文 |錢鴻生

編輯|星船知造

視覺設計：星船知造

5G時代已經過半。從2019年5G啟航至今，中國扎實推進5G助力千行百業(yè)。目前屬于5G的時間還有至少5年。

中國數個萬億級產業(yè)的崛起都在5G技術的托舉下：《中國5G，這些萬億級產業(yè)都離不開5G》

另一邊，6G標準話語權的爭奪戰(zhàn)也已打響——今年美國、澳大利亞、加拿大、捷克、芬蘭、法國、日本、韓國、瑞典、英國10個國家發(fā)布聯合聲明，拉起“6G”聯盟，準備來個抱團式彎道超車。

同時多家歐美日韓科技企業(yè)，包括英偉達、亞馬遜網絡服務公司、ARM、愛立信、微軟、諾基亞、三星電子、軟銀等成立“AI-RAN聯盟”，要在6G研發(fā)領域搶占關鍵位置。

6G標準化仍處于早期研究階段，尚未形成全球統(tǒng)一的技術標準，但各國都已充分認識到了6G對于未來國家的技術與經濟發(fā)展的重要性。上述各種動作目的之一就是把中國企業(yè)排除在外。

一場6G關鍵技術的研究、測試工作已經全面拉開競爭序幕。

作為星船知造“現代通信與智能網技術展望”系列欄目的第三輯，我們邀請星船知造資深讀者、通信行業(yè)教授級高級工程師錢鴻生博士為我們撰寫了《第六代移動通信6G關鍵技術與發(fā)展前景的研究》。

白皮書正文共3.1萬字，從移動通信技術迭代發(fā)展的角度出發(fā)，分析第六代移動通信6G發(fā)展的內生驅動力，全面分析6G移動通信的愿景目標、系統(tǒng)架構、主要性能參數和關鍵新技術突破的內涵，分析未來6G移動通信網絡新的六大場景化應用領域，盤點我國科研人員近期在6G關鍵技術研究中的一些重大突破案例。最后就我國部署商用6G移動通信網絡的時間、6G資本市場的發(fā)展前景以及建立風險管控機制作了簡要的分析與研判。

目錄可左右滑動

我們節(jié)選出白皮書中部分內容，本篇主要節(jié)選了第二章中的“第六代移動通信6G網絡架構設計”和“第六代移動通信6G關鍵技術介紹”中部分內容。

下篇發(fā)布后將同步發(fā)布完整版白皮書。敬請期待！

01 第六代移動通信6G網絡架構設計

網絡架構設計是移動通信網絡的基礎和核心，它決定了整個移動通信系統(tǒng)的效率和技術支撐能力。

6G網絡架構設計將向邊緣網絡和天地一體化不斷延伸，滿足固定、移動、衛(wèi)星等多種連接方式的接入，實現空、天、地、海一體化通信的無縫連接與覆蓋。

2.3.1 第六代移動通信6G網絡架構理念

第六代移動通信6G的網絡架構設計，充分吸收以往5G網絡架構設計的成熟經驗和理念，在新的6G 網絡架構中將適配的新業(yè)務需求，兼顧節(jié)能增效，并保持與現有5G網絡的兼容、協同與升級。

6G網絡架構設計的基本理念應考慮以下幾個方面

第一，多功能內生協同融合。

6G網絡提供的服務將從原來單一的連接服務，擴展到智能、感知、計算、數據、安全保障等多方面，相關架構設計理念應體現內生以大帶寬、低時延的連接功能為主，引入外掛方式滿足6G多樣的服務需求和適配復雜環(huán)境的需求。需要從網絡功能、接口、協議棧等多方面支持智能、算力、安全等內生能力，協同6G新業(yè)務所需要的連接、數據、計算多維度資源，采用分布式的網絡服務形式，滿足用戶對6G融合業(yè)務的匹配能力和服務質量保障。

第二，提供多元化和差異化服務。

6G網絡的服務對象不僅僅是傳統(tǒng)的終端用戶，還包含使用網絡計算服務、數據服務、感知服務等多元化的對象用戶。因此6G應該提供多元化和差異化的網絡服務能力，降低網絡建設與運維成本。能為多元化的用戶提供不同的服務類型與服務保障的體系，滿足個性化的網絡需求。

