作者: 趙亞軍，郁光輝，徐漢青

單位: 中興通訊無線研究院

摘要

隨著5G網(wǎng)絡(luò)開啟規(guī)模商業(yè)部署，越來越多的研究機(jī)構(gòu)及相關(guān)人員開始對下一代移動通信系統(tǒng)進(jìn)行研究。文章將探討十年后（2030年～）的6G概念。該文首先用四個關(guān)鍵詞概括未來6G愿景：“智慧連接”、“深度連接” 、“全息連接”和“泛在連接”，這四個關(guān)鍵詞共同構(gòu)成“一念天地，萬物隨心”的6G總體愿景。接著分析了實現(xiàn)6G愿景面臨的技術(shù)需求與挑戰(zhàn)，包括峰值吞吐量、更高能效、隨時隨地的連接、全新理論與技術(shù)以及一些非技術(shù)挑戰(zhàn)。然后分類給出了6G潛在關(guān)鍵技術(shù)：新頻譜通信技術(shù)，包括太赫茲通信和可見光通信；基礎(chǔ)性技術(shù)，包括稀疏理論（壓縮感知）、全新信道編碼、大規(guī)模天線及靈活頻譜使用；專有技術(shù)特性，包括空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)和無線觸覺網(wǎng)絡(luò)。文章通過探討6G愿景、需求與挑戰(zhàn)以及潛在關(guān)鍵技術(shù)，嘗試勾勒出6G的整體框架，以期為后續(xù)展開6G研究提供方向性指引。

中國科學(xué): 信息科學(xué), 2019, doi: 10.1360/N112019-00033

1、引言

隨著5G第一個標(biāo)準(zhǔn)版本完成，2019年將會有5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備小規(guī)模試商用，首批符合5G標(biāo)準(zhǔn)的終端亦將上市。可以預(yù)期，擁有三大技術(shù)特性（enhanced Mobile BroadBand，eMBB；massive Machine-Type-Communications，mMTC；ultra-Reliable Low-Latency Communications，uRLLC）的5G無線移動通信系統(tǒng)將支撐未來十年（2020～2030年）信息社會的無線通信需求，成為有史以來最龐大復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)，并將在多方面深刻影響社會發(fā)展及人類生活：與水和電一樣，移動通信也將成為人類社會的基本需求；成為推動社會經(jīng)濟(jì)、文化和日常生活在內(nèi)的社會結(jié)構(gòu)變革的驅(qū)動力；將會極大地擴(kuò)展人類的活動范圍。

當(dāng)然，上述5G愿景還需要通信領(lǐng)域的技術(shù)人員與其它相關(guān)行業(yè)人員一起努力，經(jīng)過一定的時間逐步實現(xiàn)，包括標(biāo)準(zhǔn)不斷完善、工程化逐步落地及商業(yè)應(yīng)用模式突破等。這里從標(biāo)準(zhǔn)化角度觀察5G標(biāo)準(zhǔn)不斷成熟完善的過程。

當(dāng)前處于5G標(biāo)準(zhǔn)化的第一階段，即5G基礎(chǔ)功能標(biāo)準(zhǔn)化階段。此階段主要針對eMBB技術(shù)特性優(yōu)化，同時兼顧uRLLC和mMTC兩種特性的基礎(chǔ)需求，包括5G NR Rel-15和Rel-16兩個標(biāo)準(zhǔn)版本。5G第一個基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化版本（5G NR Rel-15）已基本完成，包括分階段發(fā)布的三個子版本：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP 于2018年3月發(fā)布了第一個5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn), 支持非獨立組網(wǎng)（Non-Standalone,NSA）與eMBB功能[1]；2018年9月，3GPP批準(zhǔn)了5G獨立組網(wǎng)(Standalone, SA)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)^[2]，5G自此進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)全面沖刺的新階段；2018年12月3GPP 于RAN#82全會上宣布，最后一個子版本（5G NR Rel-15 late drop）于2019年3月發(fā)布，支持NR-NR DC（Dual Connectivity）特性^[3]。而5G第二個標(biāo)準(zhǔn)版本（Rel-16），其所有技術(shù)特性已通過標(biāo)準(zhǔn)立項，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作正在如火如荼的進(jìn)行中，并將于2019年12月完成并正式發(fā)布。

5G標(biāo)準(zhǔn)化的下一階段（可稱為“5G+”）將從2020年開始，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)版本為5G NR Rel-17及后續(xù)版本，標(biāo)準(zhǔn)化重點包括兩方面^[4]：優(yōu)化uRLLC和mMTC兩種物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）特性，以更好支持垂直行業(yè)的應(yīng)用（例如，工業(yè)無線互聯(lián)網(wǎng)、高鐵無線通信等）；設(shè)計支持52.6GHz～114.25GHz毫米波頻段的空口特性。預(yù)期5G標(biāo)準(zhǔn)化的第二階段將會吸引更多垂直行業(yè)領(lǐng)域成員參與標(biāo)準(zhǔn)制定，從而5G標(biāo)準(zhǔn)可以更好地針對垂直行業(yè)需求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化。

盡管5G尚處于規(guī)模商用起步階段，相關(guān)技術(shù)特性還需要繼續(xù)增強完善，物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用場景的業(yè)務(wù)模式也需要繼續(xù)探索，但我們也有必要同步前瞻未來信息社會的通信需求，啟動下一代移動通信系統(tǒng)概念與技術(shù)研究。這里我們嘗試從三方面分析即刻啟動下一代移動通信系統(tǒng)（為簡化表達(dá)，下文將統(tǒng)一用6G標(biāo)識）概念與技術(shù)研究的必然性。

（1）十年周期法則。“自1982年引進(jìn)第一個代（1G）移動通信系統(tǒng)以來，大約每十年更新一代無線移動通信系統(tǒng)”^[5]，而且任何一代從開始概念研究到商業(yè)應(yīng)用都需要十年左右的時間，也即，當(dāng)上一代進(jìn)入商用期，下一代開始概念和技術(shù)研究。5G研究始于十年前，現(xiàn)在啟動6G研究符合移動通信系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律。

（2）“鯰魚效應(yīng)”。不同于前幾代移動通信系統(tǒng)，5G主要針對物聯(lián)網(wǎng)/垂直行業(yè)應(yīng)用場景。隨著5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署，尤其是5G中后期，必將會有眾多垂直行業(yè)成員深度參與5G生態(tài)。與傳統(tǒng)運營商主導(dǎo)的現(xiàn)狀相比，未來新興企業(yè)（尤其是天生具有創(chuàng)新思維的互聯(lián)網(wǎng)公司）的深入?yún)⑴c將會對傳統(tǒng)通信產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大沖擊，甚至是革命性影響，即所謂“鯰魚效應(yīng)”。

（3）IoT業(yè)務(wù)模式爆發(fā)潛力。如同當(dāng)年智能手機(jī)的出現(xiàn)刺激了3G應(yīng)用并觸發(fā)4G規(guī)模部署需求，相信IoT業(yè)務(wù)某些模式亦將會在5G時代某時間點刺激5G產(chǎn)業(yè)爆發(fā)，進(jìn)而刺激對未來6G網(wǎng)絡(luò)的需求。我們需要有足夠的想象力，并需要為可能到來的未來網(wǎng)絡(luò)提前著手準(zhǔn)備，打好技術(shù)基礎(chǔ)。

綜上分析，我們可以得出結(jié)論——現(xiàn)在是開啟下一代無線移動通信系統(tǒng)（6G）研究的合適時機(jī)。

近期，越來越多的機(jī)構(gòu)或個人開始涉及B5G或6G概念，包括學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、政府甚至公眾^[6-9]。根據(jù)谷歌搜索引擎的統(tǒng)計，“6g technologies”是當(dāng)今搜索量最大的17個關(guān)鍵詞之一^[10]。在2018美國移動世界大會上，美國聯(lián)邦通訊委員會的一位官員在公開場合展望6G^[9]。不只美國，中國也已啟動6G相關(guān)工作。2018年3月工業(yè)和信息化部部長苗圩在接受媒體采訪時表示，中國已著手研究6G^[11]。據(jù)悉，除中美兩國外，歐盟、俄羅斯等也正在緊鑼密鼓地開展相關(guān)工作。由此可以看出，業(yè)界對現(xiàn)在啟動6G相關(guān)研究有一定的共識。

本文主要探討十年后（2030年～）的通信需求和技術(shù)，即針對下一代無線移動通信系統(tǒng)（6G），其相對5G屬于革命性（Revolution）系統(tǒng)。當(dāng)然，不排除本文涉及的部分技術(shù)特性提前成熟或部分業(yè)務(wù)場景提前應(yīng)用的可能，則本文把該部分歸屬5G演進(jìn)特性（Evolution），即可以歸屬所謂B5G（Beyond 5G）。可以預(yù)期，當(dāng)前5G大部分特性將會在6G系統(tǒng)中繼續(xù)保留并增強，但這些5G技術(shù)增強部分不屬于本文討論范疇。本文將側(cè)重探討6G系統(tǒng)中可能引入的革命性關(guān)鍵技術(shù)。

本文將分別從需求驅(qū)動和技術(shù)驅(qū)動兩個維度進(jìn)行分析討論，重點探討6G愿景、需求與挑戰(zhàn)、潛在候選技術(shù)，嘗試勾勒出6G的整體框架，以期為后續(xù)展開6G研究提供方向性指引。

2、6G愿景與挑戰(zhàn)

5G啟動初期，確立的5G愿景為“信息隨心至，萬物觸手及”^[12]。基于此愿景，確定了5G技術(shù)指標(biāo)需求，并進(jìn)一步提出了候選關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)歷了概念確定、技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)品開發(fā)過程，5G系統(tǒng)即將投入規(guī)模商用，5G愿景也將隨著標(biāo)準(zhǔn)的完善及產(chǎn)業(yè)的成熟而逐步實現(xiàn)。現(xiàn)在要開啟6G前瞻性研究，也有必要首先確立6G愿景及相應(yīng)的技術(shù)需求與挑戰(zhàn)，以牽引后續(xù)6G相關(guān)研究。5G已經(jīng)如此激動人心，并將全面地賦能社會，未來我們還能做什么？

本節(jié)將首先給出對未來6G愿景的暢想，并淺析所述愿景的必然性，然后進(jìn)一步闡述實現(xiàn)6G愿景所面臨的技術(shù)需求與挑戰(zhàn)。

2.1 6G愿景(6G Vision)

當(dāng)前5G的目標(biāo)是滲透到社會的各個領(lǐng)域，以用戶為中心構(gòu)建全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)。但受限標(biāo)準(zhǔn)化時間及相關(guān)技術(shù)發(fā)展的成熟度，在信息交互的空間深度和廣度上還有很多不足：當(dāng)前通信對象集中在陸地地表數(shù)千米高度的有限空間范圍內(nèi)；雖然考慮了物聯(lián)需求，但距離真正無所不在的萬物互聯(lián)還有距離。尤其是隨著人類活動范圍的快速擴(kuò)張，眾多技術(shù)領(lǐng)域的快速進(jìn)步，對更加廣泛多樣的信息交互提出了更高的需求。

6G目標(biāo)是滿足十年后（2030年～）的信息社會需求，因此6G愿景應(yīng)該是現(xiàn)有5G不能滿足而需要進(jìn)一步提升的需求。基于5G可以滿足的需求，并結(jié)合其它相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，我們認(rèn)為6G愿景可以概括為四個關(guān)鍵詞：“智慧連接”、“深度連接”、“全息連接”、“泛在連接”，而這四個關(guān)鍵詞共同構(gòu)成“一念天地，萬物隨心”的6G總體愿景。

