本文針對下一代行動通訊即6G系統，梳理了全球各大標準組織、地區及國家組織、高校研究機構的研究背景及相關進展，分析了目前潛在的無線側及網路側技術方向及帶來的技術優勢，最後總結了6G進展，提出了針對6G願景及整體發展方向的思考。
01
全球6G研究現狀
1.1 國際組織及區域組織
國際電信聯盟（ITU）
國際電信聯盟下設的電信標準化部門第13研究組（ITU-T SG13）致力於未來網路研究，並於2018年7月建立了NET-2030網路焦點組，旨在探索麵向2030年及以後的網路服務需求。
該焦點組下設3個子組，包括應用場景與需求，網路服務與技術以及架構和基礎設施，並於2019年發佈2本白皮書，分別關注應用場景以及2030網路的新服務能力，提出了全息、觸覺網際網路等多種新型場景，以及目前網路Gap和未來網路最需關注的服務。
此外，ITU下設的無線電通訊部門5D工作組（ITU-R WP5D）於2020年2月在瑞士日內瓦召開的會議上，啟動了面向2030及未來（6G）的研究工作。
會議形成初步的6G研究時間表，包含未來技術趨勢研究報告、未來技術願景建議書等重要計劃節點。
本次會議上，ITU啟動「未來技術趨勢報告」的撰寫，計劃於2022年6月完成。該報告描述5G之後IMT系統的技術演進方向，包括IMT演進技術、高譜效技術及部署等。
此外，還計劃2021年上半年啟動「未來技術願景建議書」，到2023年6月完成。該建議書包含面向2030及未來的IMT系統整體目標，如應用場景、主要系能力統等。
目前，ITU尚未確定6G標準的制定計劃。
電氣電子工程師協會（IEEE）
IEEE於2018年8月啟動了目標為「實現5G及更高版本」的未來網路研究。
2019年3月25日，IEEE贊助的全球第一屆6G無線峰會在芬蘭召開，工業界和學術界眾多參會代表發表對於6G之最新見解和創新，探討實現6G願景需要應對的理論和實踐挑戰。
該會議的論文及報告涉及對6G的場景暢想、毫米波及太赫茲、智慧連接、邊緣AI，機器類無線通訊等多項技術。
第二屆6G無線峰會也於2020年在線上舉行，由業界、運營商、研究機構學者及利益相關者進行主題演講、技術會議及相關展示等。6G峰會屬於全球範圍內技術盛會，目標是通過各行業群策群力，明確6G願景及發展方向。
第三代合作伙伴計劃（3GPP）
3GPP目前的在研版本R17仍然是5G特性的演進及增強。但需求組SA1已啟動未來業務的相關立項，包含智慧電網、觸感通訊等，有較大可能平滑過渡到下一代行動通訊系統。
根據目前進展及計劃，3GPP大概率會在R19(2023年)開始6G願景、技術、需求方面的工作，在R21或以後階段開始進行6G標準化工作。
6G Flagship
由芬蘭財團贊助，奧盧大學（Oulu University）主導的6G旗艦計劃（6G Flagship）於2019年成立，致力於提供「近即時、無限無線連接」的標準化通訊技術，並於2019年9月發佈白皮書《Key Drivers and Research Challenges for 6G Ubiquitous Wireless Intelligence》，初步回答了6G怎樣改變大眾生活、有哪些技術特徵、需解決哪些技術難點等問題。
內容包括6G願景、驅動力、應用及服務，無線研究方向集中在人工智慧、新的免授權接入、信號成型、模擬調製、大型智慧表面等，同時針對無線硬體的進展和難度進行了分析，網路研究方向則集中在信任鏈的建立。
1.2 國家觀點與佈局
歐盟
歐盟在2017年發起第6代行動通訊（6G）技術研發項目徵詢，旨在2030年商用6G技術。
同時，歐盟已啟動為期3年的6G基礎技術研究項目，主要任務是研究可用於6G通訊網路的下一代前向糾錯編碼技術、高級頻道編碼以及頻道調製技術。
