在国内,各高校和企业结合4G和5G研发的经验,较早开始了6G的布局,我国的研发进展基本和全球保持同步,并取得了阶段性的进展,为整个6G的领先发展奠定了较好的基础。我国“十四五”规划明确提出要前瞻布局6G网络技术储备,在相关部委的指导部署下,正在制定相关发展规划,将持续加大6G前瞻技术研究的投入,系统布局6G的研发工作。虽然科学技术部成立了6G推进组,工业和信息化部成立了IMT-2030推进组并组织国内开展6G研究,但由于缺乏必要的资金牵引和支持,我国6G研究还未形成系统性的布局,基本处于企业和高校自发状态,缺乏整体性和系统性,亟须相关部委启动03专项的接续工作,体系化组织开展6G的关键技术攻关。
作为全球规模最大的运营商,中国移动通信集团有限公司(简称中国移动)自2018年开始5G演进技术的研究,并在2019年正式启动6G项目,2021年5月成立未来研究院,面向新一代信息通信技术和泛信息科学的融合,持续加大投入,广泛联合各方,围绕6G技术布局已经取得初步成效。
1.中国移动对6G愿景和需求的探索
2019年9月,在北京邮电大学举办的6G研讨会上,中国移动首次提出“数字孪生、智慧泛在”的6G社会发展愿景 [2-4] ,如图4-2所示,全面梳理了2030年后6G的全新应用场景,如图4-3所示,包括孪生体域网、超能交通、通感互联网、智能交互等,总结出“业务需求的多样化、覆盖的立体化、交互形式和内容的多样化、业务的开放化和定制化、通信/计算/AI/安全的融合化等业务发展新趋势,并提出按需服务、至简网络、柔性网络、智慧内生和安全内生的6G网络特征构想,如图4-4所示。
1)《2030+愿景与需求白皮书》
2019年11月,在中国移动合作伙伴大会期间,中国移动通信有限公司研究院(简称中国移动研究院)正式发布《2030+愿景与需求白皮书》 [5] ,系统性地总结了“数字孪生、智慧泛在”的社会发展愿景,围绕智享生活、智赋生产和智焕社会,全面提炼面向2030年的全新业务和应用场景,并推导出不同业务和应用场景的技术需求指标体系及其使能技术,如图4-5所示。《2030+愿景与需求白皮书》提出,6G网络将具有按需服务、至简网络、柔性网络、智慧内生、安全内生等多个特征。
图4-2 6G社会发展愿景
图4-3 2030年后6G的全新应用场景
图4-4 6G网络特征构想
图4-5 不同业务和应用场景的技术需求指标体系及其使能技术
(1)按需服务:网络动态预测和感知用户的业务需求与所处的网络环境,个性化地按需配置网络的底层资源、参数、功能和能力,最佳地满足用户个性化需求,为用户提供极致性能服务。基于按需服务的网络将提供动态的、极细粒度的服务能力供给,用户可根据自身需求获得相应的服务种类、服务等级以及不同服务的自由组合等。此外,当用户需求发生改变时,按需服务网络可无缝切换服务方式和内容,实现网络服务能力与用户需求的实时精准匹配,为用户带来极致无差异化的性能体验,如图4-6所示。
图4-6 按需服务
(2)至简网络:随着网络规模的不断扩展和复杂度的与日俱增,须对蜂窝网络架构进行革新和极简化,实现“架构至简、管理至简和传输至简”。自然界中蚂蚁窝的体积相对单只蚂蚁的比例极大,它们却能够在不断构建扩展蚂蚁窝规模时保障蚁群的高效分工和蚂蚁窝的连通,由此启发我们从仿生学角度去思考未来6G网络的结构设计。移动通信在网络覆盖上启发自蜂窝,在未来架构演进上或许可以从蚂蚁窝等获得灵感,进一步实现网络的四通八达,信息的快速传递,还可以按照用户需要自然生长、自动演进,如图4-7所示。
图4-7 至简网络
(3)柔性网络:使能网络按需扩展并实现网络功能的自我演进,实现“按需伸缩,自主进化”。传统网络是按照所支持的最大容量进行设计和规划的,而用户需求和网络负载则由于用户移动带来的潮汐效应而动态变化。因此,传统网络的性能无法适应业务需求和负载的变化。面向2030年的网络需要考虑全新的设计手段:全软件定义的端到端网络、网络协议的前向兼容性设计、去小区的网络结构,以用户为中心实现网络自治与自演进。
(4)智慧内生:智慧内生将实现AI能力的全网渗透,实现“网络无所不达,算力无处不在,智能无处不及”。通过网络与计算深度融合形成的基础设施,为AI提供无处不在的算力,从而实现无所不及的泛在智能 [6] 。基于智慧内生的网络,基于AI及大数据能力,支持网络的高度自治,实现零接触(Zero Touch)运维。智慧内生还可以通过自聚焦的方式,有效满足不断出现的新需求,使能资源管理的智慧决策,降低成本并提高效率,实现数字化转型 [7] ,如图4-8所示。
图4-8 智慧内生
(5)安全内生:基于安全内生的网络实时监控安全状态并预判潜在风险,抵御攻击与预测危险相结合,从而实现智能化的内生安全,即“风险预判,主动免疫”。智能共识,通过网络连接的智能主体间的交互和协同形成共识,并基于共识来排除干扰,为信息和数据提供高安全等级的支持。智能防御,基于AI和大数据技术,精准部署安全功能并优化安全策略,实现主动的纵深安全防御。可信增强,使用可信计算技术,为网络基础设施、软件等提供主动免疫功能,增强基础平台的安全水平。泛在协同,通过端、边、管、云的泛在协同,准确感知整个系统安全态势、敏捷处置安全风险。该网络将实现由互联网安全向网络空间安全的全面升级,如图4-9所示。
图4-9 安全内生
此外,白皮书还提出以“创新、协调、绿色、开放、共享”为内涵的6G发展理念,并且根据4G和5G发展的经验,对整个6G发展的时间表做出研判,如图4-1所示,整个6G研发大概将分为两个阶段,具体内容见4.1节。
2)《2030+愿景与需求白皮书2.0》
2020年11月,在中国移动合作伙伴大会上,中国移动研究院发布《2030+愿景与需求白皮书2.0》 [8] 、《2030+技术趋势白皮书》 [9] 和《2030+网络架构展望白皮书》 [10] 。《2030+愿景与需求白皮书2.0》在上一个版本的基础上,进一步详细推导出各个典型应用场景的技术指标需求,首次系统地提出6G移动通信网络需要提供除通信连接之外的计算、AI、感知和安全能力,并形成6G的技术指标和能力体系雷达图,如图4-10所示。
《2030+技术趋势白皮书》概述了移动通信网络的未来技术发展趋势,具体内容如下。
(1)全频谱通信:从整个6G移动通信网络的部署来看,需要综合考虑成本、需求和业务体验,分场景有效地使用所有可用的频率资源,6GHz以下、毫米波、太赫兹、可见光等,实现各个频段的动态互补,以优化全网整体服务质量、降低网络能耗。例如,6GHz以下的频段提供无缝的网络覆盖,毫米波、太赫兹和可见光频段将会在局域和短距离场景按需部署和动态开关,在提供更大容量和更高速率的同时,尽可能降低网络能耗和部署成本。
(2)空天地一体:为满足无人机、飞机、轮船等的互联网连接需求,以及即时抢险救灾、无人区探测、远洋集装箱信息追踪等社会治理领域的无线连接需求,需要构建空天地一体化网络来拓展地面网络的覆盖范围,形成全球全域“泛在覆盖”的通信网络,包括不同轨道卫星构成的天基、各种空中飞行器构成的空基以及卫星地面站和传统地面网络构成的地基三部分;面向6G的空天地一体化技术将卫星通信与地面网络深度融合,显著提高空口接入能力和立体覆盖能力,如支持星上再生模式以减少地面协作站的部署,构建高低轨卫星共存的多维度异构网络,实现多元平台功能柔性分割和网络智能可重构设计,通过多星多维、星间协作或星地协作实现资源协作调度和星地无缝漫游,为用户提供无感知的一致性服务,确保网络韧性健壮以及资源绿色节约。
