01 5G到6G路线图
5G架构不断发展，并将在未来十年继续发展，直到6G开发完成。第一个5G版本(第15版)主要针对增强移动宽带体验(eMBB)的迫切需求，而第16和第17个版本的发布将5G推向了完整的5G愿景。第18版及以后的版本将侧重于对6G的新用例、研究项目(SI)和工作项目(WI)的定义，预计到2030年将制定6G。图1显示了3GPP 5G到6G路线图。
图1 3GPP 5G到6G路线图
第16版是支持工业物联网的基础。它具有超可靠的低端通信(URLLC)功能，能够实现前所未有的可靠性，数据包错误率低至10-6(“六个9”)。它与IEEE时间敏感网络(TSN)集成。支持专用网络，也被称为非公共网络(NPN)，具有针对用户设备(UE)的NPN特定身份验证机制(不带通用用户身份模块(USIM))和针对UE的身份验证和密钥协议(AKA)机制(带USIM卡)。它在5GHz和6GHz频段的非授权(NR-U)频谱中支持5G NR，与其他系统共存，如IEEE 802.11变体或LTE许可辅助接入(LAA)。车载通信(V2X)具有用于设备之间直接通信的sidelink。
除此之外，第16版支持完整的5G弹性系统，具有基于服务的接口(SBI)、传输层安全(TLS)和基于令牌的授权(Auth2.0)的安全功能;应用认证和密钥管理(AKMA)，例如5G物联网;以及网络切片的身份验证和授权(NSSAA)。它还支持无线有线融合(WWC)和未来的铁路移动通信系统(FRMCS–第2阶段)。支持扩展到网络自动化阶段2;集成无线接入和回传(IAB)，它增加了对使用更大带宽的NR无线电接口的基站无线回程支持，用于网络加密，而无需在每个基站中安装光纤;设备节能;移动性增强，以及具有多个传输和接收点(TRP)的大规模MIMO增强。
第17版的目标是扩展更广泛的生态系统，尤其是关键物联网(CIoT)。它将支持本地时间敏感通信(TSC);高精度定位(厘米级);加强公共安全和行人的sidelink;多媒体广播多播服务(MBMS);非地面网络(NTN)，如地球静止轨道(GEO)和低地球轨道(LEO)卫星;和FRMCS增强(FRMCS–第3阶段)。将为无线接入网(RAN)切片提供进一步支持;网络自动化增强;52–71GHz频率范围内的新空口;设备节能增强;进一步增强的MIMO;多个USIM;无人机系统(UAS)和多接入边缘计算(MEC)，尤其适用于延迟敏感应用。如图2所示。
图2 3GPP R15、16和17支持频谱和关键功能
NTN系统是一个网络，其中星载(即GEO、MEO、LEO)或机载(即UAS和HAPS)车辆充当中继节点或基站，从而区分透传(放大和转发，或解码和转发)和非透传(具有自己的无线电资源管理算法)卫星体系结构。地球同步轨道卫星的高度约为35786公里，与地球自转同步。GEO波束覆盖范围从200到3500千米不等。MEO卫星在7000到25000公里的高度上运行，波束覆盖范围从100到1000公里。LEO移动高度为300至1500公里，波束覆盖范围为100至1000公里。LEO和MEO也被称为非GEO(NGSO)卫星，它们绕地球的运动时间从1.5小时到10小时不等。机载类别包括UAS平台，通常放置在8至50公里的高度，和20公里高度的高空平台系统(HAPS)。与GEO卫星一样，无人机的位置保持固定在天空中。UAS波束覆盖范围从5公里到200公里不等。NTN终端指3GPP UE或特定卫星终端。甚小孔径终端在Ka频段(即上行30GHz，下行20GHz)的射频下工作，而手持终端在S频段(即2GHz)工作。
