欧洲6G时间表目标和关键技术（下篇）

Posted 2022-12-08 5G行业应用

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《European Vision for the 6G Network Ecosystem》原文

5GIA（5G基础设施协会）在2021年6月发布《European Vision for the 6G Network Ecosystem》报告，内容包括欧洲6G时间表、6G目标和6G将改善5G的关键绩效指标、6G架构、6G关键技术等。本文翻译相关部分内容，供国内同行参考。其中《欧洲6G时间表、目标和关键技术（上篇）》介绍欧洲6G时间表、6G目标和6G将改善5G的关键绩效指标、6G架构；下篇介绍欧洲6G关键技术。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

（四）

6G关键技术

6G的关键技术，包括系统网络架构和控制、边缘和普适计算、无线电技术和信号处理、光网络、网络和服务安全、非地面网络通信、专用网络/子网络，以及设备和组件，如图6所示。

图6 6G关键技术

（1）系统网络架构和控制

6G技术研究应为高效、可持续、智能和可靠的分布式计算铺平道路。通信和计算算法的交织需要通信/计算协同设计，这属于网络内人工智能治理的范围（包括基于人工智能的网络功能分配和实例化；跨网络管理协作人工智能组件；基于FL等设计分布式人工智能机制；或者部署人工智能输出/决策论证机制，从而产生可解释的人工智能）。

从服务管理的角度来看，需要AI/ML来维持所设想的复杂6G服务运营成本效益，如人类数字物理世界和感官互联网上的交互。此外，多种虚拟化技术的激增，包括虚拟设备、微服务、容器、无服务器功能及其互操作性，将增加网络操作的复杂性。因此，AI/ML机制将成为自动化决策过程的关键。

AI/ML还将支持在6G中实施预测编排，例如，根据实时需求和资源可用性，实现接近最优的布局决策（包括考虑设备地理密度等因素的虚拟网络功能布局）、服务和网络切片配置或维护。这将允许实现零接触。6G编排的目标是从终端设备到边缘，再到RAN（需要考虑新的体系结构和以用户为中心的模式，如无蜂窝网络）以及云/核心的连续体。

（2）边缘和普适计算

边缘计算的发展和重要性受到多种因素的推动，如大规模物联网、工业4.0、智慧城市和基于AI/ML的新型分布式应用。边缘和普适计算的主要目标是减少延迟、提高响应能力，以及减少用户/IoT设备和集中云计算资源之间的数据流（设备也可以将处理转移到网络上，这使它们变得更简单、更小、使用更少的电能）。此外，将服务组合为一系列微服务或功能的新范式正在导致虚拟化网络功能可以分布在核心和边缘计算资源上的情况。

在6G网络中，随着整个电信体系结构向基于分布式（微）服务的体系结构过渡，边缘和普适计算的重要性将更大，而像“零延迟”这样的6G承诺将使本地处理成为这些场景中唯一可行的选择。

（3）无线电技术和信号处理

考虑到物理定律对太赫兹频谱的挑战，商业上可行的太赫兹通信系统设计将需要研究波形和调制、无线信道特性、波束形成和硬件的可行性。无线电构建模块（波形、调制和编码、非正交多址、全双工、Massive MIMO等）需要进一步开发，以满足严格的6G要求。除此之外，还需要对智能反射面（IRS）、集成定位、传感和通信（例如，在工业应用中广泛使用机器人）、大规模连接的随机访问、无线边缘缓存等进行研究。此外，ML和AI作为一种工具已经成功地应用于许多应用中，但它在无线空口设计中的应用需要仔细研究。

具体而言，对于6G空中设计，应研究以下关键使能技术：

a）频谱再利用

为了满足6G系统的高带宽需求，有效地重新利用现有的低、中、高频段频谱资源（例如，联合使用许可和非许可频谱，使用基于认知无线电的解决方案）至关重要。

b）毫米波通信

与中低频段相比，mmWave的可用带宽要大得多。目前，5G NR中考虑了大约低于50 GHz的毫米波，预计6G将需要更多的毫米波频段（例如，高于100 GHz）。特别是对于6G要求，需要克服进一步的挑战，例如高效的发射和接收波束形成设计、低功耗、低成本和高吞吐量的调制编码方案实现等。