图4-10 6G的技术指标和能力体系雷达图
(3)DOICT融合:6G是通信技术(Communication Technology,CT)、信息技术(Information Technology,IT)、数据技术(Data Technology,DT)、控制技术(Operation Technology,OT)深度融合的新一代移动信息系统,呈现出极强的跨学科、跨领域发展特征。DOICT融合将是6G端到端信息处理和服务架构的核心特征,将在大数据流动的基础上实现云、网、边、端、业深度融合,提升各方资源利用效率,协同升级云边计算能力、网络能力、终端能力和业务能力。
(4)通信−感知−计算一体化:在信息传递过程中,同步执行信息采集与信息计算的端到端信息处理技术框架,将打破终端进行信息采集、网络进行信息传递和云边进行计算的烟囱式信息服务框架,是提供无人化、沉浸式和数字孪生等感知通信计算高度耦合业务的必要手段。通信−感知−计算一体化具体分为功能协同和功能融合两个层次:在功能协同框架中,感知信息可以增强通信能力,通信可以扩展感知维度和深度,计算可以进行多维数据融合和大数据分析,感知可以增强计算模型与算法性能,通信可以带来泛在计算,计算可以实现超大规模通信;在功能融合框架中,感知信号和通信信号可以一体化波形设计与检测,共享一套硬件设备。感知与计算融合成算力感知网络,计算与网络融合实现网络端到端可定义和微服务架构。通信−感知−计算一体化的应用场景包括无人化业务、沉浸式业务和数字孪生业务等。
《2030+技术趋势白皮书》还从基础传输技术、协议与架构设计以及自治网络技术三个方面,对未来无线接入网潜在关键技术进行分析,包括变换域波形、分布式大规模MIMO、超奈奎斯特传输技术、RIS、物理层AI、服务化RAN、即插即用的链路接入、自适应空口的QoS控制、网络架构轻量化、基于数字孪生的网络自治、三层四面的网络架构等。
《2030+网络架构展望白皮书》指出,6G网络将在如下几个方面产生变革:
(1)面向全场景的泛在连接、向分布式范式演进;
(2)面向统一接入架构的至简网络;
(3)与实体网络同步构建数字孪生网络;
(4)具备自优化、自生长和自演进能力的自治网络;
(5)解决确定性时延核心问题;
(6)通信和计算融合的算网一体网络;
(7)资源按需、服务随选。
同时,《2030+网络架构展望白皮书》提出了面向2030+网络架构需思考的五个命题,希望能启发业界关于6G网络架构研究的思考。
(1)什么是6G网络的体系结构?
(2)如何支持无源通信的全新万物互联?
(3)认知智能时代,网络如何实现“智能内生”?
(4)开源技术会对6G网络架构产生何种影响?
(5)分布式与中心化如何协同统一?
2.中国移动与高校的6G联合研究
2020年5月30日,中国移动研究院联合北京邮电大学成立由中国工程院院士张平领衔指导的北京邮电大学−中国移动研究院联合创新中心,围绕6G的无线接入关键技术、无线信道测量与建模、网络架构、新业务、新天线和6G试验验证平台样机开发等开展联合研究。2021年12月10日,联合创新中心召开首次6G研发成果发布会,发布《面向6G的可见光通信系统白皮书》 [11] 和《基于AI的联合信源信道编码白皮书》 [12] ,并展示了联合创新中心的6G原型系统,包括太赫兹信道测量平台、可见光通信平台、算力网络平台、联合信源信道编码平台、6G通用系统级与链路级基础仿真平台和可见光原型样机平台。其中,联合信源信道编码平台是进一步获取系统数据速率和效率提升的探索平台;算力网络平台可赋能网络的计算新特性;太赫兹信道测量平台可进一步探索6G潜在可用带宽、更高频点下的频谱特性;6G通用系统级与链路级基础仿真平台可高效支撑各项6G候选技术的性能和可行性评估。《面向6G的可见光通信系统白皮书》介绍了创新中心研发的可见光通信技术和试验系统,实现了1Gbps的通信速率。《基于AI的联合信源信道编码白皮书》介绍了创新中心研究团队提出的基于AI的联合信源信道编译码设计方案,并对其中的关键技术进行了分析和讨论。
2020年11月13日,中国移动研究院联合清华大学成立由中国科学院院士陆建华领衔的清华大学−中国移动联合研究院,下设6G研究中心,围绕空天地一体化、语义通信、可重构计算架构、自治网络架构、无线光融合组网等技术开展联合研究。
2021年6月22日,中国移动研究院联合东南大学成立东南大学−中国移动研究院联合创新中心,下设由中国科学院院士崔铁军领衔指导的电磁超材料中心,以及由东南大学教授尤肖虎和洪伟领衔指导的宽带移动通信中心,分别围绕电磁超材料 [13] 在无线通信中的应用、超大规模MIMO、高性能毫米波收发机架构、可见光通信和THz样机系统开展联合研究。
中国移动和崔铁军院士团队在信息超材料领域深度合作,共同探究信息超材料的电磁传播特性,在IMT-2030(6G)推进组和未来移动通信论坛联合牵头相关研究项目,探索智能超表面的两大应用方向,包括智能反射面和超材料基站。针对技术及产业成熟度相对较高的智能反射面,中国移动结合网络运营经验提出了三阶段发展思路:第一阶段实现无源静态反射面,可快速部署并满足弱覆盖场景中扩展网络覆盖和补盲的需求;第二阶段实现半静态可控反射面,通过器件单元调控实现波束选择,扩展超表面波束覆盖范围、提升小区容量和速率;第三阶段实现动态智能反射面,通过编码算法动态跟踪用户位置、匹配信道环境,从而实现6G的电磁波传播智能调控。其中,前两个阶段产品经技术验证成熟后有望在5G网络部分场景中率先部署。
2021年7月,东南大学−中国移动研究院联合创新中心联合杭州钱塘信息有限公司在南京移动的5G现网完成业界首次电磁单元器件可调、波束方向可灵活控制的智能超表面(Reconfigurable Intelligence Surface,RIS)外场技术验证。
RIS是信息超材料在移动通信领域的重要应用,其基本原理是通过数字编程的方式控制超材料的电磁特性,改变空间电磁波的漫反射,实现对空间电磁波的智能调控与波束赋形,并且具有低功耗、低成本等特点,有望成为未来移动通信网络的重要基础设施。RIS的技术原理如图4-11所示,RIS的部署场景如图4-12所示,RIS在5G现网测试中使用的设备和测试现场如图4-13所示。
初步测试结果表明,RIS可根据用户分布,灵活地调整反射信号的波束方向,显著改善现网弱覆盖区域的信号强度、网络容量和用户速率。在室外测试场景下,小区边缘覆盖平均提升3~4dB,边缘用户吞吐量提升10倍以上;在室外覆盖室内测试场景下,室内覆盖提升约10dB,用户吞吐量提升至2倍左右。
前期试验测试结果初步验证了RIS的可行性,但距离标准化和实际工程应用仍面临四个方面的挑战。
图4-11 RIS的技术原理
图4-12 RIS的部署场景
图4-13 RIS在5G现网测试中使用的设备和测试现场
一是基础理论不完善,RIS的反射和透射特性有待明确,信道传输模型不完善,缺少在实际传输环境下的建模。
二是关键技术亟须突破,同频和邻频干扰特性、运营商之间干扰协调、波束赋形和信道估计算法等有待研究和完善。
三是器件成熟度和可靠性较低,目前业界的RIS为原型样机,可调角度受限、器件调控速率不高,单元结构数量庞大且难以快速定位和识别单元故障。
