6G：从通信到通感算智安的一体融合

6G：从通信到通感算智安的一体融合

刘光毅 李娜 刘建军 王启星

【摘要】   面向2030年，“数字孪生、智慧泛在”的6G愿景将催生出更多与移动通信密切相关的全新应用场景，这些更加差异化和碎片化的业务场景将对移动通信网络提出全新的挑战。为了满足这些新业务和新场景需求，6G网络需要超越传统通信网络范畴，在空天地一体全域立体覆盖的基   础上，通过聚集通感算智安等多维能力要素，提供信息流全过程服务，实现“按需服务”和“一切皆服务”的范式转变。

       2019年11月，未来6G网络的总体愿景“数字孪生、智慧泛在”在中国移动全球合作伙伴大会上首次提出。在全新的“数字孪生”世界中，每个物理实体都有一个虚拟映射。物理世界中人与人、人与物、物与物之间的信息与智能传递，可通过数字世界来实现。数字世界是对物理实体的模拟和预测，准确反映和预测物理世界的真实状态。通过数字世界提前干预，可预防物理世界中意外事故和自然灾害的发生。“数字孪生”世界将有利于进一步提高人们的生活水平、生产效率和社会治理水平。

二、6G典型场景与需求

       2023年6月，国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）如期完成了《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》[3]，全面描绘了6G目标与趋势，提出了6G的典型场景及能力指标体系，是6G推进的重要里程碑，标志着6G发展的第一阶段任务已完成。

       6G将在5G八大关键能力（峰值速率、用户体验速率、时延、移动性、能效、谱效、连接数密度和区域流量密度）的基础上进一步提升和拓展，共定义十五大关键能力，包括两类：

       •   九个5G能力的增强：峰值速率、用户体验速率、频谱效率、区域流量密度、连接数密度、移动性、时延、可靠性、安全隐私弹性；

       •   六个6G的新能力：感知相关指标、AI相关指标、可持续性、覆盖、定位精度、互操作。

      可以看出，目前业界对6G性能需求指标的具体数值还未全部达成共识，后续将基于《建议书》，进一步制定面向6G候选技术评估的最小性能需求指标，并作为衡量6G候选技术能否正式成为ITU 6G标准的尺子。例如，面向6G网络，多天线技术、智能超表面、分布式MIMO等技术的演进与发展，将进一步提升用户体验速率、平均谱效和边缘谱效；通过增加流数、调制阶数等方式，可进一步提升峰值谱效，通过进一步拓展带宽，进一步提升峰值速率等。中国移动结合需求和候选技术分析，初步总结出面向6G候选技术评估的最小性能需求指标，如图一所示。

图一 6G最小性能指标需求

三、6G设计目标

       6G很多的新业务与新场景需求是5G网络无法满足的，因此6G网络的设计需要支持按需服务、内生AI、内生安全、全域覆盖及极致性能，如图二所示，在空天地一体全域立体覆盖的基础上，通过聚集通信、感知、计算、AI、安全等多维能力要素，提供从感知、传输、存储、处理到利用的信息流全过程服务。

       6G网络概括来讲有四大设计目标：覆盖全域化、性能沉浸化、要素融合化、网络平台化。

图二 通信、计算、AI、感知和安全一体融合的6G移动信息网络

四、6G设计原则

       6G 网络既需要确保 5G 网络固有的多样化组网架构及行业应用在未来可以保持业务连续性，也需要支持向新一代网络架构平滑演进，还需要具备新型网络单元、能力的高效快速引入，并具备可扩展性和自治能力。与此同时，6G 网络还需要持续优化设计，满足外来更多样的业务和接入需求及随之带来的网络复杂度挑战，秉承至简设计原则和同态化的设计思想，最大限度的统一接口基础协议和接入控制管理技术，尽可能以同构的网元实现整体端到端网络功能。

