2023年6G无线系统设计原则和典型特征白皮书

未经书面许可禁止打印、复制及通过任何媒体传播2023IMT-2030（6G）推进组版权所有 背景 2023年6月，国际电信联盟ITU-RWP5D如期完成IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》。该建议书作为6G纲领性的文件，汇聚了全球6G愿景共识，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。建议书指出6G将实现人、机、物的连接：实现物理世界和虚拟世界的连接，同时，将感知和人工智能等能力融合到网络中，6G成为承载新用户、赋能新应用的新型数字基础设施。 IMT-2030（6G)推进组积极开展关键技术研究的同时，于2022年中启动无线系统总体研究工作，面向6G新业务、新频谱和新技术发展需求，结合以可持续发展为代表的发展目标，分析6G部署场景和组网场景需求，提出6G无线系统功能特征、架构特征和运行特征，研究形成6G无线系统整体架构和设计原则，不断迭代完善，指导后续无线系统方案研发。 无线系统需求 治理结构和过程扁平化等趋势。需要6G技术配合其他数字技术共同作用，对科学精准的决策制定和动态实时的事件响应提供有效支撑。6G需满足公共服务保障均等化需求，其在医疗健康和优质教育等领域的深度应用，将有效改善公共服务的用户体验，助力各类服务普惠、均等落地，增强公共服务能力，成为应对收入失衡挑战、助力各群体协同发展的强大工具。 可2.1可持续发展需求 面向2030年及未来，人类社会将进入智能化时代，数字世界与物理世界将无缝融合，社会服务均衡化、高端化，社会治理科学化、精准化，社会发展绿色化、节能化将成为未来社会发展趋势。经济、社会、环境的可持续发展将驱动移动通信技术持续从5G向6G选代升级。 一是经济可持续发展驱动力。6G需满足产业数字化转型需求，产业数字化推动生产方式向更高质量、更加智能方可转变，数学技术支撑高精度、高可靠、准实时的信息传输以及与人工智能、大数据、云计算等新技术的融合应用，将推动产业智能化转型发展。6G需满足个性化、高端化的人民高品质生活需求，以全息视频、3D视频、感官互联为代表的更高品质服务将加速普及，这对移动通信技术性能提出了更高要求。6G需满足国际协作全球化需求，新一代信息技术快速发展，使得国际分工从物理世界延伸至数字世界，未来数字季生、沉浸式交互等业务应用发展进一步降低了人与人的沟通成本。 三是环境可持续发展驱动力。6G需满足绿色可持续发展需求，推动绿色低碳转型是全球各国共同的目标，也是ICT产业可持续发展的必然趋势。需要将绿色低碳作为6G网络设计的基本准则，既降低6G自身能耗，同时赋能行业绿色低碳发展。6G将具有更高频段、更大带宽、更高速率、泛在互联、更高确定性等特征，业务应用呈现“智慧化、沉浸化、全域化”发展趋势，更强性能与多样化业务将致使6G网络流量负载、计算、存储等能耗提升。因而6G将在系统设计、技术创新、产品设计、网络运行维护等多个环节融入节能减排理念，助力绿色可持续发展。6G需满足重大突发事件高效应对需求，极端天气、疫情等重大事件驱动建立更加广泛的感知能力和更加密切的智能协同能力，实现社 二是社会可持续发展驱动力。6G需满足社会治理能力现代化需求，未来社会治理呈现主体多元化、场景动态化、 目标建议书》。该建议书提出IMT2030在IMT2020三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、人工智能与通信的融合、感知与通信的融合、泛在连接等六大场景。提出6G用户和应用将呈现泛在智能、泛在计算、沉浸式多媒体和多感官通信、数字李生和虚拟世界、智能工业应用、数学健康与福社、泛在连接、传感和通信融合、可持续性等九大趋势。ITU建议书充分体现了我国提出的全部典型场景，明确了6G应用和服务内涵。 会资源的密切协同和灵活调度，助力更大范围的密集性动员。 