2024 新代无线条术 ： 6G 基础突起报告(英文版)

6G 简介 随着5G部署的全面展开，供应商和服务提供商能够帮助消费者、行业和政府释放出具有深远益处的多种用例。然而，6G更进一步。6G技术将提供前所未有的性能、可靠性和安全性，首次全面连接社会。 人工智能与机器学习网络......................26AI驱动的网络优化在多个层面...................28数字孪生.....................................................29电路数字孪生.................................30网络数字孪生.................................31新网络拓扑结构.................................32无线接入网的虚拟化、云化和去中心化.............32非地面网络.................................34安全.........................................................36物联网与攻击面.................................36零信任.....................................................37网络安全中的机器学习与人工智能..................38结论.....................................................39 6G 简介 2 愿景 4 KPI 和目标 56G应用场景.....................................................................................7 联合通信与感知。 ...............................................8 全沉浸式远程呈现与虚拟和增强现实。.......9 大规模孪生。..................................................11可持续性..................................................................................12无线系统可持续性的实现............................................12在其他行业中促进可持续性................................155G 的演变.......................................................................... 163GPP 标准化时间表. .....................................................176G 技术.............................................................................. 19新频谱技术.................................................................20超大规模 MIMO...................................................................20可重构智能表面.........................................................21新频率带宽.................................................................22全双工. .................................................................. Vision 人工智能将驱动网络，实现全自动化基础设施优化和自主服务配置。数字孪生技术的广泛应用将成为常态，这些虚拟模型结合历史与当前数据以及机器学习，动态监控、提升、优化并增强众多流程。采用精确时间管理和数据编排的技术将彻底改变制造、工业过程以及服务于它们的网络。无论何时何地，全面通信环境都将扩展至陆地、海洋、空中乃至太空。最后，6G将显著提升社会应对及管理突发情况的能力。 物理和认知增强将使人类比现在的效率和生产力高出许多。6G的广泛普及将催生新的行业和商业模式。通过全面连接物理、数字和人类世界，6G有助于我们应对增长与可持续性发展带来的机遇与挑战。 6G愿景的一部分旨在支持并推动联合国可持续发展目标。这些目标通过创建无处不在的无线智能来促进全球健康、教育、生活质量、公正和包容性，以此推动全球发展。在未来十年中，人工智能（AI）、高级传感器、光学技术、云计算、高速数字通信、卫星技术和机器人等广泛的技术将迅速发展，从而启用由6G技术所可能带来的全新应用场景。 这些是部分6G技术和应用场景示例，而这本电子书简要介绍了每个主题。并非所有这些示例都将在6G中实现，但它们将推动新科技的发展，为人类带来数十年的利益，提供连接智能、全球覆盖、数字包容以及健康与安全的保障。 在通讯领域，6G将使多感官技术得以发展，让人们能够以全新的方式相互交流并了解周围环境，不仅利用视觉和听觉，还能触及触觉、嗅觉和味觉。通过全息影像技术，6G有望消除人与人之间以及人与机器世界间的物理和时间距离，实现无缝连接。 KPI 和目标 每一代移动通信技术都会引入更新的关键性能指标（KPIs）。图1展示了6G KPIs与5G KPIs之间的对比。鉴于6G仍处于早期阶段，有两条线：一条为保守目标，另一条为雄心勃勃的目标。