北美通往6G的愿景和時間表

因為通信和傳感技術(shù)的進步、通信和計算的融合、硬件密度和數(shù)據(jù)吞吐量的更高目標，以及通過自動化和原生人工智能能力進行更快速的決策，6G代表了通信領(lǐng)域的一種新范式。Alliance for Telecommunications Industry Solutions（電信行業(yè)解決方案聯(lián)盟，ATIS）是3GPP的北美合作伙伴，oneM2M全球倡議的創(chuàng)始合作伙伴，國際電信聯(lián)盟（ITU）成員，以及美洲電信委員會（CITEL）成員。

ATIS的“Next G Alliance”旨在通過私營部門主導(dǎo)的努力，在未來十年提升北美無線技術(shù)的領(lǐng)先地位，工作將涵蓋研發(fā)、制造、標準化和市場準備的整個生命周期。ATIS在2022年2月發(fā)布《Next G Alliance Report: Roadmap to 6G》報告，內(nèi)容包括北美6G目標、愿景、生命周期路線圖、時間表和關(guān)鍵技術(shù)等。本文翻譯相關(guān)部分內(nèi)容，供國內(nèi)同行參考。

（一）北美6G目標

Next G Alliance的最終目標是在本世紀末將6G打造成一個強大的北美和全球市場。在從研究到實現(xiàn)的整個生命周期中，北美私營部門和公共部門之間的合作有助于實現(xiàn)關(guān)鍵的社會目標，如為未來的勞動力創(chuàng)造條件和縮小數(shù)字鴻溝。

到本世紀末，北美在6G領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位將產(chǎn)生：

a）在從研究到商業(yè)化的整個生命周期中，跨行業(yè)、政府和學(xué)術(shù)界進行更強大的工作協(xié)作；

b）一個強大的市場，使用創(chuàng)新的應(yīng)用程序和技術(shù)，在新的數(shù)字世界中連接社會；

c）增加對部署進步技術(shù)的所有權(quán)，實現(xiàn)6G愿景。

Next G Alliance確定了六大具體目標，這些目標描述了北美在6G未來全球標準、部署、產(chǎn)品、運營和服務(wù)方面的貢獻和領(lǐng)導(dǎo)地位的最高優(yōu)先事項。這些優(yōu)先事項考慮了整個北美的社會和經(jīng)濟需求，以及北美將為世界其他地區(qū)做出貢獻的技術(shù)優(yōu)勢，如圖1所示。

圖1 Next G Alliance六大目標

（1）信任、安全和彈性：未來的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該得到提升，以使人們、企業(yè)和政府完全相信未來的網(wǎng)絡(luò)具有彈性、安全性、隱私保護性、安全性、可靠性，并且在任何情況下都可用。

（2）數(shù)字世界體驗：增強的體驗包括多感官體驗，以實現(xiàn)人類協(xié)作的變革形式，以及將改變工作、教育和娛樂的人機交互，從而提高生活質(zhì)量并創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟價值。

（3）經(jīng)濟高效的解決方案：應(yīng)涵蓋網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的所有方面，包括設(shè)備、無線接入、蜂窩站點回程、整體分布和能源消耗。在各種環(huán)境（包括城市、農(nóng)村和郊區(qū)）中提供服務(wù)，同時還支持提高數(shù)據(jù)速度和未來網(wǎng)絡(luò)預(yù)期的服務(wù)。容量的增加必須與效率的提高相抵消，通過更節(jié)能的組件和系統(tǒng)架構(gòu)降低網(wǎng)絡(luò)的總體功耗。頻譜必須在所有頻率范圍內(nèi)變得更加可用，包括低頻、中頻、毫米波，甚至太赫茲/亞太赫茲。解決方案必須基于開放的、可互操作的體系結(jié)構(gòu)，以提高效率，并以經(jīng)濟高效的方式靈活地支持各種服務(wù)和部署。

（4）分布式云和通信系統(tǒng)：基于虛擬化技術(shù)的構(gòu)建將提高關(guān)鍵用例的靈活性、性能和恢復(fù)能力，如MR、URLLC應(yīng)用程序、交互式游戲和多感官應(yīng)用程序。