可2.2新业务需求 从2019年IMT2030（6G)推进组成立以来就开始对6G的典型场量和业务需求开展分析，经过近三年的讨论，逐渐形成了比较统一的意见。6G网络的业务需求包括5G现有业务的深化、发展和未来可能的新兴业务需求两部分。2022年IMT2030（6G）推进组发布6G典型场景和关键能力》自皮书，对6G典型场景和业务应用进行了分析，提出了超级无线宽带、超大规模连接、机器可靠通信、普惠智能服务和通信感知融合五大典型场景，对沉浸式云VR、数字李生、机器控制、智慧交互、多维感知等典型业务进行举例分析。 无线系统需求是6G无线系统设计的基础与依据。我们在IMT-2030研究成果基础上，立足于无线系统，从未来业务对于无线网络需求的角度，将业务分为基础通信需求、基础计算需求、基础信息需求。 2023年6月ITU-RWP5D如期完成了IMT面向2030及未来发展的框架和总体 在基础通信需求方面，6G无线网络需要在5G网络的基础上进一步满足业务对于更大的无线带宽、更大规模的连接、更高的可靠性的要求；同时将基础连接能力在空间和时间上进一步扩展，满足空天地海泛在连接和突发事件、重大事件、灾害事件的应急通信保障能力需求，满足有障碍物阻挡下的极致覆盖需求；另一方面，6G将进一步扩展终端可接入范围，支持体域网等近场通信场景。 跨区域设备监控雷要泛在连接能力、多维感知和计算能力；无人驾驶则需要基础通信能力、无线感知能力和基础计算能力三种能力。 可2.3新频谱需求 新一代6G无线系统既需要满足现有5G业务的增强，也需要满足更加丰富多样的新业务和新场景，因此需要不同频段的频谱资源，以实现全方位的6G业务体验。 为了满足6G全息交互等全新业务场景Tbps峰值速率，同时考虑6G较5G网络1.5=3倍频谱效率的提升，以及<0，1ms空口时征等技术需求：6G规模商用需要超大带宽（如约需要2GHz+带宽、单载波几百MHz，甚至Ghz）。 在基础计算需求方面，6G无线网络作为整个通信网络的重要组成部分，将提供支持包括计算、AI、存储在内的普惠智能，需要具备基础的算力感知、算力调度、算力共享能力，能够向业务侧提供算力服务，支撑端到端的智慧互联、交互业务和基础的架业务。 中低频段频谱仍将是6G发展的战略性资源，将为6G提供基础连续覆盖，支持6G实现快速、低成本网络部署。考虑到4G/5G现网生命周期长、频率重耕难度大等实际情况，在6G商用初期，5G仍大规模商用，即5G和6G将在相当长一段时间内会协同共存与融合发展。全球讨论的新中低频段频段涉及6GHz24GHz。6GHz频段是中频段仅有的大带宽优质资源，兼顾覆盖和容量优势，特别适合5G或未来6G系统部署，同时可以发挥现有中频段5G全球产业的优势。工业和信息化部新版《中华人民共和国无线电频率划分规定》率先在全球将 在基础信息需求方面，6G无线网络需要具备利用无线信号对目标的检测、定位、识别、成像等多维感知能力，需要具备将无线网络信息实时、准确开放给应用层的能力，并且需要具备提供各类传感器信息（温度、湿度、环境等）和GIS信息等行业公共基础信息的能力。 从具体应用来君，某一具体的业务用例可能需要上述一种或多种网络能力互相结合，如工业互联网、高清图像检测业务需要大带宽低时延能力：远程控制、机器控制需要高可靠低时延能力： 太赫慈指的是频段0.1～10THz（波长为30～3000μm）的电磁波，有约10THz候选频谱，两者都具有大带宽的特点，易于实现超高速率通信，可作为补充频段。但光谱和太赫兹的空间传输损耗都很大，在局域和短距离通信等特定场景中作为补充，可提供更大的容量和更高的速率，发挥独特的优势， 6425-7125MHz全部或部分频段划分用于IMT（国际移动通信，含5G/6G）系统 对于更高频段具有丰富的频谱资源，如光谱（道常包含可见光、红外、紫外等），其中可见光通常指频段430~790THz(波长为380~750nm)的电磁波，有约400THz候选频谱：红外光通常指波长为750nm-3000nm的电磁波： 原生智能，人工智能/机器学习的数据采集、模型训练、模型分发等功能将被纳入到6G无线系统内部，特别是在线学习、联邦学习、迁移学习等对分布式人工智能功能部署的要求，将对人工智能相关功能的模块划分、与现有RAN功能进行融合形成新的无线系统的架构、以及协议栈设计造成影响。