四是应用部署受限,RIS尺寸和面积较大,有源及有线控制都会限制其应用场景,需进一步优化工程设计,提升部署灵活度。
针对上述挑战,中国移动自2019年开始着力RIS的基础理论和关键技术研究,针对RIS的电磁调控特性与信道模型、基站与智能反射面的联合波束赋形与信道估计算法、智能反射面无线控制等提出了系列解决方案,并积极开展RIS的硬件架构攻关。后续,依托东南大学−中国移动研究院联合创新中心继续完善RIS的系统方案设计,面向更丰富的部署场景以及更高频段开展更全面的技术试验,推动RIS技术尽早在移动通信网络中得到应用。
3.中国移动6G联合创新成果
2022年2月15日,中国移动举办“遇见未来”6G联合创新成果发布会(后称发布会)。在发布会上,中国移动全面展示了和业界合作伙伴近期的联合研发成果,包括一系列的6G原型样机。
(1)2.6GHz/26GHz RIS样机。中国移动联合东南大学崔铁军院士和陈强教授开发了2.6GHz和26GHz频段的RIS样机,图4-14所示为2.6GHz RIS样机(1m×2m),它包含16列、32行共512个单元。单元采用PIN管作为可调元件,可以通过PIN管的通和断来控制单元的水平极化电磁波反射相位,通和断状态下单元的反射相位差约为180°。该RIS样机的16列单元可以分别独立控制,可以在水平方向调控波束。图4-15所示为实测中的26GHz RIS样机(35cm×35cm),为便于隐蔽部署,其表面用了一幅画进行装饰,它由16×16共256个单元构成,由于毫米波波长更短,其整体尺寸比2.6GHz小,这款样机的单元是固定相位的,后续将继续研制相位可调的毫米波RIS样机。
图4-14 2.6GHz RIS样机
图4-15 实测中的26GHz RIS样机
(2)光生太赫兹通信系统样机。中国移动联合东南大学教授朱敏开发的光生太赫兹通信系统样机,载波频率为101GHz,带宽为5GHz,实时速率为3Gbps,最大的通信距离可达20m,如图4-16所示;目前,该团队已开发完成下一代载频为370GHz的光生太赫兹实时通信系统,带宽为30GHz,实时速率目前已实现120Gbps,下一步将支持500Gbps的实时传输速率,最终目标是实现1Tbps的实时传输速率。目前,太赫兹通信系统分为电学和光学两种不同的技术路线,电学技术受器件限制系统带宽相对较窄,且随着载波频率的提升,系统复杂性增加。光学技术的优势在于通过更简单的系统架构实现更高的带宽和速率。
(3)26GHz高性能毫米波收发机。中国移动联合东南大学教授洪伟和周建义开发的高效多通道毫米波收发机组件,如图4-17所示。它是64通道和16通道的组件,可有效支撑更多通道的高效毫米波收发机的实现。
图4-16 光生太赫兹通信系统样机
图4-17 高效多通道毫米波收发机组件
(4)1Gbps可见光实时通信系统样机。中国移动联合复旦大学迟楠和沈超老师成功研制了单器件数据速率4.57Gbps的超辐射发光二极管光源以及支持1.75Gbps传输速率的宽带可见光收发机芯片,研发的可见光样机系统具备Gbps级实时传输速率,有望实现业界领先的5Gbps的实时传输速率,如图4-18所示;下一阶段,该团队将挑战几十Gbps速率的器件攻关与原型基站研制。与传统频段相比,可见光通信低碳节能、无电磁污染、频谱丰富且无须授权即可使用、部署成本低。但可见光通信走向应用还面临三个方面的挑战:首先是器件方面,可见光器件的调制带宽较小,所能达到的峰值速率非常有限,中国移动与复旦大学联合研发的芯片带宽达到了1GHz以上,但要满足6G更严苛的指标需求,还需进一步提升;其次是组网方面,可见光存在易被阻挡、上行难的问题,为了提升用户的上网体验,提供零中断服务,需要将可见光与其他频段融合组网;最后是与基础设施融合方面,可见光通信网络需要与成熟的照明产业共生,实现低成本、低功耗、高能效,还要与运营商网络融合,支持移动服务,进一步拓展产业规模。
图4-18 可见光实时通信系统样机
(5)sub-6GHz、可见光、太赫兹信道测量平台。信道测量与建模是无线通信系统设计、评估和产品研发的基础和前提,它的主要目的是研究电磁信号传播特性,利用数学模型来刻画它。我们之所以一定要了解信道,是因为信号在传输过程中,会受到信号传播环境的影响,如多径、衰落的影响,从而导致接收端信号发生畸变。通过建立信道模型,我们即可基于信道模型的先验信息来优化系统设计、提升性能评估的准确性、加速产品研发。由于我国的地理地貌、人口密度和建筑风格等特点,实际网络部署的典型环境和国外差异较大。为了建立适合我国国情的信道模型,中国移动从2008年便开始了信道测量与建模研究工作,选取具有中国特点的密集城市、高铁等场景,与北京邮电大学张建华教授团队一起搭建信道测量平台,并经过广泛的外场测量获得大量信道数据,通过复杂的数据处理、参数提取和建模,形成了相应的模型,主导制定了ITU的IMT-Advanced和IMT-2020信道模型、3GPP的3D-MIMO信道模型,很好地支持了全球4G和5G的研发和标准制定。面向6G,项目团队已经开展了针对感知通信一体化、智能表面、太赫兹、可见光的信道测量与建模研究,目的在于支撑6G系统设计与技术的突破。所研发的业界领先水平的sub-6GHz/毫米波/太赫兹的信道测量平台如图4-19所示。
图4-19 sub-6GHz/毫米波/太赫兹的信道测量平台
(6)26GHz感知通信一体化样机。基于现有4G、5G系统所使用的OFDM波形,中国移动研究院团队进行了通感一体化信号处理算法的设计,通过提取传输信道的时延和多普勒信息,得到目标物体的距离与速度。仿真结果表明,基于OFDM的通信感知一体化信号处理算法可以实现多目标的测距、测速功能。基于OFDM通感一体化算法,中国移动联合华为研发了一套通信感知一体化原型,该样机主要面向车辆状态监控场景,工作频段为26GHz,工作带宽为100MHz,覆盖距离为500m。原型样机包含有源无线单元(AAU)、基带单元(Base Band Unit,BBU)、核心网和交互界面。AAU被部署在道路上方的横杆上,用来完成通信感知一体化信号的发送和接收。接收到的信号通过BBU和核心网分别进行前端信号处理和后端信号处理,得到目标车辆的距离、速度信息,并展示在交互界面上。项目组在北京市海淀区北清路开展了外场试验,初步测试数据表明,原型样机的测距精度达到了0.5m,当道路上有车辆经过时,多个车辆的位置、速度等信息可以实时地显示在计算机的交互界面中,很好地完成了交通状态监控的目标。外场测试环境和测试界面如图4-20所示。
(7)液态金属天线样机。中国移动联合北京邮电大学教授苏明及团队开发的液体金属天线,通过天线构型的调整,可实现动态可调的天线方向图和频点,如图4-21所示。
(8)数字孪生人演示系统。数字孪生人是指通过实时采集的人体数据进行人体的数字化建模,实现人的数字孪生,以及物理人和数字人之间的映射与交互。通过人的孪生体不仅可以模拟人的外表、器官和组织,也可以提前预测人体健康、行为和情感,甚至还能够模拟人的思维,在某种意义上实现精神的永生。数字孪生人的未来业务场景分为三个不同层级:第一层级为体征孪生,通过可穿戴、可植入传感器等采集人体信息,结合生理和先验的知识,对人体的局部和全身进行数字化建模,实现对人体体征和健康的全方位远程监测和精准预测,实现疾病的预测性治疗;第二层级为通感孪生,实现人体情感和五官感受的建模;第三层级为控制移植,实现意念控制、思维移植、脑−机通信,甚至脑−脑交互。中国移动研究院开发的数字孪生人演示系统如图4-22所示,可以动态捕捉人的肢体动作、心电图和脉搏、脑电波、血压等生物特征,并进行人体状态的综合判断。