5G愿景“信息隨心至，萬物觸手及”，強調(diào)信息交互、萬物可連接，而且連接對象集中在陸地10km高度的有限空間范圍內(nèi)。5G雖然在Rel-16版本開始研究并標(biāo)準(zhǔn)化非陸地通信網(wǎng)絡(luò)（non-terrestrial networks，NTN)）技術(shù)特性^[13]，但NTN架構(gòu)涉及的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)體系依然是彼此獨立，需要通過專門的網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接交互，其通信能力和效率很難滿足十年后的“泛在連接”需求。為滿足未來“泛在連接”需求，6G需要引入下文所述的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將是一個有機(jī)整體，也即需要統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議架構(gòu)和技術(shù)體系，真正實現(xiàn)空天地海一體化的“泛在連接”。另外，5G海量連接特性（mMTC）強調(diào)連接數(shù)量，而不要求實時性；超可靠低時延特性（uRLLC）強調(diào)可靠性與實時性，但對連接數(shù)量和吞吐量沒有需求，是以降低頻譜效率和連接數(shù)量為代價實現(xiàn)的。而6G的“萬物隨心”愿景則同時需要海量連接、可靠性、實時性和吞吐量需求，這些對通信網(wǎng)絡(luò)是全新的巨大挑戰(zhàn)，其對應(yīng)的典型場景為下文所述的無線觸覺網(wǎng)絡(luò)。因此，雖然6G愿景涵蓋的基本概念中部分在5G已有涉及，但6G愿景提出了更高的目標(biāo)，以滿足未來全新的場景需求。

概括來說，6G總體愿景是基于5G愿景的進(jìn)一步擴(kuò)展：“一念天地”中的“一念”一詞強調(diào)實時性，指無處不在的低時延、大帶寬的連接，“念”還體現(xiàn)了思維與思維通信的“深度連接”，“天地”對應(yīng)空天地海無處不在的“泛在連接”；“萬物隨心”所指的萬物為智能對象，能夠“隨心”所想而智能響應(yīng)，即“智慧連接”；呈現(xiàn)方式也將支持“隨心”無處不在的沉浸式全息交互體驗，即“全息連接”。

圖1、6G愿景

·智慧連接（Intelligent connectivity）

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是當(dāng)前最熱門的話題之一，幾乎各個領(lǐng)域都在探索利用AI技術(shù)。無線移動通信網(wǎng)絡(luò)與AI結(jié)合，讓AI更好的賦能網(wǎng)絡(luò)也成為必然趨勢^[14-30]。目前人們已經(jīng)開始嘗試在5G系統(tǒng)中使用AI技術(shù)^[31-32]，但當(dāng)前5G與AI的結(jié)合只能算是利用AI對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造，而不是真正以AI為基礎(chǔ)的全新智能通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。首先，AI技術(shù)應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)的時機(jī)相對較晚，最近幾年才真正展開研究并嘗試把AI技術(shù)應(yīng)用在5G網(wǎng)絡(luò)，而5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本身早已定型。盡管5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計初期考慮了足夠的靈活性（即所謂軟件可定義），但畢竟沒有考慮AI技術(shù)特點，依然算是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。其次，盡管AI技術(shù)發(fā)展很快，也已在一些領(lǐng)域展現(xiàn)了其強大的能力，但在更多領(lǐng)域依然處于探索階段，AI與無線通信技術(shù)結(jié)合研究更是剛起步不久，距離真正技術(shù)成熟還需要一個較長期的研究過程。

不過AI發(fā)展的趨勢讓我們看到了未來十年其技術(shù)成熟的可能性。同時，考慮到未來6G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將會越來越龐大異構(gòu)，業(yè)務(wù)類型和應(yīng)用場景也越來越繁雜多變，充分利用AI技術(shù)來解決這種復(fù)雜的需求幾乎是必然的選擇。預(yù)期未來6G將會突破傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用范疇, 演變成為支撐全社會、全領(lǐng)域/行業(yè)運行的基礎(chǔ)性互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。若未來網(wǎng)絡(luò)依然以現(xiàn)有統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)框架來支撐6G時代極度差異化的繁雜應(yīng)用，將會面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。AI技術(shù)的新一輪復(fù)興及迅猛發(fā)展, 為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)并超越傳統(tǒng)移動通信設(shè)計理念與性能提供了潛在的可能性，并將充分賦能未來6G網(wǎng)絡(luò)^[21]。因此，我們認(rèn)為基于AI技術(shù)構(gòu)建6G網(wǎng)絡(luò)將是必然的選擇，“智慧”將是6G網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在特征，即所謂“智慧連接”。

“智慧連接”特征可以表現(xiàn)為通信系統(tǒng)內(nèi)在的全智能化：網(wǎng)元與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的智能化、連接對象的智能化（終端設(shè)備智能化）、承載的信息支撐智能化業(yè)務(wù)。未來6G網(wǎng)絡(luò)將會面臨諸多挑戰(zhàn)：更復(fù)雜、更龐大的網(wǎng)絡(luò)，更多類型的終端及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，更加復(fù)雜多樣的業(yè)務(wù)類型。“智慧連接”將同時滿足兩方面的需求：一方面，所有相關(guān)連接在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備本身智能化，相關(guān)業(yè)務(wù)也已智能化；另一方面，復(fù)雜龐大的網(wǎng)絡(luò)本身也需要智能化方式管理。“智慧連接”將是支撐6G網(wǎng)絡(luò)其它三大特性“深度連接”、“全息連接”和“泛在連接”的基礎(chǔ)特性。

· 深度連接（Deep connectivity）

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)（也包括即將規(guī)模部署的5G網(wǎng)絡(luò)）已有深度覆蓋的概念，主要是優(yōu)化室內(nèi)接入需求的深度覆蓋。為實現(xiàn)室內(nèi)深度覆蓋，工程中一般采用室外宏基站覆蓋室內(nèi)，或者室內(nèi)部署無線節(jié)點。4G及之前幾代的蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是針對以人為中心的通信需求，深度覆蓋針對人員活動的典型室內(nèi)場景進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過多代無線通信系統(tǒng)的技術(shù)演進(jìn)及工程經(jīng)驗積累，對人員活動場所的典型室內(nèi)場景覆蓋優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)非常成熟。5G開始，通信對象從以人為中心的通信擴(kuò)展為同時包括物聯(lián)通信，即所謂萬物互聯(lián)。因此，5G及未來無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及其部署需要同時兼顧人和物的深度覆蓋需求，尤其是物聯(lián)場景的深度覆蓋。

人類生產(chǎn)和生活空間不斷擴(kuò)大，信息交互需求的類型和場景越來越復(fù)雜。以5G為開端的萬物互聯(lián)將會促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)通信需求快速提升，并很可能在未來幾年內(nèi)爆發(fā)。相對人員的通信需求，物聯(lián)網(wǎng)信息交互無論是空間范圍還是信息交互類型，都將會極大的擴(kuò)展。可以預(yù)期，未來物聯(lián)需求將會從幾方面快速發(fā)展：

（1）連接對象活動空間的深度擴(kuò)展。

（2）更深入的感知交互。未來的通信設(shè)備及其連接對象將大部分智能化，從而需要更深度的感知、更實時的反饋與響應(yīng)，如同延伸的人類軀干和四肢。

（3）物理網(wǎng)絡(luò)世界的深度數(shù)據(jù)挖掘。AI深度學(xué)習(xí)將會對未來通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)深度挖掘與利用，同時還包括為支持深度學(xué)習(xí)而強化的大數(shù)據(jù)通信需求。

（4）深入神經(jīng)的交互。人機(jī)接口（Brain Computer Interface，BCI）等技術(shù)的成熟，思維與思維的直接交互將成為可能，一定程度的“心靈感應(yīng)”將可能變?yōu)楝F(xiàn)實^[10][34]。

因此，我們預(yù)期十年后（2030年～）的6G系統(tǒng)，接入需求將從深度覆蓋演變?yōu)?ldquo;深度連接（Deep connectivity）”，其特征可以概括為如下幾點：

○ 深度感知（Deep Sensing）：觸覺網(wǎng)絡(luò)（Tactile Internet）；
○ 深度學(xué)習(xí)（Deep Learning /AI）：深度數(shù)據(jù)挖掘；
○ 深度思維（Deep Mind）：心靈感應(yīng)(Telepathy)、思維與思維的直接交互（Mind-to-Mind Communication）。

· 全息連接（Holographic connectivity）

AR/VR（Virtual and Augmented Reality）被認(rèn)為是5G最重要的需求之一，尤其是對5G高吞吐量需求的典型應(yīng)用之一，5G將能夠支持把當(dāng)前有線或固定無線接入的AR/VR變?yōu)楦鼜V泛場景的無線移動AR/VR。一旦AR/VR可以更簡單方便且不受位置限制的移動使用，將會促進(jìn)AR/VR業(yè)務(wù)快速發(fā)展，進(jìn)而刺激AR/VR技術(shù)與設(shè)備本身的快速發(fā)展與成熟。可以預(yù)期，十年后（2030年～），媒體交互形式將可能以現(xiàn)在平面多媒體為主，發(fā)展為高保真AR/VR交互為主，甚至全息信息交互，進(jìn)而無線全息通信將成為現(xiàn)實。高保真AR/VR將普遍存在，全息通信及顯示也可隨時隨地的進(jìn)行，從而人們可以在任何時間和地點享受完全沉浸式全息交互體驗，即實現(xiàn)所謂“全息連接”的通信愿景。當(dāng)然，若想基于無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全息通信、高保真AR/VR將會面臨諸多挑戰(zhàn)^[35]，一系列文獻(xiàn)已經(jīng)在研究采用AI技術(shù)來解決相關(guān)問題^[36-38]，即需要“智慧連接”的支撐。

“全息連接”特征可以概括為：全息通信、高保真AR/VR、隨時隨地?zé)o縫覆蓋的AR/VR。

· 泛在連接（Ubiquitous connectivity）

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)也有隨時隨地的無線接入需求。不過如前所述，5G系統(tǒng)開始，相對人員的通信需求，物聯(lián)網(wǎng)信息交互無論是空間范圍還是信息交互類型都將會極大的擴(kuò)展。物聯(lián)設(shè)備的活動范圍將會極大擴(kuò)展通信接入的地理空間，包括布置于深地、深海或深空的無人探測器，中高空有人/無人飛行器，深入惡劣環(huán)境的自主機(jī)器人、遠(yuǎn)程遙控的智能機(jī)器設(shè)備等。另外，隨著宇航、深海探測等領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，在一些極端自然環(huán)境下的生存能力提升，人類自身的活動空間也在快速擴(kuò)展。例如，2030～2040年，也許會有更多人有機(jī)會進(jìn)入外太空，則衛(wèi)星與地面、衛(wèi)星之間及與航天器之間的通信需求將會更普遍，而不是現(xiàn)在僅僅局限于少數(shù)專業(yè)的科學(xué)探索領(lǐng)域的特殊通信需求；人類在地面的活動蹤跡也會更多的出現(xiàn)在極地、沙漠腹地等；遠(yuǎn)洋的活動、更多無人島嶼進(jìn)駐人類。上述通信場景構(gòu)成十年后（2030年～）更為廣泛的“隨時隨地”連接需求，即實現(xiàn)真正的“泛在連接（Ubiquitous connectivity）”，“廣闊”的世界也將變得越來越觸手可及。

“泛在連接”特征可以概括為：全地形、全空間立體覆蓋連接，即“空-天-地-海”隨時隨地的連接，或稱為空天地海一體化通信。對比“深度連接”和“泛在連接”，前者側(cè)重連接對象的深度，后者強調(diào)地理區(qū)域的廣度。

總結(jié)上述四大未來6G愿景，“智慧連接”是未來6G網(wǎng)絡(luò)的大腦和神經(jīng)，“深度連接”、“全息連接”和“泛在連接”三者構(gòu)成6G網(wǎng)絡(luò)的軀干，從而這四個特性共同使得未來6G網(wǎng)絡(luò)成為完整的擁有“靈魂”的有機(jī)整體。未來通信系統(tǒng)將會在現(xiàn)有5G的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展增強，真正實現(xiàn)信息突破時空限制、網(wǎng)絡(luò)拉近萬物距離，實現(xiàn)無縫融合的人與萬物智慧互聯(lián)，并最終達(dá)到“一念天地，萬物隨心”的6G總體愿景。