第三，網絡從連接管道轉向平臺服務。

第六代移動通信6G網絡將從原有的提供連接管道服務，轉變成為多元化的平臺服務理念，面向網絡的參與者，如終端用戶、行業(yè)用戶和合作伙伴。開放基于統(tǒng)一平臺開放式的服務能力，以降低網絡定制成本，賦能多樣化、可編程等多樣化業(yè)務功能、具有計算功能等進行靈活編排，實現用戶與用戶、用戶與網絡之間的多邊能力資源的協同處理能力。

2.3.2 第六代移動通信6G系統(tǒng)性能指標

為了支持2030年及以后的移動通信應用場景的需要，6G網絡性能指標，通過引入新的技術方案、重構或優(yōu)化網絡架構、協議方案，可以取得比5G具有顯著的提升。對于系統(tǒng)帶寬、傳送速率、時延、頻譜效率、流量密度、系統(tǒng)安全可靠性和連接數等關鍵性能指標，與5G 相比可呈現數量級的增長，如下圖所示

未來 6G 網將具備比 5G 更高的性能參數指標，支持10到100Gbps 的用戶體驗速率，峰值速率可達1Tbps，每平方公里的終端密度可達1000萬以上，空口時延小于0.1ms，以上指標遠超5G ，某些性能參數在5G的基礎上將實現10至100 倍的提升。

但是，ITU-R在2023年11月發(fā)布的 《2030年及以后IMT未來發(fā)展的框架和總體目標》（M.2160-0）中提醒，目前對6G的能力指標參數的一些估計目標值，隨著后續(xù)標準的出臺，根據不可預見的應用環(huán)境與不同國家的研究會有一些參數上的變化，有些可能無法同時滿足。

02 第六代移動通信6G關鍵技術介紹

為了實現第六代移動通信新業(yè)務應用和超高要求的性能指標，6G需要在新型的系統(tǒng)架構的基礎之上，采用當代最前沿的科學技術成果與未來可期的新技術，使得6G系統(tǒng)能在更高的目標上實現其強大的功能演進，6G采用的關鍵技術大致可以涵蓋以下多個技術領域。

2.4.1 深度融合內生智能的網絡架構

隨著人工智能技術的飛速發(fā)展，人工智能技術將內生于未來6G移動通信系統(tǒng)的方方面面，不僅限于無線架構、無線數據、無線算法和無線應用等新的智能網絡技術體系，ITU-R在6G標準設計之初就考慮了AI技術的應用。

例如，內生智能的新型空口模塊化的設計，可實現無線資源管理、避免干擾等多維度特性的深度挖掘，從而提升6G無線網絡的可靠性、實時性和安全性，保證6G網絡的自主安全運行。

6G移動通信網絡的智慧內生是圍繞用戶和網絡需求，按需提供通信和網絡服務，從而最終實現網絡隨需而變。6G網絡將同時具備語義識別、分析、理解和推理的能力。使通信網絡從數據驅動向語義驅動轉變，為用戶提供更加高效、節(jié)能、智慧化的通信服務。

6G將借助內生智能網絡，支持具有感知、通信和計算能力的無線基站和終端，實現智能分布式協同服務，提升整個網絡通信能力與算力。

2.4.2 極致MIMO多輸入輸出技術

MIMO多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Out-put），簡稱MIMO技術，其原理是在發(fā)射端和接收端，分別采用多個發(fā)射天線和接收天線，能夠區(qū)分發(fā)往或來自不同空中方位的無線信號，在不增加帶寬與發(fā)射功率的情況下，提高系統(tǒng)的覆蓋范圍、容量和信噪比，從而改善無線信號的傳送質量。提升天線系統(tǒng)容量、覆蓋范圍和信噪比、改善無線信號的傳送質量，滿足6G高速移動場景和全業(yè)務場景的接入需求。

2.4.3 帶內全雙工技術應用

帶內全雙工技術 (In-Band Full Duplex)，簡稱IBFD技術，采用帶內全雙工技術，可以在相同的載波頻率上，同時發(fā)射和接收電磁波信號，實現傳輸資源更加靈活的配置，具有自干擾抑制，功耗低、天線小型化，有效提升系統(tǒng)頻譜的使用效率。

