探索6G无线系统设计.pdf

方向标4探索6G无线系统设计1 当前6G发展处于技术研发的关键阶段当前，5G已经在全球范围内实现大规模商用，6G作为新一代综合性信息基础设施，将突破传统移动通信范畴，实现通信与感知、计算、人工智能等深度融合，具备空天地海一体化的全球覆盖能力，将在5G“万物互联”基础上进一步实现“万物智联”。根据移动通信产业发展规律，6G发展大致可分为三个阶段，2020至2024年是6G概念形成、技术突破阶段，形成愿景需求及概念，深入研究移动通信基础理论，实现关键核心技术突破，为6G国际标准奠定技术基础。2025至2029年是国际标准化研制阶段，形成6G技术方案和架构，完成6G国际标准研制。2026至2030年是产业研发阶段，全面推进产业研发，构建完整产业生态，适时启动6G商用。当前，正处于6G概念形成和关键技术突破阶段。2023年6月，国际电信联盟(ITU)编制完成IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书，明确6G的基本概念。从典型场景看，6G将在5G三大场景基础上增强和扩展，包含沉浸式通信、超大规模连接、极高可靠低时延、人工智能与通信、感知与通信的融合、泛在连接等六大场景。从能力指标看，6G将有15个关键能力指标，包括峰值速率、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、安全性/隐私性/韧性、覆盖、定位精度、感知相关指标、人工智能相关指标、可持续性、互操作性。建议书的发布明确了6G的发展目标、典型场景、能力指标等框架性内容，将有力指导全球6G技术研究和标准研制工作。为满足ITU定义的6G六大典型场景和关键能力需求，需要实现关键技术的创新和产业基础的突破1，6G技术产业将呈现出“融合化、智能化、高速化、泛在化”的发展趋势。一是融合化，信息技术(IT)、通信技术(CT)、数据技术(DT)的深度融合将极大拓展6G技术创新空间，带来感知、存储、计算、传输等环节的群体性突破，加速孕育颠覆性重大技术变革，最终将带来6G技术的代际跃迁。二是智能化，随着网络传输能力、数据计算效能、信息存储容量的快速提升，人工智能技术(AI)成为技术融合创新、产业转型升级的新动力和新引擎，不同于5G网络的“外挂式”人工智能，6G将实现内生智能，基于统一架构支撑“AI赋能网络”和“网络使能AI”两大场景，通过AI赋能提升网络运行效王志勤中国信息通信研究院副院长，中国通信标准化协会副理事长、无线通信技术委员会主席，中国通信学会无线移动委员会主任委员，中国IMT-2020(5G)推进组组长，IMT-2030(6G)推进组组长。方向标5率、降低运维成本、增强用户体验，并推动网络使能AI成为泛在化的社会级服务。但AI的引入需要重点突破CPU/GPU/FPGA等高端通用芯片，以及操作系统、开放指令集、开发工具等基础软件能力。三是高速化，6G的数据传输速率相比5G将实现量级提升，需要采用更高频段、更大带宽的频谱资源，对相关器件提出更高功率、更高集成度、更高功放效率等指标要求，进一步加大对更加成熟的半导体化合物材料及先进的器件制造工艺的迫切需求。四是泛在化，未来的6G网络将实现全球深度覆盖，通过地面蜂窝移动通信与卫星等非地面通信的融合将空间、陆地紧密无缝连接。2 6G无线系统设计探索移动通信网络是一个复杂系统，而网络架构就是这个复杂系统的基座，决定了整个系统的效率和能力。6G作为新一代信息服务网络，将成为一个开放创新和提供信息服务的平台，具备超越连接的服务能力是其典型的架构特征，将开启数字与物理世界融合、实现多要素信息服务的新时代。6G网络作为提供连接和超越连接能力的服务基座，其无线系统需要提供超越通信边界的性能、智能多样灵活的无线功能，并支撑新的应用生态和发展需求，这对无线系统的设计提出新的挑战。我国6G推进组发布6G无线系统设计原则和典型特征白皮书2，提出6G无线系统概念视图，包含资源层(根据物理资源和逻辑资源类型，进一步分为基础设施层和虚拟资源层)、功能层、服务层，如图1所示。具体地，基础设施层包括多频段频谱资源、分布式计算资源及存储资源、空天地海全场景全覆盖接入设施、可重构智能表面、感知设施、各类型终端等；虚拟资源层包括物理资源提供的连接、计算、数据、模型等资源；功能层在架构层面，通过原生设计方式支持计算、数据和可信等功能，并与传统连接功能协同，高效地管理和控制资源层所提供的多维资源，从而提供超越连接的新功能及服务保障；服务层可安全、高效地协同资源层包含的各类资源，实现资源的统一封装和管控，并对网络内部的网元和终端用户提供超越连接的计算、数据、智能、感知等新型服务。