其次，由于人工智能在系统/模块性能方面的提升，空口方面的开销将有可能被降低，从而获得更优的空口设计方案，但这是通过增加模型相关数据开销换取的，在系统设计时需要仔细的平衡两者在开销方面的影响。第三，由于人工智能在可解释性泛化能力等方面存在的向题，以及6G依旧需要支持非智能型/轻量化的系统设备和终端设备，需要考虑智能化与非智能 可2.4新技术对无线系统的要求 2.4.1无线原生智能 面向6G，人工智能技术被称为底座型技术，可以与网络的方方面面进行深度融合并发挥重要影响。在RAN侧，将主要在如下几方面发挥重要的作用：AI4Net，基于AI来优化RAN：Net4AI，RAN为AI提供优化服务，如连接QoS保障、数据安全隐私保护机制等；AIaaS，基于RAN内的连接计算、数据和算法等资源和功能，提供6GAI能力。由于RAN的主要处理循环都处于mS级别，机器学习模型训练数据和推演所需数据对传输网络的压力，以及数据安全和隐私保护的需求，6GRAN需要原生智能。 无线原生智能将影响6G无线系统设计的多个方面。首先，鉴于6G需要无线 化的兼容设计机制。最后，是否需要在基站侧为用户提供基于AI的服务以及如何提供，需要在无线系统设计时进行考患。 知一体化的影审。其次，无线感知链路与无线通信链路的差异，对如何设计同时满足通信和感知需求的无线系统架构、空口协议栈提出了挑战；开展协作感知对无线系统架构和协议栈也有要求。第三，是否需要在基站侧为用户提供基于感知的服务以及如何提供，需要在无线系统设计时进行考虑 2.4.2通信感知融合 5G已经支持面向终端的高精度定位技术，6G系统将增加全新的无线感知能力以及使能更多的基于定位、感知和通信融合的新型业务。在RAN系统进行通信与感知的融合，一方面可以充分复用通信系统的站址资源，发挥RAN系统多基站多收发点的优势，开展协作感知，保障甚至提升无线感知的性能：另一方面，利用无线感知获得的更精确的环境信息可以辅助提升无线通信的性能，以及利用通信与感知各自业务的特点通过大时空尺度调度的方式提高无线频谱利用率。 2.4.3通信计算融合 面向6G万物智联、数字李生愿景，通信和计算的融合将从通信计算统一部署的“物理”浅度融合向通信计算深度融合发展，二者相互依存、相互促进无线通信计算融合包含：无线通算资源融合、无线通算功能融合和无线通算服务融合三个层面。6G无线系统要考虑面同通信与计算的一体化编排，高效能地使用异构的无线算力，并提供按需的计算服务。 通信感知融合将影响6G无线系统设计的多个方面。首先，由于通信与感知业务的特点，针对同一个通信用户同时同频提供通信与感知服务的概率很低，且通信与感知对频率和带宽的要求不同，因此在空口信道/信号层面如何将两者进行融合需要被仔细的讨论，特别的，通信感知一体化设计最基础的问题之一，即波形的设计，对于通信感知一体化系统的通信性能，感知性能，网路资源效率等都至关重要，因此，在波形的研究与设计上，需要考虑其对通信感 通信计算融合将影响6G无线系统设计的多个方面。首先，通信计算融合需考患无线传输资源（例如时间、频率、空间、发射功率等）与计算资源（例如计算、存储等）联合进行系统优化设计，例如，根据空口环境选择合适的算法，通信处理与计算任务间的计算资源联合优化等，将有利于提升6G系统整体能效和多维度性能，并降低6G系统的碳排放量。其次，研究如何在架构层面原生支持网内分布式计算资源之间的发 需要仔细的设计与评估。其次，以用户为中心无小区边界的分布式超大规模大线要求无线网络架构和协议栈设计支持最优的服务收发点的动态选择，形成无中心的动态簇。第三，除了支持通信功能外，设计一款同时支持通信、感知、传能等功能超维度天线阵列是超维度天线技术所面临的重要