图4-20 外场测试环境和测试界面
图4-21 液体金属天线样机
图4-22 数字孪生人演示系统
(9)语义通信系统原型样机。中国移动联合北京邮电大学教授许晓东开发的语义通信样机,可实现传输速率10倍的压缩;联合清华大学教授陶晓明开发的语义通信样机,可实现90%的视频传输速率的压缩。
同时,中国移动研究院提出6G将具备六个主要特征:
一是场景虚实交互,将支持通感互联(可传递听觉、视觉、触觉、嗅觉、味觉等)、交互式全息(全息物体之间可以直接进行类似实体之间的直接交互)等全新应用场景;
二是能力多维协同,将建立集通信、计算、感知、AI和大数据等一体的全新多维能力体系;
三是绿色智能安全,将从器件、设备、网络及基础设施等层面全方位发力节能降碳,并将AI与安全融入网络架构的整体设计;
四是网络立体覆盖,将以地面移动通信系统为主体,卫星系统作为延伸,打造空天地海一体化的网络环境;
五是学科交叉融合,生物与仿生学等跨领域、跨学科的技术将在6G中加速融合,石墨烯等新材料将在6G发展中发挥催化剂的作用;
六是生态跨界开放,基于“开源软件(源码可以被公开使用、修改)+白盒硬件(不专属于某一厂商,更加通用化)”的模式可能成为6G的产业趋势。同时,中国移动研究院也提出如图4-23所示的6G移动信息网络架构的构想。
此外,中国移动研究院还发布了8本6G关键技术白皮书,包括《6G全息通信业务发展趋势白皮书(2022)》 [14] 、《6G至简无线接入网白皮书(2022)》 [15] 、《6G服务化RAN白皮书(2022)》 [16] 、《基于数字孪生网络的6G无线网络自治白皮书(2022)》 [17] 、《6G无线内生AI架构与技术白皮书(2022)》 [18] 、《6G物理层AI关键技术白皮书(2022)》 [19] 、《6G信息超材料技术白皮书(2022)》 [20] 、《6G可见光通信技术白皮书(2022)》 [21] ;同时还发布了《影响未来信息通信发展的十大跨界创新方向(2022)》 [22] 研究报告,面向泛信息通信领域2035年愿景,遴选出影响未来信息通信发展的十大跨界创新方向,涉及端、管、云、算力、安全、低碳、范式等方面,并呼吁产学研各界协力解决面临的挑战。
图4-23 6G移动信息网络架构的构想
另外,在“遇见未来”6G联合创新成果发布会上,中国移动正式披露将建设“10+1+ N +1”的6G协同创新基地,其建设构想如图4-24所示,构建10大基础创新实验室,1个端到端系统实验室、 N 类新型业务与应用,以及1张全球领先的6G试验网。6G协同创新基地将面向全产业链开放,为产业伙伴提供开放的、场景化的联合研发、测试验证所需的软硬件工具和平台环境,以及协同创新空间,打通从基础理论、关键技术到标准、产业和落地应用的端到端创新环节,降低6G研发的门槛,加速6G研发的突破,为我国打牢6G基础、构筑6G优势,培育自主可控的6G产业和应用生态,推动全球开放合作,形成全球统一标准和生态。
图4-24 中国移动6G协同创新基地建设构想
2021年,华为技术有限公司(简称华为)发布《6G:无线通信新征程》 [23] 白皮书,将6G发展的驱动力概括为新应用和新业务、普惠智能、可持续发展与社会责任,并指出6G将跨越人联和物联,迈向万物智联,在关键性能指标上取得重大飞跃,推动各垂直行业的全面数字化转型。6G将如同一个巨大的分布式神经网络,集通信、感知、计算等能力于一身,物理世界、生物世界以及数字世界将无缝融合,开启万物互联、万物智联、万物感知的新时代。
在该白皮书中,华为提出了6G的6大支柱,包括原生AI、空天地一体化、通感一体化、极致连接、原生可信和可持续发展,如图4-25所示。
图4-25 6G的6大支柱 [23]
《6G:无线通信新征程》白皮书将6G的场景概况分为5大类,如图4-26所示。
图4-26 6G的场景概况 [23]
(1)eMBB+:极致沉浸式云VR、触觉与多感官通信、裸眼3D全息显示、物联网区域的无线宽带接入。
(2)uRLLC+:未来工厂、动作控制、分组协作机器人、从人机协作机器人(Cobot)到人机共生的赛博格(Cyborg)、L5级自动驾驶。
(3)mMTC+:智慧楼宇、智慧医疗、无人机(Unmanned Aerial Vehicle/Drones,UAV)使能智能服务、广域物联。
(4)感知:高精度定位与追踪,同步成像、制图与定位,人类感官增强,手势及动作识别。
(5)AI:AI增强网络自动化、数据管理人工智能即服务(Artificial Intelligence as a Service,AIaaS)、分布式学习与推理AIaaS。
基于上述场景的定义,《6G:无线通信新征程》白皮书提出了6G无线网络的性能指标需求,如图4-27所示。
图4-27 6G无线网络的性能指标需求 [23]
面向未来的智能普惠,《6G:无线通信新征程》白皮书提出了人工智能网络(Network for AI)的概念,希望把AI打造成6G的一种原生能力,为AI相关业务和应用提供端到端的支持,实现无处不在的AI,如图4-28所示。
图4-28 AI4NET和NET4AI [23]
面向未来的6G空口设计和架构的设计,《6G:无线通信新征程》白皮书也探讨了其范式转变,如图4-29和图4-30所示。
图4-29 6G空口设计的范式转变 [23]
图4-30 网络架构设计的范式转变 [23]
最后,《6G:无线通信新征程》白皮书对未来各个标准组织的6G时间表进行了预测,如图4-31所示,预计3GPP在2030年推出第一个6G标准的版本。
华为6G研究团队搭建了适用于100~300GHz频段范围内的THz通感一体(Integrated Sensing And Communication at THz band,ISAC-THz)通用原型平台 [24] ,并分别针对终端侧高精度感知成像,以及室外中距离超高速传输这两大挑战场景的技术可行性进行了探索与样机验证,让通感一体化逐步从概念走向实现。华为太赫兹感知通信一体化样机如图4-32所示,待测物体被放在封闭的纸盒中,机械手臂则模拟人手持握太赫兹终端,对纸盒内的物体进行扫描和成像。原型样机采用140GHz载波频率,8GHz带宽,4发16收MIMO阵列。太赫兹波由终端天线发射后,穿透纸盒,经待测物体反射后被终端天线接收,经采样和实时算法处理后,形成图像并显示出来。
图4-31 华为预测的6G各标准组织时间计划 [23]
为了得到毫米级成像分辨率,研究团队提出虚拟孔径MIMO阵列技术 [25] ,利用终端上有限个实体天线阵元形成的小规模阵列,通过手持移动扫描方式形成一个具有更大自由度的虚拟孔径大规模天线阵列,在不增加终端体积的情况下,逼近数千个天线阵元的实孔径天线成像效果。由于用户对目标物体进行手持扫描的轨迹通常是稀疏且不完全规则的,样机采用了压缩感知、层析、稀疏孔径等算法对稀疏采样后的信号波形进行处理,得到毫米级高分辨率图像。
图4-32 华为太赫兹感知通信一体化样机 [24]
