性、性能和效率，以应对更多样化的流量类型、超密集的部署拓扑和更具挑战性的频谱情况，需要一种新的解决方案。人工智能原生6G系统将利用人工智能技术（如ML、深度学习、神经网络）来设计、部署、管理和操作各种网络和设备功能。

从OSI分层的角度来看，AI/ML可以应用于通信系统的所有层。在物理层，从信道编码到数字预失真和接收机处理的端到端优化，可以通过基于自动编码器的深度学习方法或类似方法实现；在MAC层和无线资源管理（RRM）层，AI/ML可用于学习适应特定业务模型的高效新信令协议；在网络运营和管理层，预计会有很多应用，例如负载均衡、节能优化、干扰管理和缓解、异构频段的频谱共享和协调、切换优化和天线调谐；最后，虽然AI/ML引入了信任问题，但AI/ML在实现安全和隐私方面也显示出巨大的潜力，例如，人工智能可以提供安全服务，如用户身份验证、访问控制、异常检测和攻击检测。

（6）可持续性：与能源效率和环境有关的内容必须放在整个生命周期决策前沿，朝着实现IMT 2040碳中和的目标。将从根本上改变电力用于支持下一代通信和计算机网络，同时加强信息技术在保护环境中的作用。

（二）

北美6G愿景

北美6G愿景是2030年及以后的国际移动通信（IMT）系统将被开发为全球标准，以更好地满足世界各大洲的通信需求。具体愿景包括：

a）到2030年，消费者将对几乎所有的日常活动产生额外期望，从而提高用户和社会对可靠和可信网络的需求；b）6G数字世界体验将现实延伸到物理、数字和生物领域，通过多维、多方和多感官技术创造世界；c）为城市、农村和室内环境提供经济高效的覆盖不仅取决于部署的技术，还取决于商业模式和政策的创新；d）通信、计算、分布式云和虚拟化技术是网络发展的主要驱动力，也是北美可以利用的生态系统优势；e）6G无线系统将从系统设计和开发一开始就采用人工智能，大大提高系统的鲁棒性、性能和效率；f）北美期望在组件设计和制造、先进数据建模和优化、高效节能无线电技术和碳中和的数据中心设施方面做出重要贡献。

Next G Alliance提出6G愿景的三级框架，如图2所示。

图2 Next G Alliance提出6G愿景的三级框架

（1）国家要务：包括数字权益、可持续性、生活质量、制造业和供应链、劳动力发展、保护数据和隐私。描述推动每个目标的社会、经济和政府因素，以及6G与5G相比将实现的变化，并从北美的角度描述了独特的需求和领导机会。

（2）应用和市场：包括沉浸式应用、全息服务、面向服务的机器人、数字世界体验、环境智能、数字孪生。描述实现愿景并考虑与相邻产业和团体的依赖性。

（3）技术开发：包括分布式云与计算、零接触自动化、感知和定位、太赫兹/亚太赫兹、零能量设备、人工智能原生、高级天线封装。确定实现每个目标所需的新技术领域，并解释为什么单凭5G技术无法实现这些目标。还确定了关键绩效指标，以设定技术目标的成功标准。

（三）

北美6G生命周期路线图

6G的生命周期包括研究计划、开发和制造、标准领先、市场准备、商业化，以及6G系统的最终演变和新功能，如图3所示。

图3 Next G Alliance生命周期路线图

基础和应用技术研究的目的是更好地理解自然规律，并将其分别应用于解决技术问题。为了提升北美的领导地位，将应用研究机会和优先事项与6G商业化目标联系起来非常重要。

在开发和制造周期内，6G实验开发是一项系统性工作，这一步包括概念开发、原型设计和技术演示，为6G产品的开发和相关流程奠定基础。

产品和流程开发周期涉及子系统或系统范围内的实施、测试和试验，最终导致6G设备和基础设施设备的生产和市场引入，以实现6G系统的广泛部署和商业运营。在这一阶段，行业和政府之间的早期合作可以在国内制造业、研发税收抵免和创业激励等领域激励私营部门，促进更安全可靠的6G供应链。