2.2 需求與挑戰(zhàn)（Requirements and Challenges）

2.1節(jié)對未來6G網(wǎng)絡(luò)做了暢想，其美好愿景讓人無限期待。但若想實現(xiàn)這些美好的愿景，我們將不得不面臨諸多技術(shù)需求與挑戰(zhàn)。毫無疑問，5G已有的幾項基本技術(shù)指標(biāo)還會在現(xiàn)有需求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升，包括更高的吞吐量、更低的時延、更高的可靠性和更海量的連接數(shù)等。不過本文將重點討論幾項6G特有的關(guān)鍵技術(shù)需求與挑戰(zhàn)。本節(jié)將會首先羅列這幾項6G關(guān)鍵的技術(shù)需求與挑戰(zhàn)，然后再對它們進(jìn)行詳細(xì)討論和分析。為實現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)的愿景，滿足未來通信需求，如下幾項關(guān)鍵技術(shù)需求與挑戰(zhàn)需要被考慮。

圖2、6G需求與挑戰(zhàn)

· 峰值速率：太比特時代（Terabit Era, Tb/s）

提及無線移動通信系統(tǒng)，人們首先要考慮的需求指標(biāo)是峰值速率，峰值速率是從第一代無線移動通信系統(tǒng)開始就一直追求的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。毫無疑問，6G也必將進(jìn)一步提升峰值速率。從無線通信系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律和6G愿景兩個角度分析可知，6G峰值速率可能進(jìn)入太比特時代（Terabit Era，Tb/s）。

首先，我們基于1～5G移動通信系統(tǒng)峰值速率提升的統(tǒng)計規(guī)律定量預(yù)測十年后（2030年～）的峰值速率需求。基于文獻(xiàn)[44]的分析可知，1～5G移動通信系統(tǒng)峰值速率的增長服從指數(shù)分布（按照各代系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的時間點計算）。基于峰值速率對應(yīng)文中表一第二列所示（1～5G移動通信系統(tǒng)的峰值速率）預(yù)測未來十年的發(fā)展趨勢，可知2030年可能達(dá)到Tb/s峰值速率。其次，從6G愿景定性分析可知，至少有兩方面的應(yīng)用需要6G峰值速率大幅度提升：

（1）智能化（大數(shù)據(jù)）的普遍應(yīng)用，需要海量的數(shù)據(jù)傳輸需求，基于大數(shù)據(jù)的智能化應(yīng)用可能是觸發(fā)下一代移動通信系統(tǒng)發(fā)展的重要驅(qū)動力之一；

（2）高保真的AR/VR和全息通信將成為6G必然支持的應(yīng)用，其所需的數(shù)據(jù)速率將遠(yuǎn)超我們目前已知的其他無線應(yīng)用。

進(jìn)一步，為達(dá)到高保真沉浸式AR/VR，不僅需要Tb/s的峰值速率，還需要較低的交互時延，也即需要高吞吐率與低時延同時保證。另外，隨時隨地AR/VR意味著任何時間任何地點都希望可以滿足高速率需求，也即不僅要求峰值速率，對網(wǎng)絡(luò)平均速率和覆蓋也有極高的要求。

總結(jié)上述分析可知，6G網(wǎng)絡(luò)將需要高達(dá)Tb/s級別的峰值速率。另外，不同于以往僅要求局部覆蓋區(qū)域（例如熱點區(qū)域）的峰值速率需求，6G網(wǎng)絡(luò)還將要求能夠隨時隨地的享受高速率、低時延的連接需求，這些將是6G網(wǎng)絡(luò)需要面對的巨大挑戰(zhàn)。

· 更高能效（Higher Energy Efficiency）

超大規(guī)模的移動通信網(wǎng)絡(luò)已成為世界能源消耗的不可忽視的一部分。它不僅產(chǎn)生巨大的碳排放，而且占據(jù)了相當(dāng)一部分的運營成本。未來6G網(wǎng)絡(luò)擁有超高吞吐量、超大帶寬、超海量無處不在的無線節(jié)點，這些將對能耗帶來前所未有的巨大挑戰(zhàn)。頻譜效率提升和頻譜帶寬增大，吞吐量可以有巨大的提升，但隨之而來的能效問題將會更加嚴(yán)重，需要盡可能降低每比特的能量消耗（J/bit）。無所不在、密集充滿人類生產(chǎn)生活空間的感知網(wǎng)絡(luò)傳感器，將帶來兩方面的能耗問題：首先，龐大的數(shù)量帶來高昂的總能耗；其次，如何方便有效地對無處不在的部署進(jìn)行供能也是挑戰(zhàn)。另外，“智慧連接”中海量數(shù)據(jù)處理功耗、超大規(guī)模天線的處理功耗等場景，也是未來6G網(wǎng)絡(luò)需要面臨的功耗挑戰(zhàn)。面對未來6G網(wǎng)絡(luò)巨大的能源消費壓力，綠色節(jié)能通信顯得尤為重要和迫切^[45]。

· 隨時隨地的連接（Connection Everywhere and Anytime）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類活動空間將進(jìn)一步擴(kuò)大，活動區(qū)域更普遍的到達(dá)高空、外太空、遠(yuǎn)洋、深海；通信節(jié)點，尤其是物聯(lián)節(jié)點相對人員將遍布更廣闊的區(qū)域。通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)和人類的社會活動密不可分，未來需要構(gòu)建一張無所不在（覆蓋空天地海）、無所不連（萬物互聯(lián)）、無所不知（借助各類傳感器）、無所不用（基于大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)）的網(wǎng)絡(luò)，真正實現(xiàn)隨時隨地的連接及交互需求。未來通信網(wǎng)絡(luò)的通信目標(biāo)應(yīng)為：任何人（Anyone）在任何時間（Anytime）任何地點（Anywhere）可與任何人（Anyone）進(jìn)行任何業(yè)務(wù)（Anyservice）通信或與任何相關(guān)物體（Related Objects）進(jìn)行相關(guān)信息（Related Information）交互^[46]。

· 全新理論與技術(shù)（New Theories and Technologies）

為實現(xiàn)6G極具挑戰(zhàn)性的愿景，需要新增更多可用頻譜資源，同時也需要在一些基礎(chǔ)性的理論與技術(shù)上有所突破。基于對6G愿景的需求分析，我們認(rèn)為需要在幾個關(guān)鍵方面取得突破，包括全新信號采樣機(jī)制、全新信道編碼與調(diào)制機(jī)制、太赫茲通信的理論與技術(shù)、AI與無線通信結(jié)合的技術(shù)等。

· 自聚合通信架構(gòu)（Self-Aggregating Communications Fabric）

幾乎每一代3GPP標(biāo)準(zhǔn)都號稱可以融合多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但最終結(jié)果依然還是一個自我封閉的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。盡管3GPP標(biāo)準(zhǔn)希望包打天下，但在萬物互聯(lián)逐漸實現(xiàn)的過程中，我們將不得不面臨與其它復(fù)雜多樣的垂直行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)融合的問題。為更好支持萬物互聯(lián)及垂直行業(yè)應(yīng)用，6G應(yīng)該真正可以動態(tài)的融合多種技術(shù)體系，具備對不同類型網(wǎng)絡(luò)（技術(shù)）智能動態(tài)地自聚合能力。雖然5G能夠一定程度地適應(yīng)不同類型的網(wǎng)絡(luò)（技術(shù)），但還是只能靜態(tài)或半靜態(tài)組合方式。6G將需要實現(xiàn)以更加智能靈活的方式聚合不同類型的網(wǎng)絡(luò)（技術(shù)），以動態(tài)自適應(yīng)地滿足復(fù)雜多樣的場景及業(yè)務(wù)需求。

· 非技術(shù)性因素的挑戰(zhàn)（Nontechnical Challenges）

未來6G若想順利落地實現(xiàn)，不僅要面臨上述技術(shù)性問題的挑戰(zhàn)，也將不得不需要盡力克服諸多非技術(shù)因素的挑戰(zhàn)，主要涉及行業(yè)壁壘、消費者習(xí)慣及政策法規(guī)問題等。

相對5G，6G將會更加全面地滲透到社會生產(chǎn)、生活的各個方面，與其它垂直行業(yè)領(lǐng)域的結(jié)合也將更加緊密。這意味著移動通信不再局限于自己的領(lǐng)域，需要和其它垂直行業(yè)/領(lǐng)域緊密配合。但是，一些傳統(tǒng)行業(yè)固有的行為方式或利益關(guān)系將會對移動通信的進(jìn)入直接或間接地設(shè)置行業(yè)壁壘。

頻譜分配與使用規(guī)則是另一個非技術(shù)限制因素。例如6G太赫茲頻段的使用，一方面需要全球不同國家和地區(qū)協(xié)調(diào)分配，盡可能分配統(tǒng)一的頻段范圍，同時還需要考慮與該頻譜的其它領(lǐng)域使用者協(xié)調(diào)，例如氣象雷達(dá)等。

衛(wèi)星通信將面臨更多的政策法規(guī)限制。首先，衛(wèi)星通信所用的軌道資源、頻譜資源等都需要各國協(xié)商解決。其次，相對傳統(tǒng)地面通信，衛(wèi)星通信在全球漫游切換方面上將面臨更多挑戰(zhàn)。目前，幾個主要國家及一些商業(yè)實體都在積極進(jìn)行衛(wèi)星通信系統(tǒng)搭建，如何協(xié)調(diào)這些彼此獨立部署的衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)系，將是一個極其復(fù)雜的問題。

另外，移動通信進(jìn)入眾多完全不同特點的垂直行業(yè)后，不得不面對差異化極大的用戶使用習(xí)慣。如何更快速地改造這些千差萬別的垂直行業(yè)用戶固有思維方式和習(xí)慣，盡快適應(yīng)全新的行為方式與規(guī)則，將是一個極具挑戰(zhàn)的問題。

6G網(wǎng)絡(luò)最終將提供每秒太比特速率，支撐十年后（2030年～）平均每人1000+無線節(jié)點的連接，并提供隨時隨地的即時全息連接需求。未來將是一個完全的數(shù)據(jù)驅(qū)動的社會，人與萬物被普遍地、近乎即時（毫秒級）地連接，構(gòu)成一個不可思議的完全連接的烏托邦世界。

3、6G候選關(guān)鍵技術(shù)

無線接入技術(shù)發(fā)展推動主要來自兩個方面：關(guān)鍵理論/技術(shù)突破推動技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用需求驅(qū)動技術(shù)發(fā)展。對于未來6G將會有哪些潛在的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成，不同的機(jī)構(gòu)分別給出了不同的觀點^[6-10]。當(dāng)前尚處于6G概念探討的初期，各家給出的觀點差異還比較大。但相信隨著大家對6G概念探討和技術(shù)研究的深入，認(rèn)識將會逐漸清晰，研究方向也會不斷收斂聚焦。本節(jié)將首先分類羅列6G潛在關(guān)鍵候選技術(shù)特性，然后對相關(guān)候選技術(shù)特性進(jìn)行分析和解讀。

為實現(xiàn)第2節(jié)所描繪的6G愿景及其挑戰(zhàn)，同時考慮相關(guān)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r與趨勢，我們認(rèn)為6G潛在關(guān)鍵技術(shù)特性可以包括如下幾方面。