窄带物联网(NB-IoT)和LTE机器型通信(MTC)，即宽带IoT将进一步并行增强，并将与当前和未来的3GPP版本共存。目前，大多数蜂窝物联网连接仍然依赖4G连接。到2025年，这项技术可能会有很大的市场渗透率，基于NB物联网和LTE-MTC设备的大规模机器式通信预计将占所有蜂窝物联网连接的40%以上。宽带物联网将贡献其中近34个百分点。即使在2025年，要求极低延迟和超高可靠性的关键物联网也只占整个蜂窝物联网连接的一小部分。
第18版(3GPP称为5G Advanced)将增强其能力，并扩展其可应用的用例。如图1所示，无线行业预计将从5G过渡到6G。
02 6G发展现状
虽然下一代移动通信系统的部署仍需十年或更长时间，但已经有许多正在进行的6G项目和相关投资，以满足6G在2030年左右上线时的要求。
其中包括5G网络中承诺但尚未实现的使用场景，以及6G系统中出现的更高级使用案例。这种新兴的场景包括太赫兹通信、无处不在的覆盖(陆地、空中、空间、海洋)、全息瞬移、触觉通信、医疗/健康、政府/国家安全、成像和传感、公共安全服务、信息物理系统/制造和交通。相关用例和后续技术要求的示例如表1所示。
表1 6G相关用例和技术要求
表2罗列了无线蜂窝行业领先国家的具体努力，以及相关的5G(B5G)和6G计划及相关投资。
在欧洲，在欧盟地平线2020研发框架计划中，最近宣布了三个专注于6G开发的联合项目，即Hexa-X、RISE-6G和NEW-6G。欧盟委员会(EC)在智能网络和服务框架计划内提出了9亿欧元的预算，用于投资6G研究，特别关注标准化领导和推动5G部署。
2021年，澳大利亚联邦政府承诺12亿澳元刺激数字经济增长。这项投资推动了现代制造业倡议(MMI)，价值13亿澳元。
在北美，Next-G活动主要以学术界为中心，美国政府机构和标准开发组织(SDO)也做出了额外的努力。2020年，电信行业解决方案联盟(ATIS)启动了“Next G Alliance”(NGA)，这是一项旨在奠定6G在北美基础的倡议，并发出行动呼吁，敦促美国提升6G领导地位。该集团目前有48名创始人和贡献成员，包括一些科技巨头，如谷歌、苹果、微软、脸书、三星、爱立信、诺基亚、高通，以及美国和加拿大的大多数主要运营商。第一个倡议成果《Roadmap to 6G》报告内容参考5G行业应用公众号文章《北美通往6G的愿景和时间表》。
2018年，芬兰奥卢大学开始领导一项6G国家研究项目。6G旗舰计划由五个合作伙伴组成，包括阿尔托大学、诺基亚和VTT。
2019年，日本宣布了20亿美元的刺激方案，以支持时间线为2020年-2030年的6G技术研究。2020年，日本政府宣布计划与私营部门代表和大学研究人员一起制定6G战略。超5G推广联盟包括东京大学，以及主要的日本电信玩家，如Rakuten Mobile、Nippon Telegraph & Telephone、NTT Docomo、KDDI和软银公司，其目标是在2030年代商业化6G服务。同年，日本通信部在其“超5G”战略下公布了雄心勃勃的目标，寻求在基站和其他基础设施方面占据30%的全球市场份额。
2020年，韩国科学与信息通信技术部(MSIT)宣布，在五年内，为6G研发投资提供1.7亿美元的公共支持。目标是达到1Tbps的数据速率;实现0.1毫秒的无线延迟(低于5毫秒的有线延迟);将连接从地面扩展到10公里的空间;将人工智能应用于整个网络;并通过设计提供端到端的安全性。重点关注的用例是智能工厂、智慧城市和自动驾驶汽车。非地面网络，如6G卫星，也将是研究的关键基础使能技术之一。