歐盟Horizon 2020組織也將啟動「智慧網路與服務」的6G研究項目，目前正在前期論證預研階段。
此外，歐盟積極資助大學和研究機構，包括芬蘭國家技術研究中心、奧盧大學等，關注未來應用場景及太赫茲、無線寬頻接入、邊緣智慧、編解碼等技術方向。
美國
美國政府十分重視6G技術，且在太赫茲及空天地一體化技術領域持續發力。
FCC於2019年3月頒佈美國在THz頻段上頻譜分配：95 GHz to 3THz，認為6G將邁向太赫茲頻率時代，隨著網路越加緻密化，基於THz、區塊鏈的動態頻譜共享技術、空間複用技術等3大類技術正在變成新的技術趨勢。
美國紐約大學、加州大學及弗吉尼亞理工大學都在進行太赫茲及其他6G方向的預研工作。
此外，Space-X、OneWeb、Amazon等紛紛推出衛星網際網路計劃，作為後續6G的潛在賦能技術。
日本
日本政府計劃通過官民合作的方式制定未來6G的綜合發展戰略。
經濟產業省設立總額2200億元的基金，建立一個關鍵國家優先項目，啟動6G研發。由東京大學校長擔任主席，東芝等科技巨頭提供技術支持。
日本目前在太赫茲領域獨佔優勢，並將太赫茲技術列為「國家支柱技術十大重點戰略目標」之首。NTT集團就曾經宣傳開發出了太赫茲和軌道角動量兩項B5G和6G技術。
此外，日本還將把「光半導體」作為支撐6G的資訊處理技術。NTT表示將與65家企業合作，力爭2030年之前實現用於6G的光半導體量產。
韓國
韓國的6G研究主要集中在企業及高校研究機構，包括三星、SK、LG電子、韓國高級科學技術研究院等。
其中，LG電子與韓國高級科學技術研究院合作建立了6G研究中心；電子和電信研究院已與芬蘭奧盧大學簽署了一項備忘錄，以開發6G網路技術；SK Telecom與芬蘭諾基亞公司和瑞典愛立信公司簽署了協議，以加強在6G網路研發方面的合作。
2019年6月，三星成立高級通訊研究中心，開始對6G網路進行研究，2020年7月，三星發佈6G願景白皮書《6G：The Next Hyper Connected Experience for All》，內容涵蓋了三星的6G願景、演進趨勢、應用場景、指標需求、候選技術及預期的標準化時間表。
中國
2019年11月，科技部召開6G技術研發工作啟動會，宣佈成立國家6G技術研發推進工作組和總體專家組。
其中，推進工作組負責推動6G技術研發工作實施；總體專家組負責提出6G技術研究佈局建議與技術論證，為重大決策提供諮詢與建議。
工信部也於2019年成立6G研究組，後又更名為IMT-2030，聚集工業界和高校等各方力量，涵蓋了需求、無線及網路技術，加強前瞻性願景需求及技術研究，目標在於明確6G推進思路和重點方向。
02
潛在研究方向
針對下一代行動通訊的研究，離不開對新技術及新型網路架構的探討。
本章節梳理了各大組織、高校及研究機構目前研究方向的重點，並分為新型頻譜、新型無線側技術以及新型組網架構及網路能力3類，主要介紹了技術特點及面向6G系統的必要性，為後續更豐富、系統的研究工作提供基本參考。
2.1 新型頻譜
未來業務類型及使用者都將向更加多樣化發展，對網路性能要求越來越高。而目前低頻頻率資源已逐漸被完全佔用，因此，向更高段頻譜延伸，將成為6G的探究方向。目前，較受業界關注的頻譜，包括太赫茲和可見光頻段。
太赫茲，指的是從100 GHz到10 THz的頻段，波長範圍為 0.03~3 mm，介於無線電波和光波之間的電磁輻射，具有攜帶資訊豐富，亞皮秒量級脈寬、高時空相干性、低光子能量、穿透性強、使用安全性高、定向性好、頻寬高等特性。
太赫茲通訊類應用，可根據覆蓋距離分為2類。
長距離覆蓋的應用包括大容量無線前傳/回傳、無線資料中心、空間應用等，覆蓋距離約為百米到千米的量級。
短距離覆蓋的應用包括近距離點對點通訊、晶片通訊、健康監測及奈米級物聯網等，覆蓋範圍為毫米到米。