2.4.4 可重構智能超表面技術

可重構智能超表面技術（reconfigurable intelligent surface），簡稱RIS技術，正在被業(yè)界普遍認為是推動5G-Advanced和6G移動網絡演進的最有力的技術之一。

RIS技術的基本原理是通過數字編程來操控超材料的電磁特性，創(chuàng)造一個智能自適應的無線環(huán)境。與傳統(tǒng)材料相比，RIS 可利用電磁超材料特性，精確控制電磁波的寬度、方向和數量，實現信號的精準反射和透射?？蓱糜诟哳l覆蓋增強、克服局部盲點、提升扇區(qū)邊緣傳送速率、綠色通信、高精度定位等場景。

2.4.5 軌道角動量技術應用

軌道角動量（Orbital Angular Momentum,）簡稱OAM技術，可以通過多模態(tài)電磁波渦旋量子復用傳輸，在不依賴時間和頻率等資源的情況下，發(fā)送多個同軸數據流，提供了無線傳輸的新復用技術維度，適用于用戶和基站間的長距離傳輸，從而提升頻譜效率。

2.4.6 智能全息無線電技術

智能全息無線電（Intelligent Holographic Radio），簡稱IHR技術，智能全息無線電技術是利用電磁波的全息干涉原理，實現電磁空間的動態(tài)重構和動態(tài)精密調控，從而大幅度提升頻譜效率和網絡容量?？蓪崿F成像、定位和無線通信的深度融合，實現超高分辨率空間復用，滿足6G超高頻譜、超高流量密度、更低時延和超高容量需求?？梢詾槿f物互聯終端提供精確定位、無線終端遠距離快充等服務，為6G場景化應用提供強有力的技術支撐，是6G標準制定中的關鍵內容之一。

2.4.7 太赫茲頻段通信技術的應用

如何在移動高速通信技術上，進一步地提高無線網絡的傳送速率是現階段全球移動通信領域最為重要的一個研究內容。

太赫茲頻段超高速通信是一種新型的無線傳送方式，與傳統(tǒng)的無線網絡不同的是它工作在太赫茲頻段，太赫茲（縮寫為THz），太赫茲頻段是指介于毫米波和紅外線之間的頻譜范圍，其頻率范圍在0.1THz至10THz之間，頻率一般為300-3000GHz范圍之內。低于太赫茲的頻段稱作毫米波（mmW）是指頻率范圍是30GHz-300GHz的電磁波，毫米波是5G移動通信推薦的頻段。

太赫茲頻率分布圖如下所示

隨著移動通信的演進使用的頻譜也逐步擴大，從5G開始已經擴展到了毫米波頻段，6G則將開始使用太赫茲頻段，但其中中頻段依然是實現廣域覆蓋最經濟的方式。

如何開發(fā)使用太赫茲頻段有望成為 6G移動通信的關鍵技術之一，太赫茲頻段的頻段很寬，大部分頻段未被使用，能夠承載超高速數據的傳送，6G通信充分利用太赫茲頻段，能夠有效緩解有限的頻譜資源，緩解容量限制。

太赫茲頻段將充分發(fā)揮超大帶寬及超高速率的優(yōu)勢，支持6G海量設備的連接以及 Tbit/s 級別超高用戶數據的傳送。因此太赫茲頻段被視為實現6G 通信的重要備選空口技術，太赫茲波以其獨有技術優(yōu)勢，在高速短距離寬帶無線通信方面有廣闊的應用前景。將廣泛應用在全息通信、超大容量數據傳送和短距離超高速數據傳輸的場景中，特別在6G萬物互聯最后100米的終端連接中，太赫茲頻段通信將發(fā)揮重要的支撐作用。

2.4.8 分布式自治與數字孿生網絡

6G將具有超大網絡接入規(guī)模和豐富的網絡體驗功能，支持多樣化場景接入，實現面向廣闊的場景化應用領域。為此，需在原來5G網絡架構的基礎之上，開展包括接入網和核心網在內全新的6G系統(tǒng)架構設計。