中国政府在五年内为5G研发投入了300多亿美元，6G预计将获得类似的投资。2019年，成立了两个工作组。第一个团队是负责推动6G研发的政府机构。第二个小组被称为“China 6G Wireless Technology Task Force”，由供应商、运营商、研究机构和大学组成，负责规划6G的开发并证明其科学可行性。除此之外，中国在2020年发射了一颗包含6G实验技术的卫星。与其他13颗卫星一起发射的天眼五号卫星将测试太赫兹(THz)通信，BBC称这是对太空6G技术的“世界第一”测试。
表2 全球正在进行的B5G和6G计划
03 6G网络架构愿景
作者的设想是，到2030年，所有智能将通过数字孪生、使用B5G/6G无线技术、机器推理在边缘满足机器学习，按照纵深防御战略(由零信任模型增强)连接起来。
简而言之，6G无线旨在连接“物理世界”和“信息世界”;它实现一个新的范式转变：从互联的人和物(信息世界)到互联的智能(智能世界)。6G无线是一种在任何时间、任何地点向所有人提供人工智能的技术。
作者首次提出了人工智能原生操作系统的蓝图。6G无线体系结构将由五个关键要素构成，如图3所示：virtual-X、触觉、推理、感知和学习。人工智能将成为主导服务和应用。主要光谱将是毫米波和太赫兹波。这将允许我们应用无线传感功能，6G wireless将作为传感器网络运行。网络和设备可以执行实时(RT)传感，这将是连接物理世界和信息世界的结构。主要服务将是虚拟现实(VR)的一切。
virtual-X频道将允许访问信息世界中的数字内容;增强的触觉通道将携带触觉反馈，作为物理世界的增强神经系统;推理通道将在人工智能引擎和最终用户之间交换服务。从物理世界到数字世界，主要应用是为机器学习(ML)感知和收集大数据。
图3 6G网络架构愿景
04 6G基础使能技术
(1)网络边缘的人工智能
从人工智能增强型网络(即现在的5G系统及其未来版本)转变为人工智能原生通信平台，如图4所示。
图4 从人工智能增强网络到人工智能原生通信系统
模仿我们大脑的工作方式，人工智能原生6G无线系统可以支持语义通信能力。通过广泛采用深层神经网络(DNN)，可以实现以目标为导向的语义交流，它允许从无限量的经过净化的信息(数据)中推导出可利用和可解释的含义。
(2)传感和通信相结合
从以信息为中心到集成传感和通信。传感是连接智能的基本实现技术，这可能是6G最重要的应用。将传感功能与已安装网络上的基站集成是构建6G传感网络的可行方法。6G传感能力可以部署在任何关键基础设施上，如交通、水、气、港口、电力、数据中心。
从终端的角度来看，可以通过使用各种传感器(如触摸屏、摄像头、红外或陀螺仪)感知周围环境的情况和背景。然后，可以通过无线连接传输到网络的其他部分。简而言之，传感是一种基本的智能手段，也是未来6G网络和设备的重要组成部分。
图5 从以信息为中心到集成传感和通信
(3)空间、空中和极端地面连接
下一代通信系统预计将在以前完全没有服务的偏远地区(例如，偏远地区、外层空间和整个海洋)提供无处不在的服务。此类通信服务将创建一个无缝的统一连接框架，包括地面(陆基和海上)、机载(卫星、气球、无人机等)和天基(LEO/MEO/GEO卫星星座)网络。
NTN的独特之处在于，它能够通过提供昂贵或难以通过地面网络到达的地区(例如农村地区、船只、飞机)的连接，提供广域覆盖。如图6所示，例如，从伦敦到上海的正射距离约为10000 km，如果这两个实体通过LEO卫星连接，则正射距离将减少到1500 km左右。
图6 从蜂窝网络到综合地面和非地面基础设施
(4)隐私保护、安全控制和保证
为了从安全增强型网络转变为设计安全型系统，6G需要将安全性整合到基础设施核心，并在整个网络端到端灌输一种纵深防御策略，该策略由零信任模型增强，具有在极端条件下应对不同情况和意外事件的能力。此外，6G的标准化过程必须提供新的安全控制、安全保证和隐私保护机制，如图7所示。
图7 从安全增强型网络到设计安全型系统