圖3、6G潛在關(guān)鍵技術(shù)特性

基礎(chǔ)性技術(shù)是構(gòu)成6G網(wǎng)絡(luò)的基石，只有關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)被突破，6G網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的技術(shù)需求才可能滿足，進(jìn)而相關(guān)愿景才可能實現(xiàn)。而專有技術(shù)特性則由多個關(guān)鍵的基礎(chǔ)性技術(shù)點有機(jī)組成，用于滿足未來6G典型場景的需求。從系統(tǒng)維度看，多個關(guān)鍵技術(shù)點組成專有技術(shù)特性，而多個專有技術(shù)特性組合構(gòu)建有機(jī)的系統(tǒng)。當(dāng)前，我們需要對6G候選關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究和突破，為未來6G網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化及工程實現(xiàn)技術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。其中，AI與無線通信結(jié)合研究（“AI-based Wireless Communication”）近期非常火熱，也是實現(xiàn)未來6G網(wǎng)絡(luò)“智慧連接”的關(guān)鍵技術(shù)，但是否可以作為無線領(lǐng)域的基礎(chǔ)性技術(shù)尚存在爭議。

3.1 新頻譜通信技術(shù)

頻譜是移動通信的基礎(chǔ)，也是稀缺資源，持續(xù)增長的業(yè)務(wù)量需求要求未來移動通信系統(tǒng)擴(kuò)展可用的頻譜資源。太赫茲（Terahertz）和可見光（Visible Light）將是極具吸引力的兩類重要的候選頻譜。太赫茲頻譜在通信等領(lǐng)域的開發(fā)利用受到了來自歐、美、日等國家和區(qū)域的高度重視，也獲得了國際電信聯(lián)盟（ITU）的大力支持。可見光通信技術(shù)是隨著照明光源支持高速開關(guān)而發(fā)展起來的一種新型通信方式，可以有效的緩解當(dāng)前射頻通信頻帶緊張的問題，為短距離無線通信提供了一種新的選擇方式。

本部分將分析太赫茲和可見光兩類重要的候選頻譜特性，探討兩者主要的應(yīng)用場景，并給出面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.1.1 太赫茲通信（THz Communication）

太赫茲波是指頻譜在0.1～10 THz之間的電磁波，波長為30至3000微米。頻譜介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間，在其低波段與毫米波相鄰，而在其高波段與紅外光相鄰，位于宏觀電子學(xué)與微觀光子學(xué)的過渡區(qū)域。太赫茲作為一個介于微波與光波之間的全新頻段尚未被完全開發(fā)，太赫茲通信具有頻譜資源豐富、傳輸速率高等優(yōu)勢，是未來移動通信中極具優(yōu)勢的寬帶無線接入（Tb/s級通信）技術(shù)^[47]。美國聯(lián)邦通信委員會專員Jessica Rosenworcel在2018年9月召開的美國移動通信世界大會上表示，6G可以采用基于太赫茲（THz）頻譜的網(wǎng)絡(luò)和空間復(fù)用技術(shù)^[9]。

太赫茲波以其獨有的特性，使太赫茲通信比微波和無線光通信擁有許多優(yōu)勢，決定了太赫茲波在高速短距離寬帶無線通信、寬帶無線安全接入、空間通信等方面均有廣闊的應(yīng)用前景。

（1）太赫茲波在空中傳播時極易被空氣中的水分吸收，比較適合于高速短距離無線通信；
（2）波束更窄、方向性更好，具有更強的抗干擾能力,可實現(xiàn)2～5 km內(nèi)的保密通信。
（3）太赫茲波的頻率高、帶寬寬，能夠滿足無線寬帶傳輸時對頻譜帶寬的需求。太赫茲波頻譜在108～1013 GHz之間，其中具有幾十GHz的可用頻譜帶寬，可提供超過Tb/s的通信速率。
（4）空間通信。在外層空間,太赫茲波在350μm、450μm、620μm、735μm和870μm波長附近存在著相對透明的大氣窗口，能夠做到無損耗傳輸，極小的功率就可完成遠(yuǎn)距離通信。并且，相對無線光通信而言，波束更寬，接收端容易對準(zhǔn)，量子噪聲較低，天線終端可以小型化、平面化。因此，太赫茲波可廣泛應(yīng)用于空間通信中，特別適合用于衛(wèi)星之間、星地之間的寬度通信。
（5）太赫茲頻段波長短，也適合采用更多天線陣子的Massive MIMO（相對毫米波同樣大小甚至更小的天線體積）。初步的研究表明，Massive MIMO提供的波束賦型及空間復(fù)用增益可以很好的克服太赫茲傳播的雨衰和大氣衰落，可以滿足密集城區(qū)覆蓋需求（例如，200m小區(qū)半徑）。
（6）能量效率高。相對于無線光通信而言，太赫茲波的光子能量低，大約是10-3eV，只有可見光的1/40，用它作為信息載體可以獲得極高的能量效率。
（7）穿透性強。太赫茲波能以較小的衰減穿透物質(zhì)，適合一些特殊場景的通信需求。

太赫茲頻段用于移動通信具有不可替代的優(yōu)勢，但同時面臨著多方面的挑戰(zhàn)：

（1）覆蓋與定向通信。電磁波傳播特性表明，自由空間衰落大小與頻率的平方成正比，因此太赫茲相對低頻段有較大的自由空間衰落。太赫茲傳播特性及巨量天線陣子，意味著太赫茲通信是高度定向的波束信號傳播。我們需要針對這種高度定向傳播的信號特征，重新設(shè)計和優(yōu)化相關(guān)機(jī)制。

（2）大尺度衰落特性。太赫茲信號對陰影非常敏感，對覆蓋范圍影響很大。例如，如磚的信號衰減高達(dá)40-80dB，人體可以帶來20-35dB的信號衰減。不過濕度/降雨衰落對于太赫茲通信影響相對較小，因為濕度/降雨衰落在100GHz以下隨著頻率提升而快速增加，但在100GHz以上已經(jīng)相對平坦。可以選擇雨衰相對較小的幾個太赫茲頻段作為未來太赫茲通信的典型頻段，例如140GHz、220GHz和340GHz等附近頻段^[47]。

（3）快速信道波動與間歇性連接。給定的移動速度，信道相干時間與載波頻率為線性關(guān)系，也即意味著太赫茲頻段的相干時間很小，多普勒擴(kuò)展較大，相比當(dāng)前蜂窩系統(tǒng)所采用的頻段變化快很多。此外，較高的陰影衰落將導(dǎo)致太赫茲傳播的路徑衰落更劇烈地波動。同時，太赫茲系統(tǒng)主要構(gòu)成是小范圍覆蓋的微小區(qū)，而且是高度空間定向的信號傳輸，這意味著路徑衰落、服務(wù)波束和小區(qū)關(guān)聯(lián)關(guān)系將會迅速改變。從系統(tǒng)角度，意味著太赫茲通信系統(tǒng)的連接將表現(xiàn)為高度間歇性，需要有快速迅速適應(yīng)機(jī)制來克服這種快速變化的間歇性連接問題。

（4）處理功耗。利用超大規(guī)模天線的一個重大的挑戰(zhàn)是寬帶太赫茲系統(tǒng)模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的功率消耗。功耗一般與采樣率呈線性關(guān)系，而與每比特的采樣數(shù)為指數(shù)關(guān)系。太赫茲頻段大帶寬和巨量天線需要高分辨率的量化，實現(xiàn)低功耗、低成本的設(shè)備將是巨大挑戰(zhàn)。

為支持太赫茲通信，如下幾方面需要進(jìn)一步深入研究：

（1）半導(dǎo)體技術(shù)，包括RF、模擬基帶和數(shù)字邏輯等；
（2）研究低復(fù)雜度、低功耗的高速基帶信號處理技術(shù)和集成電路設(shè)計方法，研制太赫茲高速通信基帶平臺；
（3）調(diào)制解調(diào)，包括太赫茲直接調(diào)制、太赫茲混頻調(diào)制和太赫茲光電調(diào)制等；
（4）波形、信道編碼；
（5）同步機(jī)制，例如，高速高精度的捕獲和跟蹤機(jī)制、數(shù)百量級天線陣子的同步機(jī)制；
（6）太赫茲空間和地面通信的信道測量與建模。

上述幾方面技術(shù)問題研究需要綜合兼顧，以便在太赫茲通信的性能、復(fù)雜性和功耗之間取得平衡。

另外，在頻譜監(jiān)管方面，目前國際電聯(lián)己決定將0.12THz和0.2THz劃歸無線通信使用，但0.3THz以上頻譜的監(jiān)管規(guī)則尚不明晰，全球范圍內(nèi)尚未統(tǒng)一。需要國際電聯(lián)層面和WRC會議共同努力，積極推動以達(dá)成共識。

太赫茲通信技術(shù)的研究只有二十年時間，很多關(guān)鍵器件還沒有研制成功，一些關(guān)鍵技術(shù)還不夠成熟，還需進(jìn)行大量的研究工作。但太赫茲通信是一個極具應(yīng)用前景的技術(shù)，隨著關(guān)鍵器件及關(guān)鍵技術(shù)的突破，太赫茲波通信技術(shù)必將給人類生產(chǎn)生活帶來深遠(yuǎn)的影響。

3.1.2 可見光通信（Visible Light Communications）

一種對現(xiàn)有無線射頻通信技術(shù)可能的補充技術(shù)是光無線通信（Optical Wireless Communications，OWC），頻段包括紅外、可見光和紫外，可以有效的緩解當(dāng)前射頻通信頻帶緊張的問題。其中，可見光頻段是OWC最重要的頻段，將在本節(jié)重點討論。

可見光波段（390-700納米）的OWC系統(tǒng)通常被稱為可見光通信（Visible Light Communications，VLC），它充分利用可見光發(fā)光二極管（LED）的優(yōu)勢，實現(xiàn)照明和高速數(shù)據(jù)通信的雙重目的。與無線電通信相比，VLC具有多方面極具吸引力的優(yōu)勢。首先，可見光通信技術(shù)可以提供大量潛在的可用頻譜（THz級帶寬），并且頻譜使用不受限，不需頻譜監(jiān)管機(jī)構(gòu)的授權(quán)。其次，可見光通信不產(chǎn)生電磁輻射，也不易受外部電磁干擾影響，所以可廣泛應(yīng)用于對電磁干擾敏感、甚至必須消除電磁干擾的特殊場合，如醫(yī)院、航空器、加油站和化工廠等。再次，可見光通信技術(shù)所搭建的網(wǎng)絡(luò)安全性更高。該技術(shù)使用的傳輸媒介是可見光，不能穿透墻壁等遮擋物，傳輸限制在用戶的視距范圍以內(nèi)，這就意味著網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸被局限在一個建筑物內(nèi)，有效地避免了傳輸信息被外部惡意截獲，保證了信息的安全性。最后，可見光通信技術(shù)支持快速搭建無線網(wǎng)絡(luò)，可以方便靈活的組建臨時網(wǎng)絡(luò)與通信鏈路，降低網(wǎng)絡(luò)使用與維護(hù)成本。像地鐵、隧道等射頻信號覆蓋盲區(qū)，如果使用射頻通信，則需要高昂的成本建立基站，并支付昂貴的維護(hù)費用。而室內(nèi)可見光通信技術(shù)可以利用其室內(nèi)的照明光源作為基站，結(jié)合其它無線/有線通信技術(shù)，為用戶提供便捷的室內(nèi)無線通信服務(wù)。

OWC典型應(yīng)用場景包括：光熱點（特別是在室內(nèi)場景）、短距離通信、星間鏈路激光通信和海底通信（克服衰減和電磁干擾）。這些典型應(yīng)用場景的OWC技術(shù)值得深入研究，并針對性的優(yōu)化解決。

3.2 基礎(chǔ)性技術(shù)

構(gòu)成6G系統(tǒng)的潛在基礎(chǔ)技術(shù)較多，本節(jié)將對其中最可能的潛在關(guān)鍵基礎(chǔ)性技術(shù)展開討論，包括稀疏理論（主要指壓縮感知）、全新信道編碼、大規(guī)模天線、靈活頻譜技術(shù)等。