       总体来讲，6G网络设计时应考虑如下设计原则：

       统一融合、一体智简、内生式、前后兼容、集中分布协同。

       6G将融合泛信息通信领域的核心技术要素，打造通信、感知、计算、AI、安全、空天地等多维能力融合一体的新一代移动信息网络，相应地，6G技术体系创新将提供比5G更加强大的连接、算力和能力，一方面提供沉浸式通信能力，满足各类先进的空口技术指标需求，另一方面，从通感、通算、通智、通安及空天地一体五个维度构建融合的技术架构。

       •   全服务化

       全服务化架构是服务化架构的进一步深化，从服务框架、服务接口、原子服务等方面增强，适应网络的分布式组织、服务的智能化调度、行业专网的灵活化部署。6G架构将在核心网服务化的基础上，围绕“领域拓展、机制深化、要素扩展”三个维度，开展6G全服务化设计。领域拓展方面，服务化机制将向无线接入网扩展，从接口服务化向功能服务化分阶段展开；机制深化方面，将在现有5G 服务化基础上，进一步探索服务解耦和服务调用效率提升；要素扩展方面，进一步引入“算力”和“数据”要素，定义计算面和数据面，推动通信与智能要素（算力、算法、数据）的深度融合。

       •   分布式自治

       面向企业（2B）的本地化接入及定制化网络、网络上星以及个人业务的个性化网络等提出超低时延通信和数据本地化需求，6G需引入由功能自包含的、同质化的、自闭环的分布式微云单元SCU（Small Cloud Unit）组成的6G分布式自治网络架构DAN(Distributed Autonomous Network)，由此实现网络灵活的扩展性和自治能力，使新型网络单元、能力能够高效快速引入，从而满足6G广域、多场景、按需接入的需求。其中，SCU采用集中加分布的方式部署，分布式部署的核心网单元采用至简设计，作为靠近用户的前台，而集中式部署的核心网单元功能相对完备，作为靠近用户的中后台。

       •   智慧内生

6G网络智慧内生需要从“AI赋能网络”和“网络使能AI”两方面进行考虑：“AI赋能网络”是将AI作为满足移动通信网络新指标的关键路径，侧重解决网络数据治理和网络AI模型构建的问题，用于提升网络运行、运维效率，其关键问题是如何精准、高效的利用AI新生产要素，实现生产力变革；“网络使能AI”是将移动通信网络是实现AI泛在普惠的基础平台，解决网络泛在算力和平台化服务网络的构建问题，支撑数据/AI模型流动和一体化AI服务供给，其关键问题是如何动态、可靠的供给AI新服务能力，实现服务范式变革。

       •   安全内生

       随着6G网络的演进以及新业务、新技术的发展，带来了新的安全需求。面向6G安全新需求，应根据适度安全、灵活适配、至简高效三大原则，以安全与信任融合、服务化以及内生为手段，实现网络与安全一体的安全防护体系，由此可信内生安全架构及体系被提出[9]。其中，内生安全是一种实现6G安全的理念和方法，强调将安全性作为核心要素和基本特征融入6G网络全生命周期内，安全根植于6G网络并与网络共生，使6G网络具备自我保护、自我修复和自我适应的能力，通过内在机制主动应对各种威胁和攻击，提升6G网络整体的安全性和可靠性。

       •   空天地一体

       6G天基、空基、地基网络将深度融合，组成一张空天地一体化全域覆盖的网络，将卫星通信网络作为地面通信网络的重要补充与延伸，实现星地互联互通，网络灵活部署，拓展地面通信业务范围，降低业务成本。6G空天地一体化网络通过架构一体化、协议一体化、算力一体化，实现地面通信和卫星通信统一架构和协议，统一资源和调度，统一生态和服务，为高速泛在通信网络提供泛在连接、无缝服务、资源调度能力。