目前關於太赫茲研究的關鍵問題是核心器件的研發及靈活動態的空口設計。
可見光波段頻譜在420~780 THz， 波長範圍380~780 nm，無需授權即可使用，而可見光通訊又具有照明和通訊結合、無電磁干擾、綠色環保等優勢。
因此，VLC作為解決近距離家庭介入重要手段，被認為是未來通訊系統可選技術。
VLC的主要應用場景包括室內無線接入、室內定位、室內導航、智慧交通、在航空領域應用、設備間資料共享、高速率資訊傳輸、水下通訊、資訊安全領域等。但目前可見光通訊產業鏈不夠成熟，瓶頸在於移動終端的可見光收發器件。
2.2 新型無線側技術
大型智慧表面
在以前的移動系統中，很多無線單項技術致力於更好的適應不斷變化的無線頻道環境，利用最佳化收發機的設計（如波形方案、編碼方案、時頻空傳輸機制等）來提高系統容量。可惜，以前對電磁波的控制力，僅侷限在發射機和接收機上。
而近年來智慧超表面的出現，使得頻道環境的電磁特性能夠被靈活控制，引起了學界和業界的廣泛關注。
智慧超表面是一種具有可程式設計電磁特性的人工電磁表面結構，通常由可程式設計新型超材料構成。
智慧超表面可以通過數字編碼對電磁波進行主動的智慧調控，形成幅度、相位、極化和頻率可控制的電磁場。
這一機制提供了智慧超表面的物理電磁世界和資訊科學的數字世界之間的接口，智慧超表面技術優勢還包括低能耗、低硬體成本、無自干擾、配置靈活、應用廣泛，能夠根據不同應用場景，通過反射、透射、散射等方式實時調控電磁波束，改變無線環境，增強有用信號質量，進而達到增強覆蓋、提升系統容量、簡化設計的目的，對於未來行動通訊的發展尤其有吸引力。
新型編碼與波形
在以前移動系統演進過程中，從4G到5G，峰值速率增長了10倍以上，可以預測，到下一代移動系統，速率增長趨勢仍然會保持，甚至可能加速。
譯碼的吞吐量需求達到百Gbps以上，需要對譯碼演算法、糾錯碼重新設計，提高譯碼並行度。
同時，可靠性要求也逐漸提高，要求編碼要有更低的差錯平層，最佳化相關設計。
目前研究比較多的編碼技術包括Spinal編碼技術、索引調製技術、非線性預編碼，同時人工智慧用於編碼也逐漸受到關注。
此外，5G系統中，波形設計能夠靈活適配不同應用場景，而未來6G支持的場景及業務更為複雜，性能指標也將大幅提升，新波形的設計及引入勢在必行。
目前，研究包括基於非正交波形設計，變換域波形設計等。
新型編碼及波形都將在未來系統中發揮重要作用，是需要重點探究的技術方向。
3.3 新型組網架構與網路能力
天地空海一體化
衛星通訊在改善當今數字經濟生活中起著至關重要的作用。
與地面網路相比，衛星網路具有完整的地球表面覆蓋、先進的移動性、高安全性和可靠性、遠距離傳輸的時延保障等。
將衛星、飛行器與地面網路結合實現立體和異構網間互聯，可以實現廣範圍、大容量、巨連接的資訊分發與互動，滿足存在侷限的農村地區連接、空域海域連接、災害管理等特殊場景，實現全球無縫覆蓋及無感知切換，為下一代行動通訊覆蓋要求、連接要求提供保障。
目前，技術體系面臨的技術挑戰包括傳輸鏈路高動態變化、網路時空行為複雜、異質業務尺度差異大。同時，空天地一體化組網、傳輸理論、最佳化排程、智慧協同等技術層面，也需要很大的技術突破。
確定性網路
確定性網路（DetNet——Deterministic Networking）原本是一項幫助實現IP網路從「盡力而為（best-effort）」到「準時、準確、快速」，控制並降低端到端時延的技術，最初主要針對工業、能源、車聯網等對網路低時延、可靠性和穩定性要求極高的垂直行業。
目前，IEEE制定的TSN標準提供了乙太網的確定性，IETF成立的確定性網路工作組則致力於將TSN中開發的技術擴展到路由器，擴展網路規模。