3.2.1 稀疏理論-壓縮感知（Sparse Theory - Compressed Sensing）

信號采樣是聯(lián)系模擬信源和數(shù)字信息的橋梁。人們對信息的巨量需求對信號的采樣、傳輸和存儲帶來巨大壓力，如何緩解這種壓力又能有效提取承載在信號中的有用信息是信號與信息處理中急需解決的關(guān)鍵問題之一。傳統(tǒng)的信號處理是以香農(nóng)-奈奎斯特（Shannon-Nyquist）采樣定理為基礎(chǔ)，信號通常先采樣后壓縮，而且必須以高于香農(nóng)-奈奎斯特頻率的速率對信號進(jìn)行采樣和處理。不同于香農(nóng)-奈奎斯特信號采樣機(jī)制，Donoho^[48]和Candès、Tao、Romberg^[49]等人近年來基于信號稀疏性提出一種稱為壓縮感知/壓縮采樣（Compressed Sensing/Compressive Sampling，CS）的新穎采樣理論，成功實現(xiàn)了信號的同時采樣與壓縮，為緩解上述壓力提供了解決方法。CS是獲取、處理和恢復(fù)稀疏信號的有吸引力的范例^[48]，這種全新模式是傳統(tǒng)信息處理操作（包括采樣、感知、壓縮、估計和檢測）極具競爭力的替代方案。此研究思想挑戰(zhàn)了香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理^[50]的理論極限，對整個信號處理領(lǐng)域產(chǎn)生了極其重要的影響。

CS理論是當(dāng)前信號處理領(lǐng)域的研究熱點之一^{[48-49][51-57]}。CS的核心在于可以以計算有效的方式從欠定線性系統(tǒng)中恢復(fù)稀疏信號，即信號的少量線性測量（投影）包含用于其重建的足夠信息。壓縮感知理論指出：當(dāng)信號在某個變換域是稀疏的或可壓縮的，可以利用與變換矩陣非相干的測量矩陣將變換系數(shù)線性投影作為低維觀測向量，同時這種投影保持了重建信號所需的信息，通過進(jìn)一步求解稀疏最優(yōu)化問題就能夠從低維觀測向量精確地或高概率精確地重建原始高維信號。在該理論框架下，采樣速率不再取決于信號的帶寬，而是很大程度上取決于兩個基本準(zhǔn)則：稀疏性和非相干性，或者稀疏性和等距約束性。在壓縮感知理論中，發(fā)端用信息采樣（即數(shù)據(jù)觀測或感知）代替了信號采樣，而收端設(shè)備則用信號重建代替了傳統(tǒng)的解碼，因此不受香農(nóng)-奈奎斯特采樣率的限制。 這一優(yōu)勢使得壓縮感知在通信與信息處理的許多方面有著巨大的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理存在的問題：對于高寬帶信號，香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理需要至少兩倍帶寬的采樣速率，對采樣硬件設(shè)備要求較高；同時，產(chǎn)生的大量信號采樣點對后續(xù)的傳輸及存儲帶來很重的負(fù)擔(dān)，既浪費了大量的通信帶寬資源又增加了通信設(shè)備成本；另外，也會因為要處理的數(shù)據(jù)量較多而降低了系統(tǒng)對信號處理的實時性。基于上文所述CS特性可知，利用CS特性完全可以克服傳統(tǒng)香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理的問題，更好的提升未來通信系統(tǒng)的性能：極大提升有用信息傳輸能力，降低有用信息傳輸及處理時延。近年來，人們提出了利用目標(biāo)信號稀疏性的各種無線通信應(yīng)用，值得注意的例子包括信道估計、干擾抵消、方向估計、頻譜感知和符號檢測^[52]。

壓縮感知/稀疏理論在5G已有少量涉及，例如基于稀疏碼的非正交多址（SparseCode Multiple Access，SCMA）、Massive MIMO的信道估計，但由于技術(shù)成熟度不足與標(biāo)準(zhǔn)化時間緊迫性的矛盾，最終并沒有能夠在5G標(biāo)準(zhǔn)中采納。面對未來6G極具挑戰(zhàn)的需求，壓縮感知理論在6G中應(yīng)用有更大的迫切性：下一代無線傳輸面臨超大帶寬、超大規(guī)模天線及超密集基站，將需要難以估量的計算復(fù)雜度、硬件成本及能量消耗；海量的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點/觸覺網(wǎng)絡(luò)節(jié)點也需要利用壓縮感知理論來解決信號采集壓縮問題^[51]。基于目前壓縮感知/稀疏理論研究的發(fā)展趨勢，10年后其技術(shù)成熟度完全可以滿足工程化應(yīng)用的需求，從而在6G系統(tǒng)中工程化落地成為可能。

結(jié)合6G將要面臨的需求和挑戰(zhàn)，有三種壓縮感知典型應(yīng)用場景：超寬帶頻譜感知、無線傳感網(wǎng)絡(luò)（無線觸覺網(wǎng)絡(luò)）、超大規(guī)模天線。

3.2.2 全新信道編碼（New Channel Coding）

信道編碼是無線通信的基礎(chǔ)，下一代信道編碼機(jī)制需要率先研究并突破，為未來6G無線通信系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

相對目前5G系統(tǒng)，下一代信道編碼機(jī)制研究需要滿足未來更加復(fù)雜異構(gòu)的無線通信場景和業(yè)務(wù)需求，需要考慮幾方面的典型場景：超高吞吐量（Tb/s級別）、超大帶寬信道、超高頻信道、可見光信道、高空/太空信道、遠(yuǎn)洋/深海信道、深地信道等復(fù)雜的傳播環(huán)境及更異構(gòu)多樣的業(yè)務(wù)類型。

信道編碼應(yīng)用于未來無線通信系統(tǒng)同時涉及先進(jìn)的信道編碼算法和強大的芯片及實現(xiàn)技術(shù)兩方面。前者受到后者工程實現(xiàn)的制約，因此需要對兩者綜合研究和突破。信道編碼機(jī)制研究可以基于現(xiàn)有先進(jìn)編碼機(jī)制（如Turbo、LDPC、Polar等）獲得適用于未來通信系統(tǒng)應(yīng)用場景的基本信道編碼原則，并進(jìn)一步研究新的編解碼機(jī)制及對應(yīng)的芯片實現(xiàn)方案。需要對目前學(xué)術(shù)界正在研究的相關(guān)信道編碼機(jī)制進(jìn)行遴選，綜合考慮其理論性能上限及對應(yīng)的工程實現(xiàn)約束，作為下一代無線通信系統(tǒng)信道編碼機(jī)制候選的突破方向。AI在無線通信中的應(yīng)用研究也給信道編碼研究提供了一種全新的范式。經(jīng)典的糾錯碼是根據(jù)編碼理論設(shè)計的，而AI驅(qū)動的方法不再需要依賴于編碼理論，為突破現(xiàn)有理論設(shè)計出全新信道編碼機(jī)制提供了可能^[58]。

另外，現(xiàn)有工程使用的信道編碼設(shè)計假設(shè)為高斯點對點信道，而實際通信是多用戶復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)場景的干擾/衰落信道，因此現(xiàn)有信道編碼機(jī)制對實際干擾信道來說是次優(yōu)的。未來通信網(wǎng)絡(luò)干擾關(guān)系更加復(fù)雜，有必要考慮基于干擾信道假設(shè)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，例如，多用戶信道編碼。

3.2.3 超大規(guī)模天線技術(shù)（Very Large Scale Antenna）

多天線技術(shù)，尤其超大規(guī)模天線技術(shù)，是提升無線移動通信系統(tǒng)頻譜效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。若想在未來6G網(wǎng)絡(luò)中更好的發(fā)揮多天線的增益，我們將不得不面臨諸多前所未有的需求和挑戰(zhàn)。

從候選頻譜角度，6G極有可能采用太赫茲頻譜通信。目前太赫茲頻譜特性還未完全研究清楚，如何在太赫茲頻譜上采用大規(guī)模天線更是面臨諸多難題，包括工程理論突破和設(shè)計實現(xiàn)。同時，太赫茲頻譜的引入也意味著未來通信系統(tǒng)頻譜范圍跨度更大，囊括6GHz以下低頻、6GHz以上毫米波及更高頻太赫茲。另外，太赫茲頻譜的大規(guī)模天線的陣子數(shù)量也會大幅增加，頻譜效率要求更高。

面對6G需求的挑戰(zhàn)，大規(guī)模天線技術(shù)需要研究并突破如下幾方面的問題：解決跨頻段、高效率、全空域覆蓋天線射頻領(lǐng)域的理論與技術(shù)實現(xiàn)問題；研究可配置、大規(guī)模陣列天線與射頻技術(shù)，突破多頻段、高集成射頻電路面臨的包括低功耗、高效率、低噪聲、非線性、抗互擾等多項關(guān)鍵性挑戰(zhàn)；提出新型大規(guī)模陣列天線設(shè)計理論與技術(shù)、高集成度射頻電路優(yōu)化設(shè)計理論與實現(xiàn)方法、以及高性能大規(guī)模模擬波束成型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)。

另外，為了充分得到大規(guī)模天線增益，需要在發(fā)射端和接收端獲得信道狀態(tài)信息（Channel Status Information，CSI）。即使假設(shè)TDD雙工方式，依然會存在導(dǎo)頻污染的問題，也即來自不同小區(qū)的上行鏈路導(dǎo)頻序列彼此干擾。這些問題對于超大規(guī)模天線來說，即使僅僅為了獲取不完美的CSI也是極具挑戰(zhàn)性。尤其對于太赫茲頻譜的大規(guī)模天線，其陣子數(shù)更多，需要估計的信道數(shù)目將會非常龐大。基于壓縮感知理論對太赫茲頻譜的大規(guī)模天線進(jìn)行參考信號設(shè)計、信道估計與反饋是一個較好的選擇，包括FDD和TDD雙工方式的MassiveMIMO場景^[59]-[61]。在Massive MIMO系統(tǒng)中^[62][63]，發(fā)射機(jī)和/或接收機(jī)配備了大規(guī)模天線陣列，由于散射群數(shù)量有限，空間分辨率提高，信道可以在角域中稀疏地表示^[64][65][66]。另外，相關(guān)研究和實際測量表明，太赫茲信號到達(dá)由少量的路徑簇構(gòu)成，且每個簇僅有較小的角度擴(kuò)展。這些太赫茲頻譜及其大規(guī)模天線的顯著稀疏特性有利于采用壓縮感知技術(shù)，有效降低處理復(fù)雜度，提升系統(tǒng)性能。

3.2.4 靈活頻譜技術(shù)（Flexible Spectrum）

上文所討論的幾項潛在的關(guān)鍵基礎(chǔ)性技術(shù)都是為了進(jìn)一步提升頻譜效率，使得頻譜效率逼近信道容量上限，從而在理想假設(shè)下達(dá)到網(wǎng)絡(luò)峰值速率。而實際網(wǎng)絡(luò)中，更典型情況是頻譜需求的不均衡性，包括不同網(wǎng)絡(luò)間的不均衡、同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同節(jié)點之間的不均衡、同一節(jié)點收發(fā)鏈路之間的不均衡等，而這些不均衡特性導(dǎo)致頻譜利用率低下。本節(jié)將分別探討解決上述頻譜需求不均衡問題的兩種潛在候選技術(shù)：

（1）頻譜共享，主要用于解決不同網(wǎng)絡(luò)間的頻譜需求不均衡問題；
（2）全自由度雙工，主要用于解決同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同節(jié)點之間和同一節(jié)點收發(fā)鏈路之間的頻譜需求不均衡問題。

無線通信業(yè)務(wù)量需求激增與頻譜資源緊缺的外在矛盾，正驅(qū)動無線通信標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)在變革。進(jìn)一步提升頻譜效率，并消除對頻譜資源利用方式的限制，成為未來無線通信革新的一個目標(biāo)。