图1 6G无线系统概念视图根据以上场景和技术需求研究分析，6G推进组研究提出6G无线系统三类特征，具体包括：一是功能特征，包含灵活频谱、原生智能、通感融合、通算融合、主动管理；二是架构特征，包含灵活组网、至简协议、弹性可定制、能力开放、跨域协同、用户为中心；三是运行和实现特征，包含内生节能、内生可信、数字孪生自治。6G推进组研究认为6G无线系统设计应遵循七大原则，即按需适配、智慧原生、融合一体、数据原生、绿色低碳、内生可信和联合优化。ITU定义的六大典型场景对6G接入网架构、协议框架、空口技术等方面均提出设计要求，特别是，新增三大场景对6G无线系统设计有深刻的影响。2.1 人工智能与通信原生智能无线系统具有与无线通信架构、数据和算力分布及其存储方式高度适配的通用学习架构，实现数据、通信、计算高度协同。6G无线系统将支持包括数据收集、模型训练、模型传递、模型注册、模型配置/激活/去激活、模型推理、模型监控、模型调整等逻辑功能的生命周期管理机制，支持多种部署模式，如训练功能部署在网管侧、推理功能部署在基站侧或终端侧，或者训练和推理都部署在基站侧或终端侧等。6G无线系统支持分布式和边端协同工作模式，通过分享各自的算力资源、数据资源、模型资源等，支持联邦学习、分布学习、大模型等模型的部署，获得更优异的性能，并高效支持普惠智能服务。方向标62023年，IMT-2030(6G)推进组启动无线AI关键技术测试，重点关注物理层技术方案可性行和潜在应用场景验证。测试内容涵盖智能调制解调、智能信道估计及智能收发机等。测试结果表明利用人工智能技术与通信功能的融合可有效提升系统性能，但同时也存在模型泛化性不足、AI推理实时性欠缺、动态调优能力不足等问题。后续面向标准化及产业化，重点聚焦推理实时性、模型泛化性等技术方向开展研究，同时，在设备模型互通性、模型在线更新调优等方面进行深入研究。基于无线AI测试，推进组形成移动通信与AI融合的数据格式和模型建议书3，该建议书汇聚产业实践中业界最为关注的典型用例，涵盖典型用例的智能化模型训练数据来源、训练数据集格式、训练数据集大小、模型类型、模型参数、模型占用内存、模型推理所需算力等关键信息，供产学研用各界参考研究。2.2 感知与通信融合6G支持多种类型的业务感知，包含导航、模式识别、成像、重构类等，支持自发自收、收发点对点、点对多点、多点对多点及多点间协作等感知模式。6G将采用通信和感知统一的空口协议框架，包含波形与信号设计、初始接入机制、测量反馈机制、多节点/多天线协作机制与多频段协作机制等，有效支持通信和感知一体化应用。在资源方面，6G无线系统支持分配时域、频域、空域等维度的资源，以支持感知能力。此外，6G支持感知业务识别、测量、数据汇聚、启动和结束等，支持感知数据的获取、传输/汇聚和对外服务。自2022年，6G推进组连续两年组织6G通感一体化样机技术测试。目前概念样机主要采用自发自收感知模式下的通信与感知时分复用方案，通过多波束时分扫描方式识别不同位置感知目标。测试场景以目标定位类感知应用为主，其他应用包括环境重构、呼吸检测、动作识别等。测试结果表明，在测试环境下，样机的室内感知定位精度可达厘米级，室外无人机定位精度可达分米级。面向复杂环境下感知性能需求，如无人机场景的虚警、漏检概率还需进一步测试验证。后续，试验将重点验证通感一体化新波形、多站协同感知、多站部署干扰管理等方案。2.3 泛在连接场景6G将以地面蜂窝网络为基础，以卫星、高空无人飞行平台等为拓展，构建立体分层、融合协作的网络，采用统一的技术制式、管理机制及组网模式，在地面覆盖基础上，利用卫星等覆盖偏远地区，实现泛在连接。6G网络将从设计之初就原生考虑星地之间的融合设计，在无线系统方面，使用统一的空口协议适配多样化的传输环境，高效利用时、空、频等多维资源提升传输和接入效率；设计星地融合的统一移动性会话管理，通过极简切换流程和极低信令开销的方案支持星地切换机制。通过智能、高动态的频谱共享接入技术，实现星地频谱的协同管理与灵活调度。3 总结目前全球6G发展正处于概念形成和关键技术突破的重要阶段。ITU已经明确了6G的典型场景和关键能力指标，确定6G关键技术方向，满足ITU所确定的场景和关键能力成为后续的工作重点。本文分享在6G无线系统架构及相关方向的探索和思考，同时结合6G推进组组织开展6G技术试验情况，反映了当前的发展现状和面临的挑战，提出了未来的研究建议。参考文献1 王志勤,杜滢,魏克军,等.6G移动通信的愿景、应用场景和关键技术趋势展望J.中国科学-信息科学(英文版),2022,65(5):5-312 IMT-2030(6G)推进组.6G无线系统设计原则和典型特征白皮书R/OL.(2023-12-05)2024-01-3 IMT-2020(5G)推进组和IMT-2030(6G)推进组.移动通信与AI融合的数据格式和模型建议书R/OL.(2023-12-05)2024-01-