如图4-33所示,太赫兹通信样机室外实测验证选取在城市场景,发射机模拟典型基站架设在楼宇顶层,接收机设置在城市街道地面处,楼顶至地面之间的距离约为500m,存在视距链路。样机工作在220GHz中心频点,带宽13.5GHz,系统采用2×2极化MIMO架构,以及超宽带和低比特量化数字基带处理技术,对基带信号进行信道估计及均衡、非线性补偿、解调和解码,首次实现室外中远距离240Gbps高速视距空口传输,论证了太赫兹频段用于室外超高速率通信的技术可行性。
图4-33 华为ISAC-THz室外通信样机,实现500m、240Gbps通信速率 [24]
华为6G研究团队在毫米波70GHz频段,成功展示了超低功耗、超高吞吐、超低时延的短距通信原型样机 [26] ,实现了超过10Gbps的吞吐率和亚毫秒级的时延,并实时演示了4K VR业务。华为70GHz毫米波样机如图4-34所示,此样机展示的极致体验短距传输,其速率数倍于通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)等有线通信方式,且整机功耗低于560mW。
图4-34 华为70GHz毫米波样机 [26]
该样机采用了多种先进技术,下面分别介绍。
(1)面向Tbps级高吞吐率的超低功耗Polar编解码技术:结合极简代数译码方法,替换中等码率外码,大幅简化连续消除译码(Successive Cancellation decoder,SC)流程的同时显著提升译码吞吐率,相对传统短距编码方案降低80%芯片面积。
(2)低功耗单比特ADC(模数转换器)技术:利用有限数量的ADC比特,可以大幅削减射频链路的功耗;接收侧利用过采样的过零调制,可以进一步提升整机的频谱效率。
(3)高速短距相控阵天线与智能波束扫描技术:全新设计的双极化子阵相控阵天线,实现双流数据的高速传输,结合基于快速树搜索的智能波束扫描算法,使得在高移动性场景下精准调整波束方向成为可能。
(4)高效硅锗(SiGe)大天线阵列的封装天线(Antenna In Package,AIP)技术:大规模高增益不规则阵列天线可封装在手机规格的LTCC(低温共烧陶瓷)模块中,使微型的AIP也可以应用在可穿戴设备中。
华为6G研究团队实现了光无线通感系统的关键技术研究突破和一体化原型验证 [27] ,能够实现通信、定位、感知一体化的架构和能力。该光无线通感一体化(Integrated Sensing And Communication with Optical Wireless,ISAC-OW)样机,希望模拟在医疗环境中,通过光无线链路(可见光及红外光谱)精确感知和定位移动机器人,从而远程控制移动机器人拾取和搬运各种物体。样机中的光链路还同时承载着移动机器人与控制器间实时高清视频的无线高速传输,实现通感一体化。此外,这套ISAC-OW样机还可以通过对人体面部颜色的变化,或者是腹部起伏的感知,实时且无接触地监测心率和呼吸状态,检测准确性与商用智能手表相当。
在该原型研制过程中,团队相继突破了分布式光无线联合检测与传输、一体化通信感知架构设计、高精度飞行时间(Time of Flight,ToF)建模分析等核心技术。
(1)针对通信和定位一体化,通过通感一体化波形、硬件架构以及信号处理算法设计,在实现高速无线光通信的同时,也实现了厘米级的室内定位精度。在定位过程中,终端采用增强反光面,独立地反射各个基站的来光,避免反射光干扰其他基站,使多个基站可在非同步的情况下测量相位差,达到高精度的定位效果。
(2)针对无接触健康监测,采用了ToF建模分析与深度学习技术的结合,利用心跳对人体脸部血液的影响,通过精确测量人脸反射光强的细微变化来测量心跳和呼吸频率(后者也可利用呼吸时人腹部的起伏来测量),均获得了与接触式健康检测仪器(如智能手表)等同的检测性能。
中信科移动通信技术股份有限公司(简称中信科移动)自2018年开始筹划6G研究工作,启动6G愿景、需求、能力与关键技术的系列研究工作。2020年年底,中信科移动、大唐移动发布了《全域覆盖·场景智联——6G愿景与技术趋势白皮书(V.2020)》,提出全域覆盖、场景智联的总体愿景,即6G将会在5G发展的基础上得到进一步的升级和拓展,实现全域深度覆盖,服务场景智慧互联,全面支撑智慧生活、智慧行业的社会发展。
2021年12月,中信科移动进一步发布了《全域覆盖场景智联——6G场景、能力与技术引擎白皮书(V.2021)》 [28] ,对6G的应用场景、关键能力、技术引擎做了进一步的分析和探讨。在5G所支持的增强移动宽带、超高可靠低时延通信以及海量机器类型通信的三大场景基础上,6G将进一步扩展为支持六类应用场景,包括广域覆盖、移动宽带覆盖、热点覆盖三类强调覆盖能力的场景,以及极致低时延高可靠、泛在海量连接、感知与定位三类强调连接特性的场景。其中,通过广域覆盖、移动宽带覆盖以及热点覆盖体现全网覆盖能力,代表移动宽带在空间、地面的服务能力,以及在热点区域提供的超高容量;同时通过极致低时延高可靠、泛在海量连接以及感知与定位,体现对2B业务、垂直行业与物联网连接特性等服务能力的拓展。
6G的无线接入网性能指标不仅包含5G愿景中已经涉及的八大关键性能指标(峰值速率、谱效、用户体验速率、区域流量密度、网络能效、移动性、连接密度及时延)的进一步提升,预计也将包含未来网络新的重要指标,如覆盖、可靠性、时延抖动和定位精度等,以支持更为宽广的场景和业务需求。除了无线接入网性能指标的扩展与提升外,6G系统和网络的新型能力也尤为重要,这些能力支撑未来的通信系统变得更强大、智能和可信,包括网络智能能力、可信安全能力、可编程能力、算网协同能力、立体组网能力,以及网络感知能力。
6G关键技术的创新主要包括传统技术增强、融合技术创新、网络架构演进三个方面。传统技术增强方面主要包括大规模天线技术、高精度定位技术、非地面网络(NTN)技术的增强演进。其中,大规模天线技术将继续在6G网络中发挥提升系统容量和覆盖范围的作用,并从天线维度扩展、全息维度挖掘、功能维度增强形成超维度天线技术。中信科移动正在开展利用可重构智能超表面(RIS)技术构建更为密集的天线阵列形态的研究和试验工作。高精度定位技术将成为6G赋能垂直行业的重要技术之一,随着6G的研究进一步深入,基于以蜂窝网络的载波相位定位为特色的多源融合定位方案、AI定位、定位和通信融合技术预期将会成为6G定位的重要技术方案,带来定位精度的显著提升和资源利用率的提高。以弹性可重构网络架构、统一空口体制为典型特征的空天地融合技术将使能6G网络成为扩展网络服务广度和深度、改变用户之间时空连接方式的重要技术,将全面提升6G网络支撑公共安全、应急通信、社会治理、产业升级等方面的服务能力。中信科移动正在开展星地融合样机研发和测试验证工作,这将为6G空天地融合技术研究和验证打下坚实的基础。