3.2.4.1 頻譜共享（Spectrum Sharing）

為滿足未來6G系統(tǒng)頻譜資源使用需求，一方面，需要擴(kuò)展可用頻譜，例如采用太赫茲頻譜和可見光頻譜，如3.1節(jié)所述；另一方面也需要在頻譜使用規(guī)則上有所改變，突破目前授權(quán)載波使用方式為主的現(xiàn)狀，以更靈活的方式分配和使用頻譜，從而提升頻譜資源利用率。目前蜂窩網(wǎng)絡(luò)主要是采用授權(quán)載波的使用方式，頻譜資源所有者獨占頻譜使用權(quán)限，即使所述頻譜資源暫時空閑，其它需求者也沒有機(jī)會使用。獨占授權(quán)頻譜對用戶的技術(shù)指標(biāo)和使用區(qū)域等有嚴(yán)格的限制和要求，能夠有效避免系統(tǒng)間干擾并可以長期使用。然而，這種方式在具備較高的穩(wěn)定性和可靠性的同時，也存在著因授權(quán)用戶獨占頻段造成的頻譜閑置、利用不充分等問題，加劇了頻譜供需矛盾。顯然，打破獨占授權(quán)頻譜的靜態(tài)頻譜劃分使用規(guī)則，采用頻譜資源共享的方式是更好的選擇^[67]。

基于頻譜資源授權(quán)方式劃分，頻譜共享可以進(jìn)一步分為兩種類型：非授權(quán)頻譜，用戶使用頻段不受限制，彼此之間享有同等的使用權(quán)利但均不受到保護(hù)，需要通過技術(shù)手段避免相互產(chǎn)生干擾；動態(tài)共享頻譜，在保證主用戶不受干擾的前提下，通過設(shè)計許可權(quán)限（如規(guī)定接入時間、接入地點、發(fā)射功率、干擾保護(hù)等），賦予次用戶相應(yīng)的頻譜使用權(quán)利，次用戶可使用數(shù)據(jù)庫、頻譜感知、認(rèn)知無線電等技術(shù)，在空間、時間、頻率等不同維度上與主用戶共享頻譜。

對于非授權(quán)頻譜，目前主要的非授權(quán)載波頻段包括2.4GHz、5GHz，占總可用頻譜的比例較小，不同國家和地區(qū)使用規(guī)則也不統(tǒng)一。WLAN系統(tǒng)是最主要使用非授權(quán)載波的商業(yè)化的技術(shù)，但頻譜效率相對較低。3GPP LTE Rel-13標(biāo)準(zhǔn)版本引入LAA（Licensed-Assisted Access）技術(shù)，開創(chuàng)了蜂窩系統(tǒng)使用非授權(quán)載波的先例。當(dāng)前，NR-unlicensed技術(shù)特性正在3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)討論中，將會包含在5G NRRel-16標(biāo)準(zhǔn)版本（2019年底完成并發(fā)布），5G NR也將可以利用非授權(quán)載波通信。而對于動態(tài)頻譜共享，盡管已有多年的研究，但迄今尚未在規(guī)模商用網(wǎng)絡(luò)中采用。

頻譜共享技術(shù)沒有被充分部署的原因有頻譜分配規(guī)則約束的因素，但更主要是頻譜共享技術(shù)本身成熟度的限制。我們還是需要在頻譜共享技術(shù)研究上有所突破，包括高效頻譜共享技術(shù)及高效頻譜監(jiān)管技術(shù)，以在未來網(wǎng)絡(luò)中更好的采用共享頻譜技術(shù)提升頻譜資源利用率，同時也可以更方便的進(jìn)行頻譜監(jiān)管。頻譜共享的實現(xiàn)技術(shù)可分為三大類：一是感知類，例如認(rèn)知無線電技術(shù)（Cognitive Radio, CR）^[68]；二是共享數(shù)據(jù)庫類，如頻譜池技術(shù)；三是將前兩類技術(shù)結(jié)合起來使用。進(jìn)一步，可以利用AI與頻譜共享技術(shù)結(jié)合，以實現(xiàn)智能的動態(tài)頻譜共享使用和智能的高效頻譜監(jiān)管^[69-74]。

3.2.4.2 全自由度雙工-全雙工（Free Duplex - Full Duplex）

如上文所述，由于業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包到達(dá)服從泊松分布，實際網(wǎng)絡(luò)中收發(fā)鏈路（在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中一般指上下行鏈路）資源利用率動態(tài)波動，極不均衡。增強現(xiàn)有的雙工技術(shù)是為了實現(xiàn)收發(fā)鏈路間靈活的頻譜分配（或稱為收發(fā)鏈路間靈活的頻譜共享），從而從雙工維度提升頻譜資源利用率。

目前，相對傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)，5G系統(tǒng)基于靈活空口概念設(shè)計，而雙工方式則采用動態(tài)TDD架構(gòu)，其中FDD模式僅僅是一種配置的特例。另外，5G及后續(xù)B5G/6G主要可用頻譜分布在2GHz以上的頻段，這些頻譜絕大部分為TDD頻譜。解決上下行（Down Link /Up Link，DL/UL）交叉鏈路干擾的CLI-RIM WID（CrossLink Interference - Remote Interference Management Work Item Deion）標(biāo)準(zhǔn)項目將于2019年完成，并將包含在5G NRRel-16標(biāo)準(zhǔn)版本^[75]。此標(biāo)準(zhǔn)項目將會引入兩類干擾抑制：解決相鄰基站交叉鏈路干擾問題的機(jī)制，解決遠(yuǎn)端基站間交叉鏈路干擾（大氣波導(dǎo)現(xiàn)象引起的交叉鏈路干擾）問題的機(jī)制。一旦這兩類干擾被很好的解決，5G將真正能夠很好地支持靈活雙工（Flexible Duplex）特性的商業(yè)部署，從而逐漸擺脫固定雙工模式（Fixed Duplex，F(xiàn)DD/TDD）的資源利用限制。5G初期的技術(shù)討論雖涉及全雙工技術(shù)，但由于其理論和技術(shù)研究尚不成熟，已沒有在機(jī)會5G中采用。

隨著未來十年雙工技術(shù)的進(jìn)步和工藝的成熟，預(yù)期6G時代的雙工方式將有望實現(xiàn)真正全自由度雙工模式（Free Duplex），即不再有FDD/TDD區(qū)分，而是根據(jù)收發(fā)鏈路間業(yè)務(wù)需求完全靈活自適應(yīng)的調(diào)度為靈活雙工或全雙工（Full Duplex）模式，徹底打破雙工機(jī)制對收發(fā)鏈路之間頻譜資源利用的限制。全自由度雙工模式通過收發(fā)鏈路（或DL與UL）之間全自由度（時、頻、空）靈活的頻譜資源共享，將可以實現(xiàn)更加高效的頻譜資源利用，達(dá)到提升吞吐量及降低傳輸時延的目的。而要實現(xiàn)全自由度雙工模式，最關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)是需要突破全雙工技術(shù)。下圖（圖5）描繪了無線移動通信系統(tǒng)雙工方式的演進(jìn)路線。

圖5、無線移動通信系統(tǒng)雙工方式演進(jìn)路線

全雙工可以最大限度的提升網(wǎng)絡(luò)和接入設(shè)備收發(fā)設(shè)計的自由度，能夠消除FDD和TDD資源使用限制，從而提升頻譜效率和降低傳輸時延，可作為未來無線通信系統(tǒng)頻譜提升的關(guān)鍵候選使能技術(shù)。

○ 提升頻譜效率：基于自干擾抑制技術(shù)的同時同頻全雙工技術(shù)可消除FDD和TDD資源使用限制，從理論極限上可提升一倍的頻譜效率。
○ 降低傳輸時延：未來的載波屬性應(yīng)該是以TDD載波為主。DL/UL采用TDD方式傳輸，即使可以動態(tài)靈活上下行，甚至靈活時隙結(jié)構(gòu)，依然會存在上下行TDD帶來的時延、切換操作等問題。全雙工或者部分全雙工，可以克服不能夠同時傳輸帶來的時延問題，同時對DL/UL資源調(diào)度提供更多的自由度、更大的靈活性。

同時同頻全雙工涉及的通信理論與工程技術(shù)研究已進(jìn)行多年，形成了空域、射頻域、數(shù)字域聯(lián)合的自干擾抑制技術(shù)路線。近些年很多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)成功設(shè)計出全雙工收發(fā)機(jī)^[76-77]，并達(dá)到了110dB自干擾抑制能力^[76]。全雙工通信的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括認(rèn)知無線電系統(tǒng)^[78]，中繼網(wǎng)絡(luò)^[79][80]，雙向通信系統(tǒng)^[81]，終端與終端通信系統(tǒng)(Device to Device，D2D)^[82]，蜂窩網(wǎng)^[83][84][85]等。其中，在蜂窩網(wǎng)尤其是覆蓋范圍小、發(fā)射功率低的密集蜂窩網(wǎng)場景的應(yīng)用得到了越來越多的關(guān)注。

基于自干擾受限的技術(shù)特征可知，全雙工技術(shù)主要適合于如下幾類典型應(yīng)用場景：

（1）低發(fā)射功率場景，包括短距離無線鏈路（例如D2D（Deviceto Device），V2X（Vehicle toEverything））和小覆蓋發(fā)射低功率的微小區(qū)（Small Cell）。

（2）收發(fā)設(shè)備復(fù)雜度與成本不受限的場景，例如無線中繼（Wireless Relay）和無線回傳（Wireless Backhaul）；

（3）窄波束且空間自由度較多的場景，包括采用Massive MIMO的6GHz以下頻段及高頻毫米波/太赫茲頻段的通信場景。

全雙工技術(shù)的實用化進(jìn)程中，尚需解決的問題和技術(shù)挑戰(zhàn)包括：大功率動態(tài)自干擾信號的抑制、多天線射頻域自干擾抑制電路的小型化、全雙工體制下的網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)與干擾消除機(jī)制、與FDD/TDD半雙工體制的共存和演進(jìn)策略。另外，從工程部署角度，充分研究全雙工的組網(wǎng)技術(shù)是更重要的方向。

3.2.4.2 基于AI的無線通信技術(shù)（AI-based Wireless Communication）

近年來，隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨以及多種軟硬件計算資源的增長，人工智能（AI）特別是深度學(xué)習(xí)，已經(jīng)成為一個具有眾多實際應(yīng)用和活躍研究課題的領(lǐng)域。借助深度學(xué)習(xí)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入歸納、分析，從而獲取新的、規(guī)律性的信息和知識，并利用這些知識建立用于支持決策的模型，進(jìn)行風(fēng)險分析或預(yù)測。深度學(xué)習(xí)的出現(xiàn)，促進(jìn)了許多領(lǐng)域快速發(fā)展，例如語音認(rèn)知、計算機(jī)視覺、機(jī)器翻譯和生物信息等。而學(xué)術(shù)界和工業(yè)界也在不斷思考如何將AI融入到無線通信系統(tǒng)中，實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)效能的大幅提升^[86]-[87]。已有研究集中于應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層，主要思想是將AI特別是深度學(xué)習(xí)的思想引入到無線資源管理和分配領(lǐng)域。不過，該方向的研究正向MAC層和物理層推進(jìn)，特別在物理層出現(xiàn)無線傳輸與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的趨勢。盡管無線大數(shù)據(jù)為AI與無線通信結(jié)合提供了可能，但各項研究目前尚處于初步探索階段，智能通信系統(tǒng)的發(fā)展還需要一個長期的過程，機(jī)遇與挑戰(zhàn)共存^[88]。