（5）人工智能原生網(wǎng)絡(luò)：為了提高無線和云技術(shù)的穩(wěn)健性、性能和效率，以應(yīng)對更多樣化的流量類型、超密集的部署拓撲和更具挑戰(zhàn)性的頻譜情況，需要一種新的解決方案。人工智能原生6G系統(tǒng)將利用人工智能技術(shù)（如ML、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）來設(shè)計、部署、管理和操作各種網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備功能。

從OSI分層的角度來看，AI/ML可以應(yīng)用于通信系統(tǒng)的所有層。在物理層，從信道編碼到數(shù)字預(yù)失真和接收機處理的端到端優(yōu)化，可以通過基于自動編碼器的深度學(xué)習(xí)方法或類似方法實現(xiàn)；在MAC層和無線資源管理（RRM）層，AI/ML可用于學(xué)習(xí)適應(yīng)特定業(yè)務(wù)模型的高效新信令協(xié)議；在網(wǎng)絡(luò)運營和管理層，預(yù)計會有很多應(yīng)用，例如負載均衡、節(jié)能優(yōu)化、干擾管理和緩解、異構(gòu)頻段的頻譜共享和協(xié)調(diào)、切換優(yōu)化和天線調(diào)諧；最后，雖然AI/ML引入了信任問題，但AI/ML在實現(xiàn)安全和隱私方面也顯示出巨大的潛力，例如，人工智能可以提供安全服務(wù)，如用戶身份驗證、訪問控制、異常檢測和攻擊檢測。

（6）可持續(xù)性：與能源效率和環(huán)境有關(guān)的內(nèi)容必須放在整個生命周期決策前沿，朝著實現(xiàn)IMT 2040碳中和的目標。將從根本上改變電力用于支持下一代通信和計算機網(wǎng)絡(luò)，同時加強信息技術(shù)在保護環(huán)境中的作用。

（二）北美6G愿景

北美6G愿景是2030年及以后的國際移動通信（IMT）系統(tǒng)將被開發(fā)為全球標準，以更好地滿足世界各大洲的通信需求。具體愿景包括：

a）到2030年，消費者將對幾乎所有的日?；顒赢a(chǎn)生額外期望，從而提高用戶和社會對可靠和可信網(wǎng)絡(luò)的需求；

b）6G數(shù)字世界體驗將現(xiàn)實延伸到物理、數(shù)字和生物領(lǐng)域，通過多維、多方和多感官技術(shù)創(chuàng)造世界；

c）為城市、農(nóng)村和室內(nèi)環(huán)境提供經(jīng)濟高效的覆蓋不僅取決于部署的技術(shù)，還取決于商業(yè)模式和政策的創(chuàng)新；

d）通信、計算、分布式云和虛擬化技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要驅(qū)動力，也是北美可以利用的生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢；

e）6G無線系統(tǒng)將從系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)一開始就采用人工智能，大大提高系統(tǒng)的魯棒性、性能和效率；

f）北美期望在組件設(shè)計和制造、先進數(shù)據(jù)建模和優(yōu)化、高效節(jié)能無線電技術(shù)和碳中和的數(shù)據(jù)中心設(shè)施方面做出重要貢獻。Next G Alliance提出6G愿景的三級框架，如圖2所示。

圖2 Next G Alliance提出6G愿景的三級框架

（1）國家要務(wù)：包括數(shù)字權(quán)益、可持續(xù)性、生活質(zhì)量、制造業(yè)和供應(yīng)鏈、勞動力發(fā)展、保護數(shù)據(jù)和隱私。描述推動每個目標的社會、經(jīng)濟和政府因素，以及6G與5G相比將實現(xiàn)的變化，并從北美的角度描述了獨特的需求和領(lǐng)導(dǎo)機會。

（2）應(yīng)用和市場：包括沉浸式應(yīng)用、全息服務(wù)、面向服務(wù)的機器人、數(shù)字世界體驗、環(huán)境智能、數(shù)字孿生。描述實現(xiàn)愿景并考慮與相鄰產(chǎn)業(yè)和團體的依賴性。

（3）技術(shù)開發(fā)：包括分布式云與計算、零接觸自動化、感知和定位、太赫茲/亞太赫茲、零能量設(shè)備、人工智能原生、高級天線封裝。確定實現(xiàn)每個目標所需的新技術(shù)領(lǐng)域，并解釋為什么單憑5G技術(shù)無法實現(xiàn)這些目標。還確定了關(guān)鍵績效指標，以設(shè)定技術(shù)目標的成功標準。