       •   网络数字孪生

       网络数字孪生是以数字化方式创建物理网络实体的虚拟孪生体，通过与物理网络实体之间的实时映射和交互，赋能网络实现闭环自治。数字孪生技术在网络中应用将助力实现网络流量、业务、资源、状态的全方位立体可视，将物理网络由“黑盒”变成“白盒”；助力实现从设备到网络的全生命周期精细化管理，可回顾过去、预测未来；基于数字孪生的预测、分析、仿真和验证能力，对网络策略和变更进行迭代验证和自闭环控制，助力实现自学习、自验证、自演进的智能自治网络；基于数字孪生对创新技术方案进行充分验证后部署至实体网络，降低现网的试错风险和成本，助力网络新技术研究。

       •   控制节点与数据节点分离

       为了降低高频站点密集部署导致的网络功耗和成本问题，同时保证网络广域覆盖性能、通感算智等新能力的高效支持，6G网络将支持控制节点与数据节点分离技术，通过数据节点按需开启提供灵活的网络能力、降低网络能耗。其中，控制节点提供多个数据节点的区域级集中协同功能以及跨区域的控制节点间协同功能，数据节点提供协同任务的调度和执行功能以及至少连接的用户面功能。

       •   多频融合组网

       未来无线网络将是由6GHz以下低频段、中频段、毫米波、太赫兹、可见光等全频段资源相互协同、深度融合的网络，可基于多频段的动态互补满足多样化的场景需求。新型频谱聚合技术将实现以用户为中心，使能高速率+低时延+高可靠+广覆盖的极致体验与一致性用户体验在6G网络下成为可能。通过多个载波的上下行完全解耦，实现终端的多载波快速接入，更快进入满足QoS需求的连接态；通过将多个载波看成一个小区，实现终端的“零中断”传输，满足用户一致性体验需求；通过多个载波的同一MAC管理，实现同一调度、同一HARQ，既能从基站侧简化网络多载波管理，灵活适配UE对带宽的需求，又能从终端侧高效灵活利用多个频谱，保证终端总是选择最优链路。   

       •   广域微域融合

       6G广域微域融合网络，即通过延展传统移动通信网络的部署及功能边界，实现在广域网络末端支持微域网络连接，构建类似网中小网的组网形态，在广域网协同控制下，充分发挥微域的短距离通信优势，从而支持超高速率、超高传输可靠性、超密集部署以及超低传输时延等极致性能体验需求。其核心挑战在于如何使用一套技术体制满足6G多样化业务的差异化需求，以及干扰协同及使能微域内极致性能传输技术。

       •   网络协作通感

       感知与通信融合是未来网络的重要特征，然而，在一张网中实现两个完全不同领域的能力面临着通感融合设计以及通感能力-网络效率-网络质量三角冲突。应对该挑战，中国移动提出点簇网多维协同设计。其中，“点协同”是通感一体的关键基石，需重点攻关一体化空口、一体化硬件难题，实现资源高效协同、通信与感知能力融合内生。“簇协同”是提升性能的必由之路，具有更高直射径概率、更强接收能量，更优协作增益，将赋能感知精度成倍提升，需攻关高精度同步、动态簇构建、多层联合处理三大关键技术。“网协同”是增强质量的核心要务，通过全局节点间高效协同，包括干扰识别与定位、干扰消除与智控以及统一的干扰管控架构，重点解决网络内的干扰问题。基于点簇网多维协同系统设计，网络化通感一体将低成本赋能网络泛在、高精度感知能力，助力高质量通感网构建。

       •   智能空口

       空口AI技术是满足5G-A和6G更复杂场景和需求的关键技术创新方向。当前业界空口AI技术有一定进展，但难以标准化与现网应用，实用性存在巨大挑战，需要从如下几个方面重点突破：一是效率低，算法复杂度高、数据开销大、算力需求高、通用性差；二是能力弱，算法跨场景泛化弱，不能匹配网络的大动态变化；三是质量差，传统网络架构不支持实时空口AI推理，可靠性难以保证。