AI在無線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層主要有兩方面的應(yīng)用。首先，它們可以用于預(yù)測、推理和大數(shù)據(jù)分析。在此應(yīng)用領(lǐng)域，AI功能與無線網(wǎng)絡(luò)從其用戶、環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生成的數(shù)據(jù)集學(xué)習(xí)的能力有關(guān)。例如，AI可以用來分析和預(yù)測無線用戶的可用性狀態(tài)和內(nèi)容請求，從而使基站能夠提前確定用戶的關(guān)聯(lián)內(nèi)容并進(jìn)行緩存，從而減少數(shù)據(jù)流量負(fù)載。在這里，與用戶相關(guān)的行為模式（如移動方式和內(nèi)容請求）將顯著影響緩存哪些內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)中的哪個節(jié)點以及在什么時間緩存哪些內(nèi)容。其次，AI在無線網(wǎng)絡(luò)中的另一個關(guān)鍵應(yīng)用是通過在網(wǎng)絡(luò)邊緣及其各網(wǎng)元實體（如基站和終端用戶設(shè)備）上內(nèi)嵌AI功能來實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)操作。這種邊緣智能是資源管理、用戶關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)卸載的自組織解決方案的關(guān)鍵促成因素。在這種情況下，AI可以學(xué)習(xí)環(huán)境，并隨著環(huán)境的變化采用不同的解決方案，使得設(shè)備自主決策成為可能，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化^[89]。當(dāng)然，AI可以同時用于無線通信網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測和自組織操作，因為這兩個功能在很大程度上是相互依賴的。

AI用于物理層傳輸主要呈現(xiàn)出兩種類型的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，另一種基于數(shù)據(jù)模型雙驅(qū)動。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)將無線通信系統(tǒng)的多個功能模塊看作一個未知的黑盒子，利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)取而代之，然后依賴大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)完成輸入到輸出的訓(xùn)練。基于數(shù)據(jù)模型雙驅(qū)動的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)在無線通信系統(tǒng)原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，不改變無線通信系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)，利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)代替某個模塊或者訓(xùn)練相關(guān)參數(shù)以提升某個模塊的性能。AI用于物理層傳輸，意味著底層基礎(chǔ)的信號處理與通信機(jī)制將可能突破傳統(tǒng)經(jīng)典的通信理論框架，而采用基于AI驅(qū)動的信號處理及通信機(jī)制。不過，上述兩種用于物理層傳輸?shù)纳疃葘W(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)至少面臨如下三方面的問題：

（1）基于深度學(xué)習(xí)的AI算法主要采用大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)離線方式進(jìn)行參數(shù)訓(xùn)練優(yōu)化，而且由于訓(xùn)練數(shù)據(jù)獲取的限制，一般為特定信道條件下的數(shù)據(jù)。這種處理機(jī)制產(chǎn)生了特定信道環(huán)境訓(xùn)練數(shù)據(jù)的離線靜態(tài)訓(xùn)練與無線信道的多樣性及動態(tài)時變性的矛盾；

（2）當(dāng)前深度學(xué)習(xí)處理的為實數(shù)信號，而無線通信物理層傳輸?shù)臑閺?fù)數(shù)信號。如何構(gòu)建復(fù)數(shù)域的信號檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以更契合無線通信信號特點需要進(jìn)一步研究；

（3）AI用于物理層傳輸?shù)挠?xùn)練樣本主要采用數(shù)學(xué)仿真生成，仿真數(shù)據(jù)可能忽略了部分實際通信環(huán)境帶來的影響。為了更好反應(yīng)實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，需要利用更完備的、實際采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和測試。不過，如何有效獲取足夠的實際可信的訓(xùn)練數(shù)據(jù)是必須要解決的問題。例如，實際采樣數(shù)據(jù)復(fù)雜多樣，且存在大量虛警、錯檢數(shù)據(jù)，如何有效進(jìn)行數(shù)據(jù)清理及合理分類將是巨大挑戰(zhàn)。

為實現(xiàn)6G時代“智慧連接”的愿景，6G網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)為基于“分布式智能無線計算”(“Distributed intelligent wireless computing”^[90])網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及基于AI的底層通信機(jī)制。也即，在6G時代，AI將會被充分地集成到智能的6G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中：

· AI將在未來網(wǎng)絡(luò)端到端的方方面面占據(jù)主導(dǎo)地位，包括：智能核心網(wǎng)和智能邊緣網(wǎng)絡(luò)，智能手機(jī)和智能物聯(lián)網(wǎng)（超級物聯(lián)網(wǎng)）終端，以及智能業(yè)務(wù)應(yīng)用；
· 自主進(jìn)化性能，如可用性、可修改性、有效性、安全性和效率；自主進(jìn)化質(zhì)量，如可測試性、可維護(hù)性、可重用性、可擴(kuò)展性、可移植性和彈性；
· 底層基礎(chǔ)的信號處理與通信機(jī)制將可能會突破傳統(tǒng)經(jīng)典的通信理論框架，全面采用AI驅(qū)動的機(jī)制。例如，基于深度學(xué)習(xí)的信道編譯碼^[91]、基于深度學(xué)習(xí)的信號估計與檢測^[92]、基于深度學(xué)習(xí)的MIMO機(jī)制^[93-95]、基于AI的資源調(diào)度^[96-97]與分配^[98-99]等。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施具備自組織自優(yōu)化能力，就像一個獨立的自治系統(tǒng)。

隨著ICT 產(chǎn)業(yè)鏈架構(gòu)融合的逐步深入、網(wǎng)絡(luò)云化重構(gòu)轉(zhuǎn)型的加快以及更多新制式和技術(shù)的演進(jìn)，電信運營商在網(wǎng)絡(luò)運營方面將面臨越來越大的壓力和挑戰(zhàn)，智能化網(wǎng)絡(luò)是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢，網(wǎng)絡(luò)運營和運維模式將發(fā)生根本性變革。網(wǎng)絡(luò)將由當(dāng)前以人驅(qū)動為主的人治模式，逐步向網(wǎng)絡(luò)自我驅(qū)動為主的自治模式轉(zhuǎn)變。未來，智能化網(wǎng)絡(luò)將通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等多維數(shù)據(jù)感知，實現(xiàn)高度自治^[100]。

3.3 專有性技術(shù)特性

為實現(xiàn)上述6G網(wǎng)絡(luò)的愿景與挑戰(zhàn)，至少有兩種潛在的關(guān)鍵專有技術(shù)特性需要被特別考慮，包括空天地海一體化通信和無線觸覺網(wǎng)絡(luò)。如前文所述，這些專有技術(shù)特性則由多個關(guān)鍵的基礎(chǔ)性技術(shù)點有機(jī)組成，用于滿足未來6G典型場景的需求，而這些專有技術(shù)特性組合構(gòu)建為有機(jī)的6G系統(tǒng)。本節(jié)將對這兩種典型的專有技術(shù)特性進(jìn)行較為詳細(xì)的分析討論。

3.3.1 空天地海一體化通信（Space-Air-Ground-Sea Integrated Communication）

空天地海一體化通信的目標(biāo)是擴(kuò)展通信覆蓋廣度和深度，也即在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上分別與衛(wèi)星通信（非陸地通信）和深海遠(yuǎn)洋通信（水下通信）深度融合。空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)是以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以空間網(wǎng)絡(luò)為延伸，覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間，為天基（衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)）、空基（飛機(jī)、熱氣球、無人機(jī)等通信網(wǎng)絡(luò)）、陸基（地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)）、海基（海洋水下無線通信+近海沿岸無線網(wǎng)絡(luò)+遠(yuǎn)洋船只/懸浮島嶼等構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)）等各類用戶的活動提供信息保障的基礎(chǔ)設(shè)施。從基本的構(gòu)成上，空天地海一體化通信系統(tǒng)可以包括兩個子系統(tǒng)組成：陸地移動通信網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的天地一體化子系統(tǒng)、陸地移動通信網(wǎng)絡(luò)與深海遠(yuǎn)洋通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的深海遠(yuǎn)洋（水下通信）通信子系統(tǒng)。本節(jié)將分別探討天地一體化通信和作為深海遠(yuǎn)洋通信最關(guān)鍵構(gòu)成的水下無線通信。其中，用于滿足深海遠(yuǎn)洋通信場景的水下無線通信是否能夠成為未來6G網(wǎng)絡(luò)的組成部分存在爭議，本文僅是拋磚引玉，嘗試性提出來作為探討。

3.3.1.1 天地一體化通信（Space and Ground Integrated Communication）

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)由衛(wèi)星通信系統(tǒng)（天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基節(jié)點網(wǎng)）與地面互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)互聯(lián)互通，建成“全球覆蓋、隨遇接入、按需服務(wù)、安全可信”的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)體系。下圖提供了一個天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)參考例子。

圖6、天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

文獻(xiàn)[101]提供了一種典型的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以作為未來6G網(wǎng)絡(luò)天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究的參考。文中作者認(rèn)為天基骨干網(wǎng)由布設(shè)在地球同步軌道的若干骨干衛(wèi)星節(jié)點聯(lián)網(wǎng)而成，而骨干節(jié)點需要具備寬帶接入、數(shù)據(jù)中繼、路由交換、信息存儲、處理融合等功能，有單顆衛(wèi)星或多個衛(wèi)星簇構(gòu)成；天基接入網(wǎng)由布設(shè)在高軌或低軌的若干接入點組成，滿足陸海空天多層次海量用戶的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)需求，形成覆蓋全球的接入網(wǎng)絡(luò)；同時，地基節(jié)點網(wǎng)有多個地面互聯(lián)的地基骨干節(jié)點組成，主要完成網(wǎng)絡(luò)控制、資源管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、信息處理、融合共享等功能，通過地面高速骨干網(wǎng)絡(luò)完成組網(wǎng)，并實現(xiàn)與其它地面系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

天地一體化網(wǎng)絡(luò)特別是天基網(wǎng)絡(luò)受到空間傳播環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等因素的影響，與陸地移動通信網(wǎng)絡(luò)存在顯著差別^[102]：

（1）空間傳輸條件受限。空間節(jié)點由于距離遙遠(yuǎn)，信道質(zhì)量差，鏈路通常存在較大的傳輸時延、較高的中斷概率、非對稱等特點；
（2）空間節(jié)點組網(wǎng)的特殊性。空間節(jié)點設(shè)置受軌道、星座等的制約，節(jié)點高度動態(tài)、稀疏分布、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化等；
（3）系統(tǒng)組成與管理上的特殊性。有大量專用系統(tǒng)組成和專網(wǎng)構(gòu)成，各自長期發(fā)展中缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)的管理實體應(yīng)用需求和習(xí)慣也大相徑庭，不同管理域異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通困難，節(jié)點資源協(xié)同難。

由于天基網(wǎng)絡(luò)存在上述與陸地移動通信網(wǎng)絡(luò)的顯著差別，大量陸地移動通信網(wǎng)絡(luò)中的成熟技術(shù)難以直接用于天基網(wǎng)絡(luò)。為盡快克服這些問題，需要考慮從幾方面入手：盡快確定網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、確定接口標(biāo)準(zhǔn)、星間鏈路方案選擇、天基信息處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系、安全機(jī)制等。

未來天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)五大典型的應(yīng)用場景：

（1）全地形覆蓋：地面基站無法覆蓋到的區(qū)域，如為海洋、湖泊、島嶼、山區(qū)等；移動平臺，如飛機(jī)、遠(yuǎn)洋船舶、高鐵。
（2）應(yīng)急通信：地震、海嘯等災(zāi)害。
（3）廣播業(yè)務(wù)：低速的廣播服務(wù)，如公共安全、應(yīng)急響應(yīng)消息等；廣播，點播多媒體業(yè)務(wù)。
（4）IoT服務(wù)：遠(yuǎn)洋物資跟蹤、偏遠(yuǎn)設(shè)備監(jiān)控、大面積物聯(lián)設(shè)備信息采集；
（5）信令分流：通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳遞控制面的信息。

基于目前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，天地一體化網(wǎng)絡(luò)還需要有如下幾方面問題需要研究解決：傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)與移動通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通問題、衛(wèi)星通信系統(tǒng)本身的技術(shù)突破問題、軌道與頻譜資源分配管理問題、不同衛(wèi)星系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通問題等。

3.3.1.2 水下無線通信（Undersea Communication）

水下無線通信是實現(xiàn)深海遠(yuǎn)洋通信的關(guān)鍵技術(shù)特性，可分為水下無線電磁波通信和水下非電磁波通信（主要包括水聲通信和水下光通信）兩種，它們分別具有不同的特性及應(yīng)用場合。