c）光无线通信（OWC）

尽管有小蜂窝概念和新的无线电频谱分配，但移动通信量的指数增长可能会导致电磁频谱的无线电频率部分出现拥塞。在红外和可见光频谱中使用OWC（约为整个300 GHz射频频谱的2600倍），可以缓解这一问题，并补充传统的射频通信，尤其是在密集的室内部署中。

d）太赫兹（THz）通信，包括半导体技术和新材料

在太赫兹波段（0.1–10太赫兹）实现通信的技术也被视为满足更高数据速率要求（如TBP）的关键。太赫兹无线电从毫米波区域的大型相控阵发展而来，但由于现代半导体和封装技术的物理限制，在高效实施方面将面临更多障碍。当新材料（如石墨烯）成熟用于大规模生产时，它们可能会发挥作用。在此之前，解决方案将依赖于新颖的射频架构、天线、封装和半导体工艺的持续发展，在性能和成本之间保持谨慎的平衡。

e）大规模和超大规模MIMO

mMIMO的概念已经在5G引入，特别是对于更高的频率，由于波长较短，大量天线可以封装在一个小区域内，从而产生了mMIMO和ultramMIMO的概念，以及在基站和UE处双重mMIMO的概念。改善无线通信的另一种方法是改变无线信道的传播特性，例如通过智能反射面（IRS）或大型智能面（LIS）。

当前以小区/网络为中心的方法可以改为以用户为中心的方法，其中可以通过选择附近AP的子集来动态确定服务于特定UE的集群。它与分布式mMIMO操作的结合导致了所谓的cell-free mMIMO。在这个概念中，所有AP都能够在没有任何小区限制的情况下协同地服务UE，具有相干传输和接收的可能性，并且可以在网络上提供几乎统一的服务。为了有效地实现分布式MIMO，我们需要解决波束管理、高频段非相干操作的实用方法以及全数字波束控制。

f）波形、多址和全双工设计

为了保持正交性，CP-OFDM需要严格的同步。其他波形，例如滤波器组多载波、通用滤波多载波或广义频分复用，已针对不同的应用场景提出。在高移动性场景中，还引入了正交时频空调制。作为补充，放松正交性约束可更有效且更灵活地使用无线信道。例如，非正交多址（NOMA）或速率分裂多址（RSMA）可以产生更大的可实现速率，并提供无授权访问的方法。此外，先进的自干扰和交叉链路干扰消除技术可以潜在地将频谱效率提高一倍，并使带内全双工收发器能够提供广泛的好处，例如用于中继和双向通信。

g）增强编码和调制

信道编码旨在纠正传输错误，因此是确保“可靠性”的关键。然而，它是最复杂的基带处理块之一。现代信道编码方案，如Turbo、LDPC和Polar码，以其优异的性能，进入了多种通信标准，包括2G、3G、4G和5G。未来6G KPI和用例对编解码器设计提出了新的要求，因此需要研究接近香农极限的高级信道编码和调制方案，以实现极高的吞吐量、极高的可靠性、极低的功耗和较低的编码/解码延迟，如Tbps吞吐量信道解码器等。

h）集成定位、传感和通信

高精度位置感知已被确定为许多应用的关键促成因素，包括自动驾驶汽车、未来工厂、智能城市、虚拟/增强现实和公共安全。集成定位、传感和通信将实现智能网络管理，以提高频谱和能源效率，并减少延迟。未来以更高频率、更大带宽、更多天线、更密集的网络和D2D链路运行的无线系统，以及可能的专用基础设施，将有助于以厘米级精度进行无线电定位。

i）大规模连接的随机访问

在未来的网络中，数以百万计的设备将被连接，对于其中许多设备来说，只会生成非常零散的数据。如何在不消耗整个网络资源和节点能量的情况下协调这样一个网络需要仔细研究。此外，随着设备数量变得非常庞大，基于重传接入协议的可靠性将带来严峻挑战。因此，设备在不与基站进行任何资源协商的情况下传输其（通常较短）数据包（可能会限制或避免重传）的免授权方法看起来很有希望。

j）无线边缘缓存

点播视频流和互联网浏览的特点是异步内容重用；高度可预测的需求分布；延迟容忍，质量可变。对于此类应用，当前的移动系统通常存在一些问题，例如，宏小区的无线容量不足，和/或到小小区的有线回程较弱或昂贵。在这种情况下，无线边缘缓存提供了一种高效的解决方案。缓存可以减少网络负载和干扰，从而提高频谱效率和能源效率，并减少通信延迟。但是缓存通常是在核心网络中实现的，如何在无线网络中高效地实现缓存需要研究。