（三）北美6G生命周期路線圖

6G的生命周期包括研究計劃、開發(fā)和制造、標準領(lǐng)先、市場準備、商業(yè)化，以及6G系統(tǒng)的最終演變和新功能，如圖3所示。

圖3 Next G Alliance生命周期路線圖

基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)研究的目的是更好地理解自然規(guī)律，并將其分別應(yīng)用于解決技術(shù)問題。為了提升北美的領(lǐng)導(dǎo)地位，將應(yīng)用研究機會和優(yōu)先事項與6G商業(yè)化目標聯(lián)系起來非常重要。

在開發(fā)和制造周期內(nèi)，6G實驗開發(fā)是一項系統(tǒng)性工作，這一步包括概念開發(fā)、原型設(shè)計和技術(shù)演示，為6G產(chǎn)品的開發(fā)和相關(guān)流程奠定基礎(chǔ)。產(chǎn)品和流程開發(fā)周期涉及子系統(tǒng)或系統(tǒng)范圍內(nèi)的實施、測試和試驗，最終導(dǎo)致6G設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的生產(chǎn)和市場引入，以實現(xiàn)6G系統(tǒng)的廣泛部署和商業(yè)運營。

在這一階段，行業(yè)和政府之間的早期合作可以在國內(nèi)制造業(yè)、研發(fā)稅收抵免和創(chuàng)業(yè)激勵等領(lǐng)域激勵私營部門，促進更安全可靠的6G供應(yīng)鏈。6G技術(shù)標準化、開發(fā)和商業(yè)化將受益于基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究階段取得的先前科學(xué)進展，以及實驗開發(fā)中的相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)組件試驗。

根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，標準化用于開發(fā)6G的最佳技術(shù)。標準化建立在利益相關(guān)方之間的合作基礎(chǔ)上，這些利益相關(guān)方致力于在協(xié)商一致的基礎(chǔ)上制定技術(shù)規(guī)范。標準化是對基于市場競爭的補充，通常是為了實現(xiàn)目標，如補充產(chǎn)品/服務(wù)的互操作性、商定的測試方法、功能要求和非功能要求（如安全、健康、環(huán)境性能等）。

為了實現(xiàn)全球互操作性，國際論壇（如ITU和3GPP）對移動系統(tǒng)進行了規(guī)定和標準化。國際電聯(lián)的做法是由外部組織和成員提交其6G技術(shù)提案供審議。預(yù)計6G系統(tǒng)的主要技術(shù)規(guī)格將在3GPP中完成，以最大限度地實現(xiàn)全球協(xié)調(diào)。北美在6G規(guī)范和標準的制定中發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用至關(guān)重要。

6G系統(tǒng)的開發(fā)預(yù)計將與標準化工作的各個階段并行進行；試驗臺和試驗可用于驗證標準化過程中做出的技術(shù)選擇，并獲得實施選項的經(jīng)驗。此外，在部署和商業(yè)運營期間，6G系統(tǒng)的發(fā)展將產(chǎn)生新的服務(wù)需求，并投入到研究、創(chuàng)新和開發(fā)生命周期中。

6G開發(fā)和標準化的進展應(yīng)該導(dǎo)致一個積極的市場準備階段，在這個階段，政策和激勵創(chuàng)新可以為一個強大的6G市場奠定基礎(chǔ)。面向市場的頻譜政策和廣泛部署6G的激勵措施將為快速商業(yè)化和部署奠定基礎(chǔ)。行業(yè)和政府必須在政策和行動上進行合作，為6G提供強大的市場準備。

（四）北美6G時間表

SDO、3GPP、ITU和其他感興趣的組織正在開發(fā)6G時間表。ITU-R工作組5D（IMT系統(tǒng)）負責(zé)IMT（國際移動通信）系統(tǒng)的總體規(guī)劃，并根據(jù)SDO、規(guī)范組和行業(yè)的輸入制定時間表。

Next G Alliance于2021年10月向ITU-R工作組5D（IMT系統(tǒng)）提供了其對擬議的ITU“IMT展望2030年及以后”（6G）時間表的看法。ITU將繼續(xù)討論總體時間表，并計劃于2023年7月完成“IMT展望2030年及以后”建議。圖4描述了該建議的總體過程，與IMT-2000、IMT Advanced和IMT-2020的過程一致。圖中的綠色方框表示已在進行的工作；藍色框表示計劃進行的工作。