6G系統(tǒng)架構將向分布式、去中心化、自治化的網絡機制的方向發(fā)展，實現以用戶需求為中心的網絡控制和管理，采用深度邊緣智能節(jié)點靈活組網技術，支持以任務為中心的智能連接，具備自治、自演進能力的智能內生網絡架構，構建一個更加包容的多模態(tài)信任模型。6G系統(tǒng)架構將大幅度減少系統(tǒng)內部接口，系統(tǒng)架構將扁平化，具有高可靠、高吞吐量區(qū)塊鏈的架構設計，基于數字孿生的設計理念，6G通信架構將向更全面智能控制方向發(fā)展。

數字孿生技術已經被引入了6G關鍵技術的研究對象，數字孿生技術將被應用到6G系統(tǒng)架構設計中，通過對物理網絡的虛擬表示，通過數據、模型和接口，對6G系統(tǒng)架構進行分析、診斷和控制，實現網絡優(yōu)化和智能網絡自治決策，利用數字孿生技術，實現信息交互與反饋控制。提高網絡數據的有效利用和網絡的高效建模，滿足業(yè)務發(fā)展的需求。

2.4.9 全域覆蓋空天地一體網絡架構

國際電聯ITU已經正式將空天地一體網絡架構作為6G的核心技術之一。

6G將全面實現地面移動通信網絡與不同軌道高度上的通信衛(wèi)星及不同高度飛行器雙向融合的移動通信網絡，利用天基、空基全覆蓋網絡實現偏遠地區(qū)、海上和空中靈活組網，構建起一個標準終端互聯、統(tǒng)一空口協議的空天地一體的網絡架構，用戶可以在任何地點、任何時間、以任何方式，實現通信與信息交換的服務。

空天地一體將構建一個統(tǒng)一的共享網絡基礎設施平臺，為不同安全等級的用戶提供差異化的網絡服務和安全保障?？仗斓匾惑w的網絡需要衛(wèi)星通信、移動通信、終端互聯、芯片制造等各種技術融合，技術難度極高，不但有極大地民用市場的需求，可以對地面蜂窩移動基礎設施覆蓋范圍進行有效補充，而且具有較高的軍事價值。

2.4.10 通信感知一體化技術應用

感知是人們與物理世界交互信息的重要過程，6G通信感知一體化技術廣義上是指：6G網絡應該具有感知一切服務對象與終端狀態(tài)的能力，狹義的感知是指6G移動通信網絡具備對目標準確識別、定位、測速、測距的能力。

國際電聯在2023年11月發(fā)布的“2030年及以后IMT未來發(fā)展的框架和總體目標”（ITU-R M.2160-0）中指出：“傳感和通信的集成，有望成為未來通信廣泛用例的關鍵推動因素。此外，感知物理環(huán)境和適當的人工智能可以進一步增強態(tài)勢感知”。

通信感知一體化技術被認為是未來6G移動通信關鍵技術之一，該網絡應當具備空間感知、智能通信與泛在計算能力的網絡。該網絡內通、感、算三位一體的軟硬件資源協同共享，實現多維感知、協作通信。

通信感知一體化是構建物聯網發(fā)展的重要組成部分，它能夠為多個行業(yè)應用提供準確可靠的數據傳送和連接，推動工業(yè)互聯網技術的進一步發(fā)展和應用。

通信感知一體化技術涉及多種先進技術的融合，其中包括依賴先進的傳感器、先進的無線電通信、太赫茲、空天地一體化、高速數據傳送、高速數據處理、內生AI、元宇宙、網絡安全保障等新技術，賦予6G系統(tǒng)超強的感知能力。

未來6G網絡將通過通信感知一體化技術，實現對目標的準確識別檢測、定位分析、成像處理等感知功能，通過6G感知功能獲取物聯網信息、環(huán)境信息，利用先進的模型與算法、邊緣計算和AI處理能力，生成超高分辨率的圖像，精確分配通信資源，挖掘潛在數據能力，增強用戶體驗。并助力完成實體數字虛擬化，催生出6G 場景化應用更廣闊的前景。