6G技术标准化、开发和商业化将受益于基础研究和应用研究阶段取得的先前科学进展，以及实验开发中的相关基础技术组件试验。根据现有的研究结果，标准化用于开发6G的最佳技术。标准化建立在利益相关方之间的合作基础上，这些利益相关方致力于在协商一致的基础上制定技术规范。标准化是对基于市场竞争的补充，通常是为了实现目标，如补充产品/服务的互操作性、商定的测试方法、功能要求和非功能要求（如安全、健康、环境性能等）。

为了实现全球互操作性，国际论坛（如ITU和3GPP）对移动系统进行了规定和标准化。国际电联的做法是由外部组织和成员提交其6G技术提案供审议。预计6G系统的主要技术规格将在3GPP中完成，以最大限度地实现全球协调。北美在6G规范和标准的制定中发挥领导作用至关重要。

6G系统的开发预计将与标准化工作的各个阶段并行进行；试验台和试验可用于验证标准化过程中做出的技术选择，并获得实施选项的经验。此外，在部署和商业运营期间，6G系统的发展将产生新的服务需求，并投入到研究、创新和开发生命周期中。

6G开发和标准化的进展应该导致一个积极的市场准备阶段，在这个阶段，政策和激励创新可以为一个强大的6G市场奠定基础。

面向市场的频谱政策和广泛部署6G的激励措施将为快速商业化和部署奠定基础。行业和政府必须在政策和行动上进行合作，为6G提供强大的市场准备。

（四）

北美6G时间表

SDO、3GPP、ITU和其他感兴趣的组织正在开发6G时间表。ITU-R工作组5D（IMT系统）负责IMT（国际移动通信）系统的总体规划，并根据SDO、规范组和行业的输入制定时间表。

Next G Alliance于2021年10月向ITU-R工作组5D（IMT系统）提供了其对拟议的ITU“IMT展望2030年及以后”（6G）时间表的看法。ITU将继续讨论总体时间表，并计划于2023年7月完成“IMT展望2030年及以后”建议。

图4描述了该建议的总体过程，与IMT-2000、IMT Advanced和IMT-2020的过程一致。图中的绿色方框表示已在进行的工作；蓝色框表示计划进行的工作。

“技术趋势报告”为整体技术支持因素/概念奠定了基础，计划于2022年年中完成。IMT“100GHz以上可行性报告”计划于2023年年中完成。IMT愿景建议计划于2023年年中结束，为最终“ITU-R关于IMT-2030及以后的建议”提供总体指导。

ITU-R WP 5D时间表建议从2024年开始制定技术性能要求（待定）。这些要求用于希望向ITU-R WP 5D提交技术组织的评估标准和方法。

2026年的时间框架（TBC）中提出了一个“IMT迈向2030年及其后”研讨会，该研讨会基本上启动了技术提交流程。

技术建议书的提交过程计划于2027年开始。该过程包括提交文件的时间段、评估期。在建立共识期间，可以合并/融合/协调提案，以简化和澄清最终建议。然后，该建议将在2030年的时间框架（TBC）内获得批准。

6G时间表尚未在3GPP中正式讨论，因此，本报告不包括6G的3GPP时间表。如果3GPP或其他组织的时间表改变，这些变化将需要传达给ITU，以便ITU可以考虑对其时间线进行任何潜在的调整。

图4 Next G Alliance提出的“IMT迈向2030年及以后”时间表

（五）

6G关键技术

6G关键技术包括组件技术、无线电技术、系统和网络体系架构（SNA）、运营/管理/维护（OAM）/服务支持（SE）、可信度。

（1）组件技术

半导体技术，硅和III-V半导体是候选技术，SiGe和InP的进步有望实现1THz以上的性能。

电路和子系统，涵盖了6G收发器，包括前端（PA、LNA等）、上/下转换、模拟基带、数据转换器、电源管理，以及所有6G频段的数字电路。需要研究新的收发器架构、电路拓扑，以及CMOS和非CMOS（如III-V）技术中的新设计方法，以实现6G的高速率通信，同时更经济、更可持续。

天线、封装和测试，集成电路、无源器件（滤波器、电感器、电容器、匹配和调谐/开关元件）和天线等子组件需要在非常接近的位置共同封装到子组件和模块中，以满足6G技术要求。需要评估新的封装、重新分布和互连技术。