在融合技术创新方面,主要沿着IT、DT和OT深度融合发展的路线进行布局,包括人工智能、通信感知一体化、可编程网络、算力网络、网络安全可信等关键技术。人工智能将与通信技术进行深度融合,形成以智能内生为特征的6G网络人工智能技术,实现网络的自优化、自演进,提高网络的安全性和可靠性,大幅降低网络运维成本,降低网络能耗,增强用户体验,实现网络自动化。通信感知一体化技术即在蜂窝网络架构下,利用雷达、成像等无线感知技术实现针对非目标终端等物体的位置、姿态及环境信息的感知,获取多维度、多层次感知数据,将移动通信系统的连接范围从目标终端扩展到物与环境,从真正意义上实现场景智联,并达到通信与感知两者相互促进、协调共生的效果。可编程网络是实现6G网络的坚实技术底座,通过在6G网络中应用可编程网络,可以极大地提升网络的灵活性和弹性,实现网络的按需定制和灵活部署,实现运维自动化、智能化。算力网络可实现6G网络分布式泛在计算、存储资源的灵活动态调度与高效协同,为6G网络功能的灵活部署、快速协同提供基础资源保障。6G网络将具备内生的安全能力,并基于分布式技术手段,利用密码学原理构建了6G网络安全可信架构,解决了6G去中心化网络架构面临的安全可信问题。
在网络架构演进方面,为了实现6G的总体愿景、6G网络与服务的升级扩展,满足6G网络为人、物、环境以及虚拟空间提供智能极致连接的丰富服务的需求,5G网络架构需要进行演进与变革。其中,以用户为中心的基于动态簇的无线网络架构将有效提升覆盖范围内的业务体验一致性,降低超大规模天线系统集中式部署的成本和能耗,并且可以根据部署区域/服务的差异化需求,提供不同规格/能力的天线单元进行部署。以“一超多体智能化”为特征的智能内生网络架构,支持采用分层分域的分布式方式进行AI能力部署,可更好地发挥人工智能技术在网络中的作用。另外,6G网络的服务能力将不再局限于由核心网提供,轻量化核心网以及服务化能力下沉到RAN将是未来发展的一个趋势,形成服务化RAN架构,从而便于根据RAN系统的覆盖范围提供即时、可定制的以用户为中心的个性化、差异化服务。
除了开展6G关键技术的布局与研究外,中信科移动正在积极开展6G关键技术的原型验证工作,以通过平台验证对6G潜在关键技术进行识别,加速6G关键技术的成熟与落地,支撑后续6G标准化和产业化工作。
中兴通讯股份有限公司(简称中兴)在2019年提出了“万务智联”的6G愿景,提出6G智能化连接内涵的同时,也强调6G希望打通各类业务边界、驱动移动网络成为业务使能的核心要素。未来5G到6G是一个增强演进和技术变革结合的过程,6G成为下一代移动通信基础网络的因素主要包括两个方面:一是5G演进驱动因素,包括数字经济、能效与成本效率、不断发展的行业用例、无线传感与网络智能化,需要6G网络增强,解决5G不能支持的能力和场景;二是6G代际驱动因素,包括数字与人工智能经济、可持续社会、发达的行业用例、感知互联网、AI互联网、机器人互联网等。
6G引入AI互联网、感知互联网、机器人互联网等万务智联的应用场景,其典型服务用例包括沉浸式云XR、全息通信、感官互联、智慧交互、通信感知、普惠智能、数字孪生、全域覆盖 [29] 等。6G网络不仅将支持Tbps吞吐量与无处不在的Gbps用户数据率,同时也将支持通信、智能、传感、计算、能量、空地、信任、安全等各种服务与技术融为一体。相对5G网络以三大场景聚焦连接能力为主,6G网络将增加智能、感知、可持续发展等多个维度的网络能力要求。
中兴认为6G网络能力需求包括:峰值数据率(50倍),用户数据率(200倍),连接密度(>10倍),2D业务容量(>100倍),3D业务容量,移动速度(57倍),空口时延(>8倍),全球覆盖(2倍),能量效率(>10倍、零载零耗),确定性同步精度(>5倍),可靠性(>100倍),定位精度(室内/外,10~100倍),电池/供电寿命(2倍、零耗终端)等。注意,括号内倍数表示6G相对于5G能力倍数,如图4-35所示。
图4-35 中兴提出的6G愿景、场景和能力需求展望
6G网络相对于5G网络,可能引入的新网络能力包括AI效率(如时间效率、保真度、性能增益等)、E2E网络可依赖性(如可用性、可靠性、安全性、完整性、可维护性或可恢复性)、网络能量使用(如能量消耗、零载零耗、零能耗终端、能量效率等)、传感分辨率(如目标位置、速度、移动方向、动作、图像或视频行为等可辨识度)、语义准确性(如语义相似度、保真度、完整性、可信任度)等。
基于6G的愿景、场景和能力需求,中兴提出6G使能技术包括网络演进技术、范式变革技术,如图4-36所示。其中,网络演进技术基于5G基础的持续增强,包括频谱灵活使用、空间资源利用、更高频段技术、空天地海融合。范式变革技术包括AI内生智能空口、可编程无线网络、通感算融合网络与服务架构可信网络。面向6G及其后续演进的无线代际技术创新可能包括服务架构可信网络、多模态网络融合、智能空口、可编程无线信道、基于端到端深度学习的语义通信等,并且认为在2025年前,6G处于定义和早期技术研究阶段,之后将逐步开始6G网络的标准化工作。
图4-36 中兴提出的6G使能技术
面向6G网络云原生、智能化、服务化、知识化、可持续技术发展趋势,中兴6G研究团队坚持“消费者与行业增强应用场景驱动并重、E2E水平与垂直技术创新并重、Pre-6G中低频与高频技术创新并重”的技术创新策略,已经完成了6G六大标签技术应用场景与技术方案设计,即服务化架构无线接入网、增强LDPC编码设计、可编程无线信道 [30] 、增强多用户共享接入、AI-MIMO-CSI压缩/反馈/恢复、统一波形设计GFB-OFDMA,其技术特征与性能改进如图4-37所示。
图4-37 中兴提出的6G六大标签技术特点与性能改进
针对未来移动通信需要更多的基础创新突破,中兴在6G方面积极推进产学研合作,与清华大学、东南大学等多家高校建立6G联合实验室,开展6G相关使能技术的联合创新研究,在大规模天线技术持续发展、网络智能化技术、太赫兹信道和器件、通感算融合设计、未来移动通信大算力新型体系架构等方面都有不少丰硕的成果。
中兴与中国电信、中国联通、中国移动在5G外场合作开展了一些6G使能技术的早期研制,如6G可编程无线信道联合的基于蜂窝通信的即时语音(Push to talk over Cellular,PoC)测试,包括业内首创的高频非视距室外覆盖扩展、中频弱区多径信道增秩、低频室外到室内级联深度覆盖测试用例,初步验证高中低频超表面人造多径可以重构5G网络深度覆盖传播环境,测试结果见表4-1。
表4-1 基于电磁表面的可编程无线信道技术验证测试结果
维沃移动通信有限公司(简称vivo)通信研究院于2019年启动6G预研工作,提出“构建自由连接的物理与数字融合世界”的6G愿景,围绕6G场景需求、6G系统和网络架构、6G网络与空口智能化、6G新业务与服务体系、6G新空口,以及通感一体化、RIS、极低功耗通信、新波形等方面开展研究工作。
6G场景需求方面,vivo在2020年发布了《数字生活2030+》 [31] 和《6G愿景、需求与挑战》 [32] 两本白皮书。在《数字生活2030+》白皮书中,vivo通信研究院对2030年及以后与人们生活息息相关的11个方面的发展趋势进行了提炼分析,并呈现了29个鲜活的场景案例,这些案例中包含60个创意产品和服务构想,以期让广大消费者和行业技术人员对2030年及以后的数字生活树立形象认知,以支撑6G愿景和需求分析。《6G愿景、需求与挑战》白皮书基于2030年及以后人们数字生活的场景,结合未来技术发展趋势,给出6G愿景、需求的初步观点,并分析6G对网络和终端的挑战,为达成6G愿景、需求的行业共识添砖加瓦。vivo认为,面向2030年及以后,6G将构建泛在数字世界,并自由连接物理世界和数字世界,实现二者相互作用和高度融合,从而提供丰富的业务应用,促进社会高效可持续发展,提升人类幸福度。6G不仅提供物理世界和数字世界的自由连接,还将构建泛在的数字世界,并实现二者相关作用和高度融合。