也可以通過6G的通信感知一體化技術，實現設備與人之間的協同運作，例如無接觸手勢操控、人身肢體動作識別等，能精確感知物體與監(jiān)控對象的運動狀態(tài)，實現6G在場景化應用中提供高度精確的實時感知能力。

2.4.11 多模態(tài)技術提升網絡安全

通信網絡是一個國家重要的基礎設施之一，6G網絡將在國民經濟與國防建設中發(fā)揮重要的作用，其網絡的的安全性至關重要。

國際電聯在研究6G標準化的過程中，各國對未來6G的網絡安全提出了更高的要求，專家們對未來6G 網絡應該具備更加穩(wěn)定可靠的通信安全架構、采用多模態(tài)自適應的安全策略、智能可控的網絡安全決策、靈活的網絡安全擴展和安全開放協議，提出了明確的技術要求。

未來6G網絡將會向云端化和邊緣化的方向發(fā)展，6G網絡將為移動通信網、衛(wèi)星互聯網、物聯網、智慧城市、車聯網等海量終端提供統(tǒng)一接入服務，形成廣泛的跨系統(tǒng)、跨生態(tài)圈、高速接入的服務模式，這時6G網絡安全體系將顯得尤為重要，需要采用多種先進的技術手段予以保證。

例如安全憑證、抗量子攻擊的非對稱密碼算法、網絡安全內生主動免疫，基于可信任的網絡安全技術等，為6G網絡基礎設施提供軟硬件的主動免疫、彈性自治、虛實共生、泛在協同的安全防御功能。并能根據行業(yè)與用戶差異化的安全需求，實現安全能力的彈性部署，提升網絡韌性和網絡安全。通過端、邊、網、云四位一體的智能協同，準確感知整個網絡的安全態(tài)勢，讓6G網絡始終處于安全可控的運行狀態(tài)。通過人工智能AI助力網絡安全，降低網絡安全運營成本，構建起可測量、可演進的強大內生安全防護體系。

基于大數據分析技術和深度學習算法模型，構建一個更加包容的多模態(tài)信任模型，能檢測和識別未知惡意軟件，自動追溯網絡攻擊源，實現網絡安全邊界自定義、跨域交叉認證、風險隔離、安全策略最優(yōu)化，提升整個6G網絡的安全能力。

總體而言，全球范圍內6G 的研究仍處于起步階段，整體技術路線尚不明確，系統(tǒng)架構與性能指標都有待于后續(xù)研究的推進。

目前主要在6G愿景目標、應用場景、基本指標、潛在關鍵技術等方面的研究取得了一定進展，其中部分6G關鍵技術的研究成果，將在后續(xù)的5G-Advanced相關版本中得到應用和驗證，并為6G的標準化制定和應用積累成功經驗。

主要參考文獻：

[1] ITU-R."Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2030 and beyond". June 2023.

[2] ITU-R，Overview timeline for IMT towards the year 2030 andbeyond".2022.

[3] 作者錢鴻生、編輯唐曉園.《華為之外，1998-2023芯片背后的持久戰(zhàn)》[J].上海.《星船知造》.2022年9月12日.

[4] 科技部網站.《我國正式啟動第六代移動通信技術研發(fā)工作》.2019年11月7日.

[5] 中國IMT-2030（6）推進組官網.

[6] 中國電信研究院.《6G愿景與技術白皮書》.2022年12月.

[7] 中國移動集團公司.《中國移動6G網絡架構技術白皮書》.2022年12月.

[8] 中國移動集團公司.《2023年中國價值驅動6G發(fā)展白皮書》.2023年7月。

[9] 鄧彬、李韜 、湯斌等著《基于太赫茲雷達的聲致海面微動信號檢測》[J].雷達學報.2023年8月.第 1 2 卷 第 4 期.

[10] 國務院《十四五數字經濟發(fā)展規(guī)劃的通知》（國發(fā)〔2021〕29號）.2021年12月12日.

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本文節(jié)選、編輯自星船知造白皮書《第六代移動通信6G關鍵技術與發(fā)展前景的研究》。白皮書全文共3.1萬字，由錢鴻生博士撰寫。下篇發(fā)布后我們將同步發(fā)布完整版白皮書。敬請期待