这两组目标均显著优于5G的性能表现。 关键绩效指标（KPI）的蜘蛛图并未全面展现6G目标的全貌。智能设备的趋势将持续下去。在2010年代，无线芯片被集成到日常用品中，包括电子阅读器、健身追踪器、水表和厨房电器等，这一趋势在2020年代将继续并扩大规模。6G的未来充满了智能设备、机器和机器人。5G启动了自动驾驶车辆的发展，而6G则在此基础上进一步推进，大规模释放半自主和完全自主的机器进入世界。在这个领域的发展将从根本上改变人类与机器的交互方式，以及机器与物理世界的互动方式。 6G要求工程师以新的方式解决技术和伦理问题。引入社会偏见到无线生态系统的风险是真实的，可能会产生破坏性的后果，比如无线通信的不平等接入。但6G旨在提升人类生活质量。 构建未来化的赛博物理世界并非6G改善人类生活方式的唯一途径。可持续性进步将显著提升人类生活质量。绿色且减少浪费的无线生态系统是6G的重点关注领域，并已获得行业内的广泛支持。具体聚焦方向包括以下几个方面： • 减少运行网络所需的电量 • 减少功率设备的消耗量 • 减少因创建新设备和设备而产生的排放 • 改善设备回收 6G 用例 在全球运营商持续部署5G之际，下一代无线通信技术正在研发之中。其旨在填补先前标准留下的空白，并跟上消费者、工业和全球领域新兴技术和趋势的步伐。虽然第三代合作伙伴项目（3GPP）尚未定义6G，但主要研究机构、网络设备制造商和运营商已经开始制定他们对6G特性和关键性能指标（KPIs）、目标的期望清单。 流量容量必须增加以处理设备密度，尤其是在用户采用数据消耗型设备（如增强现实电子设备）时，定位精度必须提升并检测到亚厘米级的距离，以便准确地进行波束成形或在网络中部署感应能力。 超越严格的技术指标，存在着改善需求以使蜂窝通信在商业和全球社区层面可持续发展。智能通信需确保基本覆盖范围，减少网络负载，动态聚焦特定的小区或网络需求，并即时构建网络切片以服务于特定区域。网络能耗影响着网络运营成本及其在全球范围内的能源足迹和消耗。 专注于三大关键领域的5G发展：增强型移动宽带(eMBB)、超可靠低时延通信(URLLC)和大规模机器类型通信(mMTC)。6G将超越这些支柱。它将致力于构建一个更加全面、沉浸式的通信网络，具备灵活调整网络需求以达到各种性能目标的能力，同时努力降低成本、维护开销和服务时间。 6G连接旨在使其他领域如汽车的车辆到万物（V2X）通信、辅助和自动驾驶、智能农业以及持续系统监控等可持续活动成为可能。6G还必须满足全面覆盖网络的网络安全需求。它必须能够实现跨层安全优化和零信任架构，以适应分散或多供应商部署的全灵活性。 在6G生态系统中，随着下一代蜂窝通信的标准设定，各种关键性能指标（KPIs）正占据领先地位。当前的数据速率处于每秒单个吉比特的范围内，为了实现显著改进，必须提升至数百吉比特/秒，甚至达到1,000 Gbps。全球范围内的覆盖必须得到保证。它需要在密集的城市区域和农村地区以经济有效的基础设施进行扩展，或者利用非地面网络来填补覆盖空白。 联合通信和传感 6G正在探索利用亚太赫兹和太赫兹频谱进行通信。这些频率下可获得宽广、连续的带宽资源，这使得它们对于高数据吞吐量应用极具吸引力。 JCAS具有多种潜在应用。在其最基础层面，它可以通过啁啾信号向网络返回距离信息。在超过100GHz的频率下，距离计算的分辨率可以达到1厘米或更小（实际上，这种级别的分辨率因其他物体的干扰而过于乐观）。工程师可以通过返回回波信号或芯片的延迟和多普勒偏移来计算物体的速度。对位置有更精确的了解能够实现更准确的定位，并使6G网络提供空间监控功能。 这些频率具有其他优势。如今，在76至81 GHz的频段下运行的汽车雷达可以绘制出车辆周围环境的地图。但该地图不完整且需要视觉处理。其他成像应用，如在24.25至30 GHz频率下的机场安全扫描仪，使用毫米波（mmWave）频率。6G旨在利用毫米波信号进行非离子化成像的固有能力。 因此，JCAS 可以提升自动驾驶车辆的视野，使其能够在例如浓雾中导航。在公共安全领域，它可以在火灾现场等场景中帮助搜索与救援，识别出人类。使用与高级成像和雷达设备相同的频谱通信还带来了以下两个优势： 亚太赫兹频段的宽带宽有可能利用结合传统通信波形与看起来更像雷达或信道探测波形的新波形。通过将这两种类型的波形结合起来，亚太赫兹信号可以捕获环境成像信息和通信信息。这一技术被称为联合通信与感知（JCAS）。对于非亚太赫兹信号，通过研究波形的已知特性及其在介质中如何变化，同样也能够实现JCAS。 • 使这些不同的应用能够共享天线和收发器硬件。 • 使他们能够共享频谱。 物理设备内的空间和频谱是无线生态系统中最有限的稀缺资源之一，这使得JCAS成为6G研究的重要领域。 沉浸式远程呈现和虚拟和增强现实 疫情迫使人类采用了新的生活和工作方式。它强化了丰富而有意义的数字化互动的价值。当前提供的二维视频通话使得远程工作和学习成为可能，但无法替代面对面交流。向远程存在中添加额外维度是创造更真实数字化互动的第一步，随着摄像头技术和图形处理单元的发展，三维全息远程存在不再是科幻概念。 6G的目标是构建一个能满足这种应用高数据速率需求的通信网络。虽然信号压缩有助于传输全息图像，但创建真实感全息图所需的数据量是巨大的。低端估计显示，启用全息电信所需的数据速率是 10 Gbps ， 高端为 1 Tbps 。图 2 显示了人类大小的全息图如何需要 1 Tbps的数据速率。 全息远程呈现要求 低延迟并非沉浸式远程呈现所必需。然而，很容易想象虚拟现实（VR）应用如何重用底层全息远程呈现技术。除了声音和全息图像外，触觉将使VR听起来、看起来和感觉更加真实。触觉以及如VR眼镜或护目镜等设备需要低延迟和高带宽以确保体验准确并减少晕动症。 在增强现实（AR）应用中，为了传输用户所见环境并在此基础上叠加8K或10K的数据闭合循环，所需的上行链路和下行链路速度必须非常大。这些速度必