6G系统与网络架构方面,vivo提出6G将成为未来物理与数字化融合世界的基础信息底座。在比5G提供更强的通信能力的基础上,6G将内生提供计算以及AI服务,并融合无线感知和定位、网络数据信息提供重要的基础数据信息服务,通信计算与信息的融合服务将成为6G的主要特征,也是6G系统设计的基本目标。基于6G的3大基础服务,vivo开展了移动算网融合技术、网络智能化架构、通感融合网络架构、数据服务与数据平面、移动网络隐私计算等技术研究。
6G网络与空口智能化方面,vivo认为AI与无线的结合,将基于单模块至端到端逐步演进的路线。vivo初期重点开展无线通信单模块的研究,重点开展了基于AI的信道状态信息(Channel State Information,CSI)反馈、基于AI的解调参考信号(Demodulation Reference Signal,DMRS)解调、基于AI的定位、基于AI的波束管理、基于AI的CSI预测、基于AI的功率放大器非线性优化、基于AI的移动性管理、基于AI的信源信道联合编码等方面研究并开发了基于AI的DMRS解调的硬件验证平台,初步验证了AI带来的增益。
通感一体化方面,vivo重点关注通感一体化的场景与需求,并在通感一体化波形设计、信号联合检测与干扰消除、MIMO-通感一体化技术、通感一体化与反向散射和RIS技术的结合、通感一体化的移动性管理、通感一体化的链路自适应技术、信道建模与仿真方法、硬件非理想因素的影响、隐私与计费等方面面临的挑战进行研究。为了开展基于空口的感知通信一体化性能验证,vivo开发了基于NR的呼吸监测感知验证平台,在实现Gbps通信速率的同时,可以利用信道测量完成实验室环境下呼吸的准确监测。
RIS方面,vivo联合高校开发了RIS样机,对RIS设备的工作带宽和邻频特性进行分析和评估,采用优化RIS单元结构的方式实现RIS工作带宽与通信系统带宽相匹配,并且在RIS的波束赋形机制、基于RIS的波束测量方法、RIS的信道建模与系统级仿真方法开展研究。
极低功耗通信方面,vivo主要关注低功耗唤醒技术、反向散射技术和能量采集技术,其中,vivo在3GPP Rel-18牵头低功耗唤醒技术的研究项目;反向散射技术方面,重点研究多址接入、干扰删除、空时分组码与波束赋形,以及基于反向散射的感知和定位等方向;vivo开发了反向散射样机,初步实现了3m通信距离下,2Mbps的数据速率传输,设备通信功耗100μW级别。
新波形方面,vivo重点关注正交时频空间(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)技术研究,在OTFS的导频设计、OTFS与MIMO结合、OTFS与OFDM共存方式等方向开展研究。
广东欧珀移动通信有限公司(简称OPPO)于2019年启动了面向未来的无线通信技术研究,主要从6G新终端形态和新业务需求入手,包括人工智能与无线通信相结合、零功耗终端技术、通感一体化、空天地、太赫兹等各个领域。一方面,考虑到5G系统已经较全面地覆盖了人联网和物联网的业务需求,6G的一个核心发展方向是将网络的能力扩展到覆盖“智联网”领域;另一方面,考虑到5G物联网终端的功耗、成本相对大量极简应用还是偏高,OPPO认为6G的另一个核心发展方向是构建零功耗物联网,以支持真正“无所不在”的6G万物互融。
在最核心的6G智联网方面,OPPO在2019年5月的IEEE国际通信大会(IEEE International Conference on Communications,IEEE ICC)期间的主题演讲“B5G&6G:智慧连接(Connecting Intelligence)”,提出了“6G是所有智能体共享的通信网络”的愿景和“使能人工智能、使用人工智能、属于人工智能(For the AI,By the AI,Of the AI)”三步走实现6G智联网的规划。
2021年,OPPO发布《AI-Cube赋能的6G网络架构》白皮书 [33] ,系统阐述了6G与AI融合网络的概念,即在考虑6G时代通信技术时,把智能域作为继传统的数据域与控制域之外新的维度考虑进去。智能的应用与演进需要更为广泛的数据,因此需要更快、更广、更泛在的6G连接。同时,未来业务应用与终端类型都将发生很大变化,人工智能也能促使无线连接的效率进一步提升。最后,随着融合维度的进一步提升,用于思考和记忆的算力和存储资源也将进一步与传统通信连接和业务服务融为一体,共同为智能的应用与演进服务。5G实现了“生产工作的移动化”,6G将实现“思考学习的移动化”。
基于B5G/6G的AI强调的是在蜂窝网络中的内生AI,即AI的能力集成在网络中,它可以用于优化网络的各种功能,也可以对外提供AI能力。云AI强调的是一种应用层的AI,主要用于应用业务,更多的是一种业务类型。网络AI的优势主要体现在3个方面:效率、融合、数据隐私。效率优势即网络AI的资源利用可以更高效地实现网络功能的优化以及第三方业务;各模型训练和推理功能可以按需进行灵活的路径、节点选择和处理,而不像云AI那样仅能在终端和应用服务器之间交互。融合优势即网络AI更利于通信资源与AI计算资源之间的融合,网络对无线通信条件有更好的感知,在一定程度上能够更好地折中无线资源与计算资源之间的平衡。数据隐私优势即当网络进行AI处理时,可以让参与任务的各节点使用各自的数据在本地执行训练或推理,能够更好地保护终端和各网络节点的数据隐私。
2022年,OPPO举办了第一届6G AI大赛,聚焦基于AI的数据集扩展问题,得到学术界和产业界的热烈响应。首先,为推动AI技术在6G领域的研究和发展,OPPO建立了开放的AI数据集与模型分享网站——Wireless-Intelligence,迄今已免费公开了60套AI数据集与8个AI参考模型,在业内得到广泛应用。对于6G AI的研究,OPPO首先开展了较多共性基础问题的研究与分析 [34-35] ,从多模块融合、系统化AI的角度出发,自下而上的多模块智能级联和自上而下的一体化AI处理形成了系统化AI研究的两个基本方向。其次,针对小样本限制下的场景智能自适应等问题,逐步形成了数据驱动、知识驱动并行的无线AI解决方案基本路线。最后,考虑到数据是AI研究的基础,综合考虑了如何实现面向AI需求的信道建模与虚拟信道重构。
2022年1月,OPPO发布了《零功耗通信》白皮书 [36] ,系统阐述了零功耗物联网的技术愿景、技术定位、应用场景、系统原理、技术挑战与关键技术以及与其他6G技术的结合等方面。零功耗物联网具备免电池、小尺寸、极低成本、免维护等优良特性,有望构建下一代物联网通信网络。在基于环境能量的零功耗物联网中,终端设备从各种环境能量源(如无线电波、太阳能、热能、动能等)中采集能量以驱动终端工作和进行通信,从而可以使得终端设备摆脱对传统电池的依赖,实现免电池通信,这也使得零功耗物联网具备很高的环保价值。进一步讲,结合超低功耗通信技术以及极低复杂度通信技术的使用,可以实现更小的终端设备尺寸、极低的终端成本。与传感技术结合,可以实现低成本、免维护的传感网络。鉴于零功耗物联网免电池、小尺寸、极低成本、免维护等优良特性,零功耗物联网将在各种垂直行业以及个人消费领域得到广泛应用,如物流、工业物联网、智能交通、智慧能源、智能家居、可穿戴等领域。因此,零功耗物联网具有很大的应用潜力,将成为面向6G的下一代物联网技术。