未來，隨著移動終端及所搭載業務類型更加多樣化，高精度時間同步，絕對的端到端上限時延，超可靠零丟失的資料包傳遞等「確定性」的需求將成為下一代移動系統的要求。
而無線側是實現移動系統端到端確定性的關鍵，無線傳輸容易受到環境影響，傳輸質量難以保障。
在5G時代，3GPP標準制定了TSN與5G融合的方案，將5G系統作為TSN橋，以黑盒子的方式進行架構融合，但兩者仍是獨立的系統，難以充分保障TSN的性能。
未來，在下一代行動通訊系統中，將充分考慮業務的特性，使得6G原生支持確定性，相關的技術方案和架構體系需要進一步完善。
雲原生
雲原生是指應用部署在雲端伺服器，且具備容器化、微服務、持續交付和DevOps幾大特徵。這些技術能夠構建容錯性好、易於管理和便於觀察的松耦合系統。
5G時代，核心網基於服務化架構，使得網路功能更易於利用通用化伺服器實現，在資料中心達到雲化效果。但目前5G核心網部署仍未具備容器化、微服務等特性。
未來，為了構建靈活性、可擴展性，快速創新及上線的網路服務，雲原生可作為適合的解決方案。
儘管移動網傳統無線設備一直以來封閉性程度高，且網路功能對實時性等要求極高，但對於移動網雲原生相關研究及探索一直在推進，相信隨著技術及產業不斷成熟，未來能夠充分發揮其優勢構建靈活、彈性的新型網路架構。
泛在智慧
人工智慧的不斷繁榮，正在徹底改變科技的每一個分支。將人工智慧與下一代行動網路結合，已成為不可阻擋的趨勢。
目前，通訊領域與智慧化的結合方式，大多是在完成系統部署後，利用資料蒐集和人工智慧演算法對業務進行最佳化。但其應用的程度及範圍較低。
未來，隨著網路架構不斷演進，以及泛在連接的發展，人工智慧能夠更密切地與網路的每一個環節結合，不僅僅部署在雲端，還將深入到邊緣側、終端側。不僅僅用於特定業務的智慧最佳化，還將更廣泛與系統設計結合，包括網路部署、演算法設計、算力分配，將智慧化更廣泛地植入在網路中，實現真正的智慧泛在，全面提升未來行動網路能力。
內生安全
未來新型業務願景和網路架構，包括沉浸式XR、全息、空天地一體化泛在連接、AI等，將會引入更多的攻擊點，為安全帶來更多的挑戰。
傳統的安全防禦模式為補丁式，即在系統構建完成後，通過孤立的安全設計、堆疊、加固，是被動的防護模式，存在低效、不經濟的問題。
因此，未來行動網路要探索新型的安全模式。
內生安全基於內聚、協同、原生等屬性，使安全具備原生創建、共生演進的特徵。通過對不同安全協議與安全機制的聚合來對網路進行安全治理，同時安全防護能力具備自主驅動力，來同步甚至前瞻性地適應網路變化，以衍生網路內在穩健的防禦力，不再是對安全威脅進行被動的應對，在未來6G網路中可發揮重要的作用。
03
總結
6G網路是將是面向2030年及以後的網路。雖然目前處於研究的初級階段，但仍然可以從業務及技術的演進趨勢初步窺探，6G網路需要支持未來業務的更高頻寬、更嚴格的確定性，更廣更深程度的覆蓋，同時考慮提供更智慧、更安全、更靈活的網路服務。
本文梳理了研究機構針對6G的進展及潛在技術方向。儘管目前6G路線尚不明確，潛在方向也存在理論、物理實現以及組網等各方面的問題，但隨著科研的不斷投入及產業界持續推進，相信下一代行動通訊系統定將帶來更多維度的改變及更深層次的顛覆！
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作者簡介：
劉珊，畢業於北京交通大學，碩士，主要從事5G行動通訊系統及未來網路相關研究工作；
黃蓉，畢業於北京郵電大學，高級工程師，博士，主要從事無線行動通訊相關技術研究及標準化工作；
王友祥，高級工程師，博士，主要從事5G新技術研究及試驗工作。
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