（4）光网络

6G将继续依靠光基础设施的进步，提高容量、降低延迟、增强可编程性、增强可重构性、增强环境适应性和显著降低功耗。

光和无线技术与融合网络基础设施之间的更紧密集成将促进采用一个通用的传输和交换平台，支持从分组到时隙和波长通道级别的各种交换粒度。此外，光子集成技术的进步将为大量新的IT和网络设备铺平道路，在这些设备中，光学、射频和数字电子功能可以结合在一起。

光网络的所有这些技术进步，包括在设备级别增加可编程性和远程配置性，也需要网络控制、自动化和自主性方面的进步。

（5）网络和服务安全

虽然6G被设想为高度分布式计算和连接性架构，但关键管理功能的软件化和自动化（例如，基于智能分布式AI/ML的控制和服务编排）创造了一个比当前5G领域更广泛、更复杂的攻击面。该系统不仅容易受到直接网络安全攻击，还需要识别自动化功能的不当行为，并将其影响降至最低。保证系统的可靠性和可信度将是主要挑战之一。需要保证零接触微分割和切片等解决方案，分布式AI/ML功能和模型需要加强，以避免故障和网络攻击，并保证其可靠性和安全性。

（6）非地面网络通信

非地面网络（NTN）架构具有如下功能：作为单一接入网络的架构设计，不区分地面和NTN元素；具有分层设计的星座；具有空中计算和存储功能的智能NTN；将基础设施作为资源进行资源优化；动态频谱管理、共存和共享；超越太赫兹的新光谱；具有灵活性和适应性的无线接入技术；具有超越当前技术的NTN组件；利用NT dynamics的人工智能。

（7）专用网络/子网络

在满足超可靠和低延迟要求的能力推动下，5G开始用于垂直行业工业自动化。这一趋势会进一步扩大，导致对适用于特殊用途网络或更小范围“子网络”的需求不断增加。从6G性能提升中受益的子网络示例包括：人体内子网络、机器人内子网络、车内子网络和无人机群子网络。例如，人体内子网络可用于控制生命关键功能，如糖尿病患者的心脏起搏器（无线起搏器）或胰岛素泵，而车内子网络可无线支持CAN总线和汽车以太网操作，用于发动机控制、防抱死制动和辅助驾驶，如图7和图8所示。

由于子网络的局部拓扑结构以及所需的特殊性能属性（如极端延迟或可靠性），子网络将是6G架构变化的关键驱动因素。子网络被定义为在独立模式下工作，并连接到广域3GPP网络。子网络的空口设计应根据特殊应用的需要进行调整。特别地，为了获得频率和干扰分集，可以通过使用大的子载波间隔（例如，超过120kHz）、超短传输间隔、盲分组重复和信道跳频来实现亚毫秒延迟和极端可靠性。虽然这种技术组件的基础是5G以来已经知道的，但我们的理解是，它们应该进一步发展以应对更极端的要求。

图7 人体内子网络用例示例

图8 车内子网络用例示例

（8）设备和组件

无线网络各个方面的进步高度依赖于用于实现的电子技术、组件和设备。这包括处理器、存储器、模拟、RF、DAC和ADC、天线、封装和光学组件等全部组件。

在射频领域，用于6G网络的sub 10GHz、毫米波和太赫兹技术面临着各自的具体挑战。

光领域的挑战在于吞吐量需求不断增长（到2030年为3.2 TB的收发器）等。

在数字处理方面，需要进行研究，以弥合高效ASIC和高灵活性可编程器件之间的差距。可以利用神经处理单元（NPU）。Bio-inspired spiking neural networks是一种新兴的体系结构，其功耗可以降低几个数量级，但它还远未成熟。

安全硬件需要研究以提高可靠性，以及对量子计算攻击的鲁棒性。为了硬件安全，还需要新的多处理器片上系统架构（MPSoC）。

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。