“技術(shù)趨勢報告”為整體技術(shù)支持因素/概念奠定了基礎(chǔ)，計劃于2022年年中完成。IMT“100GHz以上可行性報告”計劃于2023年年中完成。

IMT愿景建議計劃于2023年年中結(jié)束，為最終“ITU-R關(guān)于IMT-2030及以后的建議”提供總體指導(dǎo)。ITU-R WP 5D時間表建議從2024年開始制定技術(shù)性能要求（待定）。這些要求用于希望向ITU-R WP 5D提交技術(shù)組織的評估標準和方法。2026年的時間框架（TBC）中提出了一個“IMT邁向2030年及其后”研討會，該研討會基本上啟動了技術(shù)提交流程。

技術(shù)建議書的提交過程計劃于2027年開始。該過程包括提交文件的時間段、評估期。在建立共識期間，可以合并/融合/協(xié)調(diào)提案，以簡化和澄清最終建議。然后，該建議將在2030年的時間框架（TBC）內(nèi)獲得批準。6G時間表尚未在3GPP中正式討論，因此，本報告不包括6G的3GPP時間表。如果3GPP或其他組織的時間表改變，這些變化將需要傳達給ITU，以便ITU可以考慮對其時間線進行任何潛在的調(diào)整。

圖4 Next G Alliance提出的“IMT邁向2030年及以后”時間表

（五）6G關(guān)鍵技術(shù)

6G關(guān)鍵技術(shù)包括組件技術(shù)、無線電技術(shù)、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)（SNA）、運營/管理/維護（OAM）/服務(wù)支持（SE）、可信度。

（1）組件技術(shù)半導(dǎo)體技術(shù)，硅和III-V半導(dǎo)體是候選技術(shù)，SiGe和InP的進步有望實現(xiàn)1THz以上的性能。電路和子系統(tǒng)，涵蓋了6G收發(fā)器，包括前端（PA、LNA等）、上/下轉(zhuǎn)換、模擬基帶、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、電源管理，以及所有6G頻段的數(shù)字電路。需要研究新的收發(fā)器架構(gòu)、電路拓撲，以及CMOS和非CMOS（如III-V）技術(shù)中的新設(shè)計方法，以實現(xiàn)6G的高速率通信，同時更經(jīng)濟、更可持續(xù)。天線、封裝和測試，集成電路、無源器件（濾波器、電感器、電容器、匹配和調(diào)諧/開關(guān)元件）和天線等子組件需要在非常接近的位置共同封裝到子組件和模塊中，以滿足6G技術(shù)要求。需要評估新的封裝、重新分布和互連技術(shù)。

（2）無線電技術(shù)用于頻譜擴展和效率的無線電技術(shù)，包括太赫茲/亞太赫茲、mmWave增強功能、頻譜共享、高級MIMO技術(shù)、高級雙工方案、波形/編碼/調(diào)制/多址。人工智能和分布式云的無線電技術(shù)，包括AI原生空口、跨設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)分布式計算和智能的空口。用于綠色通信的無線電技術(shù)，包括綠色網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備節(jié)能、零能耗通信、超低分辨率通信系統(tǒng)。先進拓撲和網(wǎng)絡(luò)的無線電技術(shù)，需要研究與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)無線電技術(shù)、設(shè)備對設(shè)備通信、協(xié)作通信、非地面通信和極端網(wǎng)絡(luò)無線電相關(guān)的新要求。還需要研究增強工業(yè)領(lǐng)域6G應(yīng)用的無線電技術(shù)。聯(lián)合通信和感知無線電技術(shù)（Joint Communications and Sensing，JCS），JCS的無線電技術(shù)將涉及MIMO感知、RIS輔助感知、RF感知、以UE為中心的感知、以基站為中心的感知、協(xié)作感知、雙工方案、新波形、通信和感知之間的頻譜共享。