       •   新型MIMO

       面向6G网络峰值速率、用户体验速率和谱效提升的指标需求，MIMO技术仍是提供网络能力增长的关键潜在技术。虽然通过在空间维度增加天线数量，可以提高有限频谱资源下的频谱效率，但是随着天线数量的增加，谱效的提升增益逐渐趋于平缓，而随之带来的能耗和成本问题逐渐凸显。因此，6G网络新型MIMO技术演进的难点和突破点在于如何在天线面板尺寸受限、部署成本、功耗、覆盖受限的条件下，可持续性地提升空口频谱效率性能。通过设计新型天线形态架构、材料工艺、部署规模和信号处理方式，开展针对虚拟MIMO、全息MIMO、基于智能超表面MIMO基站等方向的创新研究，可以降低设备成本和功耗，在保证服务质量的同时降低网络运维成本，实现更高效、更可持续的网络运营。

       •   智能超表面

       为实现立体化的网络覆盖，满足不同场景间的无缝切换和业务连续性，降低现有网络中大规模天线阵列和高频段带来的能耗和成本，智能超表面技术可以通过数字编程的方式动态调控具有低成本、低能效特征的超材料单元的响应特性，实现对空间电磁波的调控，从而改善电磁波的传播环境。通过网络侧到智能超表面控制接口的标准化、智能超表面辅助端到端传输方案设计、波束赋形相关算法设计，可实现智能超表面与网络侧和终端之间的深度耦合，实现通信环境的优化和重塑，实现立体化的网络覆盖。通过超材料单元结构设计、节能控制方案、以及定制化芯片的推动，可实现低成本、低功耗的大规模部署。

六、未来标准化展望

       2022年3月，ITU明确了6G总体时间表，整体上分为三个阶段：

       •   第一阶段（2021至2023年）：完成愿景定义；

       •   第二阶段（2024至2026年）：确定具体的技术性能要求、评估准则和方法；

       •   第三阶段（2027至2030年）：开展候选技术方案征集，2030年完成IMT-2030规范。

       《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》的正式发布，标志着6G发展的第一阶段任务已完成，6G研究重点正式从愿景需求转向技术方案，6G标准化工作正式起航。但从当前进展来看，业界对6G性能需求指标的具体数值还未全部达成共识。后续ITU-R将基于《建议书》进一步制定面向6G候选技术评估的最小性能需求指标以及评估方法，作为衡量6G候选技术能否正式成为ITU-R 6G标准的尺子。预计第三代合作伙伴计划（3GPP）将于2025年启动6G技术标准化工作，2029年完成第一个6G国际标准版本，预计6G将在2030年具备商用的能力。

七、总结

       本文系统介绍了6G总体愿景、典型场景与需求、6G设计目标与原则、关键使能技术，并对未来标准化进行了展望。经过近几年的研究与探索，业界在一些技术发展方向上已形成初步共识，包括通感算智安深度融合、空天地一体化、智能交互等，但仍面临诸多挑战。

       全产业链需要加强合作与协同，系统推进6G研发工作，共同推动形成全球统一标准和统一生态，营造合作共赢的产业氛围，实现6G的健康可持续发展。

【作者】

刘光毅，博士，教授级高工，现任中国移动首席专家、6G总监，毫米波与太赫兹产业联盟副理事长、工信部IMT-2030推进组无线技术组副组长和样机测试组副组长，主持和参与国家级研发项目10余项，荣获国家和省部级奖励10余项。

李娜，硕士，高级工程师，中国移动研究院技术经理，主要研究方向包括6G接入网架构与协议设计、服务化RAN等，参与国家级研发项目3项。

刘建军，博士，高级工程师，2008年毕业于中国科学院大学通信与信息系统专业，现任职于中国移动通信有限公司研究院未来研究院，先后从事4G、5G关键技术标准化和6G前沿技术研究工作，发表学术论文30余篇。

王启星，博士，现任中国移动通信有限公司研究院未来研究院副院长，6G项目经理，2008年毕业于北京邮电大学，自2008年开始参与4G、5G和6G的前沿技术研究和国际标准化工作，申请200余件专利，曾获2018年度中国通信学会科学技术奖一等奖和中国通信标准化协会科学技术奖二等奖。