· 水下無線電磁波通信（Undersea Wireless Electromagnetic Communication）

電磁波是橫波，在有電阻的導(dǎo)體中的穿透深度與其頻率直接相關(guān)。頻率越高，衰減越大，穿透深度越小。反之，頻率越低，衰減相對越小，穿透深度越大。海水是良性的導(dǎo)體，趨膚效應(yīng)較強，電磁波在海水中傳輸時會造成嚴(yán)重的影響，原本在陸地上傳輸良好的短波、中波、微波等無線電磁波在水下由于衰減的厲害，幾乎無法傳播。目前，各國發(fā)展的水下無線電磁波通信主要使用甚低頻（Very Low Frequency，VLF）、超低頻（Super Low Frequency，SLF）和極低頻（Extremely Low Frequency，ELF）三個低頻波段。水下無線電磁波通信主要用于遠(yuǎn)距離的小深度的水下通信場景。

· 水聲通信（Undersea Acoustic Communication）

水聲通信是其中最成熟的技術(shù)。聲波是水中信息的主要載體，己廣泛應(yīng)用于水下通信、傳感、探測、導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域。聲波屬于機(jī)械波（縱波），在水下傳輸?shù)男盘査p小（其衰減率為電磁波的千分之一），傳輸距離遠(yuǎn)，使用范圍可從幾百米延伸至幾十公里，適用于溫度穩(wěn)定的深水通信。水聲信道一個十分復(fù)雜的多徑傳輸?shù)男诺溃噎h(huán)境噪聲高帶寬窄可適用的載波頻率低以及傳輸?shù)臅r延大。為了克服這些不利因素，并盡可能地提高帶寬利用效率，需要進(jìn)一步研究新的技術(shù)方案。例如，多載波調(diào)制技術(shù)、多輸入多輸出技術(shù)。

· 水下無線光通信（Undersea Optical Wireless Communication）

水下激光通信技術(shù)利用激光載波傳輸信息。由于波長450nm～530nm的藍(lán)綠激光在水下的衰減較其他光波段小得多，因此藍(lán)綠激光作為窗口波段應(yīng)用于水下通信。藍(lán)綠激光通信的優(yōu)勢是擁有幾種方式中最高傳輸速率。在超近距離下，其速率可到達(dá)100Mbps級。藍(lán)綠激光通信方向性好，接收天線較小。不過目前藍(lán)綠激光應(yīng)用于淺水近距離通信依然存在如下難點，需要進(jìn)一步研究解決：

（1）散射影響。水中懸浮顆粒及浮游生物會對光產(chǎn)生明顯的散射作用，對于渾濁的淺水近距離傳輸，水下粒子造成的散射比空氣中要強三個數(shù)量級，透過率明顯降低。
（2）光信號在水中的吸收效應(yīng)嚴(yán)重。包括水媒質(zhì)的吸收、溶解物的吸收及懸浮物的吸收等。
（3）背景輻射的干擾。在接收信號的同時，來自水面外的強烈自然光，以及水下生物的輻射光也會對接收信噪比形成干擾。
（4）高精度瞄準(zhǔn)與實時跟蹤困難。淺水區(qū)域活動繁多，移動的收發(fā)通信單元，在水下保持實時對準(zhǔn)十分困難。并且由于激光只能進(jìn)行視距通信，兩個通信點間隨機(jī)的遮擋都會影響通信性能。

3.3.2 無線觸覺網(wǎng)絡(luò)（Wireless Tactile Network）

當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)所涉及的IoT網(wǎng)絡(luò)主要是強調(diào)對萬物的感知與連接，而未來6G網(wǎng)絡(luò)連接的對象將是普遍具備智能的對象，其連接通信關(guān)系不僅是感知，還包括實時的控制與響應(yīng)，即所謂“觸覺互聯(lián)網(wǎng)”^[103]。“觸覺互聯(lián)網(wǎng)”指能夠?qū)崟r傳送控制、觸摸和感應(yīng)/驅(qū)動信息的通信網(wǎng)絡(luò)。IEEE P1918.1標(biāo)準(zhǔn)工作組將觸覺互聯(lián)網(wǎng)定義為一個網(wǎng)絡(luò)或一個網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，用于遠(yuǎn)程訪問、感知、操作或控制感知實時的真實和虛擬對象或過程^[104]。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)僅用于信息內(nèi)容的交互，而觸覺互聯(lián)網(wǎng)將不僅負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程傳遞信息內(nèi)容，同時還包含與傳遞信息內(nèi)容對應(yīng)的遠(yuǎn)程控制與響應(yīng)行為。它將提供從內(nèi)容傳遞到遠(yuǎn)程技能集合傳遞的真正范式轉(zhuǎn)換，從而將可能革命性地改變社會的每個部分^[104-108]。觸覺互聯(lián)網(wǎng)三個關(guān)鍵要素是：物理實時交互（人和機(jī)器以感知的實時方式訪問、操作和控制對象），用于遠(yuǎn)程控制的超實時響應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施，將控制和通信融入一個網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序。

可以設(shè)想未來的物聯(lián)世界：大量的物聯(lián)設(shè)備充滿我們的環(huán)境，執(zhí)行各種傳感任務(wù)；這些設(shè)備可以隨機(jī)部署，以某種有組織的方式部署（例如路邊感應(yīng)），也可以作為普通智能手機(jī)平臺的一部分；然后這些設(shè)備都連接在一起，通過各種復(fù)雜、相互不兼容的通信協(xié)議交換數(shù)據(jù)。這些物聯(lián)設(shè)備/節(jié)點，有些節(jié)點僅具有簡單的感知功能，有些節(jié)點則具有復(fù)雜的智能決策處理功能，還有些節(jié)點負(fù)責(zé)動作響應(yīng)。例如，僅具有感知功能的物聯(lián)設(shè)備構(gòu)成所謂“無線云”（Wireless Cloud），在未來的無線網(wǎng)絡(luò)中，由非常廉價和低能耗的無線物聯(lián)感知節(jié)點組成的密集集群協(xié)作，為其他終端提供透明的通信服務(wù)。無線節(jié)點使用“網(wǎng)絡(luò)感知物理層”（network-aware physical layer）進(jìn)行操作，該層處理它們接收到的疊加信號的混合，并基于壓縮感知的方式從中提取相關(guān)信息以轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。一些主要的應(yīng)用場景可以包括：遠(yuǎn)程機(jī)器人控制、遠(yuǎn)程機(jī)器操作、沉浸式虛擬現(xiàn)實、人際觸覺通信、實時觸覺廣播、汽車和無人機(jī)控制等。可以預(yù)期，6G時代是無所不在的“觸覺互聯(lián)網(wǎng)”，與無所不在的感知對象和/或智能對象進(jìn)行實時傳送控制、觸摸和感應(yīng)/驅(qū)動信息的通信，從而實現(xiàn)“一念天地，萬物隨心”。

實現(xiàn)觸覺互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一是將通信、控制和計算系統(tǒng)組合成一個共享的基礎(chǔ)設(shè)施。通過將移動通信系統(tǒng)作為底層無線網(wǎng)絡(luò)，連同其軟件化和虛擬化的邏輯網(wǎng)元實體，集成為一個（雙向）實時控制環(huán)路，以使預(yù)期的實時控制與網(wǎng)絡(luò)邊緣高效計算能力相結(jié)合^[109]。根據(jù)ITU-T關(guān)于觸覺互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)觀察報告^[110]，我們有必要進(jìn)一步擴(kuò)展無線觸覺網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究，包括引入全新的想法和概念，提高接入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在的余度和分集，以滿足觸覺互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的嚴(yán)格延遲和可靠性要求。觸覺互聯(lián)網(wǎng)仍處于起步階段。為了實現(xiàn)其愿景，需要解決一些開放的研究挑戰(zhàn)。除了波形選擇和魯棒調(diào)制方案等物理層問題外，智能控制面與用戶平面分離/協(xié)調(diào)技術(shù)對于減少信令開銷和空中接口時延至關(guān)重要。為端到端降低時延，有必要深入研究高度自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)和可擴(kuò)展路由算法。另外，對于觸覺互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，安全性是最關(guān)鍵的需求之一，必須要提供有效的保障機(jī)制以增強對惡意行為的防護(hù)。為確保規(guī)避未來可能的風(fēng)險，無線觸覺網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計準(zhǔn)則應(yīng)該是通過授權(quán)輔助人類，而不是自主地替代人類生產(chǎn)新的商品和提供服務(wù)^[111]。

另外，未來6G時代無所不在密集分布的傳感器件將會產(chǎn)生海量的感知信息，從而對無線網(wǎng)絡(luò)容量帶來巨大的挑戰(zhàn)。另外，傳感器件進(jìn)行海量信息采樣處理能力、成本與能耗壓力也是巨大挑戰(zhàn)^[112]。為克服這些海量信息處理需求的挑戰(zhàn)，采用壓縮感知機(jī)制是很好的一個選擇，即無線觸覺網(wǎng)絡(luò)也是壓縮感知機(jī)制使用的最典型場景之一^[113-115]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最直接的目標(biāo)就是收集數(shù)據(jù)。由于傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)有時空相關(guān)性，滿足壓縮感知理論應(yīng)用中信號是稀疏性和可壓縮性的條件，且傳感器節(jié)點資源有限，匯聚節(jié)點性能強大，適用于壓縮感知理論編碼簡單、解碼復(fù)雜的特點，因此，基于壓縮感知的無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）數(shù)據(jù)收集的技術(shù)有了逐步深入和廣泛的研究和發(fā)展。基于壓縮感知機(jī)制的WSN有機(jī)會克服傳統(tǒng)信號采集的問題，有效實現(xiàn)無處不在的無線觸覺網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。以傳感網(wǎng)絡(luò)定位信息為例，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，需要傳感器節(jié)點的位置信息來執(zhí)行位置感知、資源分配和調(diào)度。位置信息也是基于位置的服務(wù)的重要因素。由于位置網(wǎng)格中存在大量的元素，這種方法會產(chǎn)生很高的計算復(fù)雜度。由于目標(biāo)節(jié)點的數(shù)目遠(yuǎn)小于網(wǎng)格中元素的數(shù)目，因此目標(biāo)的位置信息是稀疏的，因此可以使用CS技術(shù)進(jìn)行有效的定位^[116-118]。

4、結(jié)論

本文用四個關(guān)鍵詞概括未來6G愿景：“智慧連接”、“深度連接”、“全息連接”和“泛在連接”，而這四個關(guān)鍵詞共同構(gòu)成“一念天地，萬物隨心”的6G總體愿景。分析了實現(xiàn)6G愿景所面臨的技術(shù)需求與挑戰(zhàn)，包括峰值吞吐量、更高能效、隨時隨地的連接、全新理論與技術(shù)以及一些非技術(shù)性因素的挑戰(zhàn)。然后分類羅列并探討了6G潛在關(guān)鍵技術(shù)：

（1）新頻譜通信技術(shù)，包括太赫茲通信和可見光通信；
（2）基礎(chǔ)性技術(shù)，包括稀疏理論（壓縮感知）、全新信道編碼、大規(guī)模天線及靈活頻譜使用；
（3）專有技術(shù)特性，包括空天地海一體化通信和無線觸覺網(wǎng)絡(luò)。

6G愿景讓人心潮澎湃，6G關(guān)鍵候選技術(shù)充滿挑戰(zhàn)。6G網(wǎng)絡(luò)最終將提供每秒太比特速率，支撐十年后（2030年～）平均每人1000+無線節(jié)點的連接，并提供隨時隨地的即時全息連接需求。未來將是一個完全的數(shù)據(jù)驅(qū)動的社會，人與萬物被普遍地、近乎即時（毫秒級）地連接，構(gòu)成一個不可思議的完全連接的烏托邦世界。