（3）系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)（SNA）網(wǎng)絡(luò)拓撲，將超越傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，支持多樣化和集成的網(wǎng)絡(luò)拓撲，以解決廣泛的用例和部署場景。預(yù)計它還將繼續(xù)支持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。此外，預(yù)計未來的用戶可能不僅包括地面設(shè)備，還包括無人機和飛機。網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，需要更大的部署靈活性。分布式云計算，將計算和數(shù)據(jù)視為通信系統(tǒng)中的資源，需要新的概念來處理相關(guān)問題。不僅要考慮通信，而且必須考慮在請求和響應(yīng)之間必須發(fā)生的計算。通信、計算和數(shù)據(jù)之間的緊密集成有望在廣域系統(tǒng)中實現(xiàn)分布式云。除通信平面服務(wù)和資源外，計算平面和數(shù)據(jù)平面資源和服務(wù)有望成為6G系統(tǒng)的組成部分。網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備中的人工智能，在6G網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備中，已經(jīng)確定了許多AI/ML可以增強和優(yōu)化的功能。這方面的例子包括：基于人工智能的PHY/MAC、人工智能輔助移動、人工智能優(yōu)化的資源分配、用于編排的人工智能、人工智能安全等。

（4）運營、管理、維護（OAM）和服務(wù)支持（SE）用于自動化的服務(wù)管理/協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)管理和基于AI/ML的智能網(wǎng)絡(luò)控制器，6G將把網(wǎng)絡(luò)OA&M從手動控制轉(zhuǎn)變?yōu)楣逃械闹悄芰憬佑|操作，人工智能可以內(nèi)置到網(wǎng)絡(luò)本身的設(shè)計中，以支持本地端到端人工智能。6G網(wǎng)絡(luò)還可以在與數(shù)據(jù)準備、建模、AI操作、策略/意圖實施和數(shù)據(jù)收集相關(guān)的領(lǐng)域支持AI/ML生命周期管理。突發(fā)事件和災(zāi)害場景中的公共安全，允許6G系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、設(shè)施和客戶端的安全發(fā)現(xiàn)，安全代理服務(wù)，實現(xiàn)安全可靠的地理定位，并確保體驗質(zhì)量（QoE）。商業(yè)服務(wù)融合的技術(shù)促成因素，技術(shù)使能器允許組織協(xié)調(diào)、同步、集成、可視化、聯(lián)合和分析數(shù)據(jù)，以推動數(shù)字轉(zhuǎn)換和開發(fā)新的增值服務(wù)。未來的研究領(lǐng)域是安全通信和分布式云服務(wù)等公共服務(wù)的共享基礎(chǔ)編排器技術(shù)。節(jié)能綠色網(wǎng)絡(luò)，6G應(yīng)提供監(jiān)控能源消耗、分析和控制的工具，以降低整個網(wǎng)絡(luò)的能源消耗。使能技術(shù)包括零接觸網(wǎng)絡(luò)自動化、基于人工智能的節(jié)能網(wǎng)絡(luò)運行解決方案和部署。

（5）可信度通信安全，量子計算的預(yù)期進展意味著6G系統(tǒng)的設(shè)計和部署必須為后量子安全時代做好準備。今天大部分的公鑰密碼基礎(chǔ)設(shè)施將需要被后量子密碼（PQC）所取代，以確保算法能夠抵抗量子計算機進行的密碼分析。除了將量子計算視為一種威脅之外，它還可以通過量子密鑰分發(fā)（QKD）、量子密碼（QC）技術(shù)來增強安全性。系統(tǒng)可靠性，面對故障（軟件和硬件）、攻擊（惡意和意外）和災(zāi)難（人為或自然），6G系統(tǒng)必須在可靠性和可用性方面可靠。保護數(shù)據(jù)和隱私，需要研究保密計算和存儲技術(shù)，以解決如何在分布式云和通信環(huán)境中訪問和保護數(shù)據(jù)、算法和專有人工智能模型。這可能需要使用區(qū)塊鏈、信任鏈和安全環(huán)境等技術(shù)。

作者：吳冬升博士

吳冬升，東南大學(xué)博士?，F(xiàn)任高新興科技集團股份有限公司高級副總裁、粵港澳大灣區(qū)自動駕駛產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長、廣州車路協(xié)同產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟理事、廣州市智能網(wǎng)聯(lián)汽車示范區(qū)運營中心理事等。致力于5G、智能網(wǎng)聯(lián)、自動駕駛、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的研究與應(yīng)用創(chuàng)新。省市級期刊發(fā)布論文數(shù)十篇，主編《5G與車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》等書籍，參與編寫《廣州市智能網(wǎng)聯(lián)汽車與智慧交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2020）》等。