（2）无线电技术

用于频谱扩展和效率的无线电技术，包括太赫兹/亚太赫兹、mmWave增强功能、频谱共享、高级MIMO技术、高级双工方案、波形/编码/调制/多址。

人工智能和分布式云的无线电技术，包括AI原生空口、跨设备和网络实现分布式计算和智能的空口。

用于绿色通信的无线电技术，包括绿色网络、设备节能、零能耗通信、超低分辨率通信系统。

先进拓扑和网络的无线电技术，需要研究与网状网络无线电技术、设备对设备通信、协作通信、非地面通信和极端网络无线电相关的新要求。还需要研究增强工业领域6G应用的无线电技术。

联合通信和感知无线电技术（Joint Communications and Sensing，JCS），JCS的无线电技术将涉及MIMO感知、RIS辅助感知、RF感知、以UE为中心的感知、以基站为中心的感知、协作感知、双工方案、新波形、通信和感知之间的频谱共享。

（3）系统和网络体系架构（SNA）

网络拓扑，将超越传统蜂窝网络，支持多样化和集成的网络拓扑，以解决广泛的用例和部署场景。预计它还将继续支持卫星网络。此外，预计未来的用户可能不仅包括地面设备，还包括无人机和飞机。

网络适应性，需要更大的部署灵活性。

分布式云计算，将计算和数据视为通信系统中的资源，需要新的概念来处理相关问题。不仅要考虑通信，而且必须考虑在请求和响应之间必须发生的计算。通信、计算和数据之间的紧密集成有望在广域系统中实现分布式云。除通信平面服务和资源外，计算平面和数据平面资源和服务有望成为6G系统的组成部分。

网络和设备中的人工智能，在6G网络和设备中，已经确定了许多AI/ML可以增强和优化的功能。这方面的例子包括：基于人工智能的PHY/MAC、人工智能辅助移动、人工智能优化的资源分配、用于编排的人工智能、人工智能安全等。

（4）运营、管理、维护（OAM）和服务支持（SE）

用于自动化的服务管理/协调、数据管理和基于AI/ML的智能网络控制器，6G将把网络OA&M从手动控制转变为固有的智能零接触操作，人工智能可以内置到网络本身的设计中，以支持本地端到端人工智能。6G网络还可以在与数据准备、建模、AI操作、策略/意图实施和数据收集相关的领域支持AI/ML生命周期管理。

突发事件和灾害场景中的公共安全，允许6G系统提供网络节点、设施和客户端的安全发现，安全代理服务，实现安全可靠的地理定位，并确保体验质量（QoE）。

商业服务融合的技术促成因素，技术使能器允许组织协调、同步、集成、可视化、联合和分析数据，以推动数字转换和开发新的增值服务。未来的研究领域是安全通信和分布式云服务等公共服务的共享基础编排器技术。

节能绿色网络，6G应提供监控能源消耗、分析和控制的工具，以降低整个网络的能源消耗。使能技术包括零接触网络自动化、基于人工智能的节能网络运行解决方案和部署。

（5）可信度

通信安全，量子计算的预期进展意味着6G系统的设计和部署必须为后量子安全时代做好准备。今天大部分的公钥密码基础设施将需要被后量子密码（PQC）所取代，以确保算法能够抵抗量子计算机进行的密码分析。除了将量子计算视为一种威胁之外，它还可以通过量子密钥分发（QKD）、量子密码（QC）技术来增强安全性。

系统可靠性，面对故障（软件和硬件）、攻击（恶意和意外）和灾难（人为或自然），6G系统必须在可靠性和可用性方面可靠。

保护数据和隐私，需要研究保密计算和存储技术，以解决如何在分布式云和通信环境中访问和保护数据、算法和专有人工智能模型。这可能需要使用区块链、信任链和安全环境等技术。

END

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吴冬升博士 主编

吴冬升，东南大学博士。现任高新兴科技集团股份有限公司高级副总裁、粤港澳大湾区自动驾驶产业联盟副理事长、广州车路协同产业创新联盟理事、广州市智能网联汽车示范区运营中心理事等。致力于5G、智能网联、自动驾驶、大数据、人工智能等技术的研究与应用创新。省市级期刊发布论文数十篇，主编《5G与车联网技术》等书籍，参与编写《广州市智能网联汽车与智慧交通产业发展报告（2020）》等。

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