OPPO研发了零功耗通信的演示验证系统,系统验证了射频能量采集与反向散射通信技术。
2019年6月,工业和信息化部正式成立6G研究组,并于2021年更名为IMT-2030推进组,组织国内企业和高校围绕6G的愿景和需求、候选频率、太赫兹通信、可见光通信、操作维护管理(Operation Administration and Maintenance,OAM)、无线AI、新型调制与编码等6G潜在关键技术开展研究,并在2021年6月正式发布《6G总体愿景与潜在关键技术》白皮书 [37] 。该白皮书作为推进组的阶段性成果,内容涵盖总体愿景、八大业务应用场景、十大潜在关键技术等,并阐述了对6G发展的一些思考。该白皮书指出,未来6G业务将呈现出沉浸化、智慧化、全域化等新发展趋势,形成沉浸式云扩展现实(Extended Reality,XR)、全息通信、感官互联、智慧交互、通信感知、普惠智能、数字孪生、全域覆盖等八大业务应用。该白皮书提出了当前业界广泛关注的6G十大潜在关键技术方向,包括内生智能的新空口和新型网络架构,以及增强型无线空口技术、新物理维度无线传输技术、新型频谱使用技术、通信感知一体化技术等新型无线技术,分布式网络架构、算力感知网络、确定性网络、星地一体融合组网、网络内生安全等新型网络技术。上述及其他潜在关键技术在6G中的应用,将极大提升网络性能,满足未来社会发展新业务、新场景需求,服务智能化社会与生活,助力“万物智联、数字孪生”6G愿景实现。
另外,该白皮书提出了6G发展中的四个关键问题。
(1)关于5G与6G发展关系问题,提出6G将在5G基础上由万物互联向万物智联跃迁,5G的成功商用,尤其是在垂直行业领域的广泛应用,将为6G发展奠定良好的基础。
(2)关于6G频谱资源问题,提出6G将向更高频段扩展,并高效利用低中高全频谱资源。其中,低频段频谱仍将是6G发展的战略性资源,毫米波将在6G时代发挥更重要的作用,而太赫兹等更高频段将重点满足特定场景的短距离大容量需求。
(3)关于6G智能化演进问题,提出智赋万物、智慧内生将成为6G的重要特征,人工智能与通信技术的深度融合将引发网络信息技术的全方位创新。
(4)关于卫星等非地面通信与蜂窝网络的关系问题,提出未来的6G网络仍将以地面蜂窝网络为基础,卫星、无人机、空中平台等多种非地面通信在实现空天地一体化无缝覆盖方面发挥重要作用。
2021年9月,IMT-2030推进组组织了6G研讨会,正式发布系列阶段性研究成果,包括《6G网络架构愿景与关键技术展望》 [38] 白皮书、《通信感知一体化技术报告》 [39] 、《超大规模天线技术研究报告》 [40] 、《太赫兹通信技术研究报告》 [41] 、《无线AI技术研究报告》 [42] 、《智能超表面技术研究报告》 [43] 、《6G网络安全愿景技术研究报告》 [44] 等。
《6G网络架构愿景与关键技术展望》 [38] 白皮书从业务驱动、DOICT融合驱动、IP新技术驱动三个方面阐述了6G网络架构演进的驱动力,提出了“坚持网络兼容、坚持至简设计”和“集中向分布转变、增量向一体转变、外挂向内生转变、地面向泛在转变”的6G网络架构设计原则,阐述了分布式自治的6G网络架构愿景;介绍了6G网络的十二大潜在关键技术,包括分布式网络、空天地一体化组网、智慧内生、安全内生、数字孪生网络、算力网络等潜在架构类技术,可编程网络、通信和信息感知融合网络、确定性网络、数据服务、沉浸多感网络、语义通信等潜在能力类技术。
《通信感知一体化技术报告》 [39] :指出通信与感知将在未来6G无线网络中融合共生,赋予6G无时无刻、无处不在的感知物理世界的能力,赋能全新的业务场景。
《超大规模天线技术研究报告》 [40] :指出超大规模天线是大规模天线技术的演进升级,能够为6G网络提供更高的频谱效率、更高的能量效率、更高的空间分辨能力。
《太赫兹通信技术研究报告》 [41] :指出太赫兹频段可作为现有频段的有益补充,可部署于全息通信、微小尺寸通信、超大容量数据回传、短距超高速传输、高精度定位和高分辨率感知等6G潜在业务场景。
《无线AI技术研究报告》 [42] :指出AI在复杂未知环境建模、信道预测、智能信号生成与处理、网络状态跟踪与智能调度、网络优化部署等许多方面具有重要的应用潜力,有望促进未来通信范式的演变和网络架构的变革。
《智能超表面技术研究报告》 [43] :指出智能超表面具有低成本、低能耗、可编程、易部署等特点,通过构建智能可控无线环境,有望给6G带来一种全新的通信网络范式。
《6G网络安全愿景技术研究报告》 [44] :提出了“主动免疫、弹性自治、虚拟共生、泛在协同”的6G安全愿景,概括性介绍了AI安全、区块链安全、轻量级接入认证、无线物理层安全、软件定义安全、数据安全、密码算法增强等关键安全技术,为6G网络安全研究提供了参考。
2019年11月,科学技术部会同国家发展改革委、教育部、工业和信息化部、中国科学院、国家自然科学基金委员会在北京组织召开了6G技术研发工作启动会,宣布成立中国6G技术研发推进工作组和总体专家组。其中,推进工作组由相关政府部门组成,职责是推动6G技术研发工作实施;总体专家组由来自高校、科研院所和企业共37位专家组成,主要负责提出6G技术研究布局建议与技术论证,为重大决策提供咨询与建议。
随后,以科学技术部宽带移动重点研发计划为依托,组织实施6G研究工作布局,先后资助了一系列6G相关的研究项目。
未来移动通信论坛 [45] 一直活跃在移动通信技术的学术研究第一线,积极组织国内外6G学术交流与合作,并在2019年成立了6G特别兴趣小组,开展6G的关键技术研究。在2020年9月的全球6G大会期间,未来移动通信论坛的6G特别兴趣小组发布了系列白皮书,包括《多视角点绘6G蓝图》 [46] 、《6G:差距分析和潜在使能技术》( 6G : Gap Analysis and Candidate Enabling Technologies ) [47] 、《6G前沿技术初探》( Preliminary Study of Advanced Technologies towards 6G ) [48] 、《可见光通信:一个更光明的未来》( Visible Light Communications : A Brighter Future ) [49] 和《ICDT融合的6G网络》 [50] 。
《多视角点绘6G蓝图》 [46] :ICDT融合将全面重定义6G技术体系,网络结构与功能全维可定义,支持内生智能和内生安全,实现需求与虚拟化资源的精确匹配。6G将具备强通信、强计算和强AI三大能力,提供“流量”“算力”“智能”服务,实现从信息传递服务到信息处理服务的全面升级。6G设计要坚持计算通信一体化、技术情境化和网络内生智能化。同时关注跨领域新机遇,从新材料、新能源、生物信息、空间信息和先进计算等新途径寻求突破,解决通信性能和成本瓶颈等问题,扩展通信边界。此外,还要从经济学、法律、伦理和心理学等交叉领域,评估6G可能面对的经济学问题,以及虚拟空间权益、智能体道德伦理等非技术难题,从技术角度提出可能的解决预案。
《6G:差距分析和潜在使能技术》 [47] :通过分析现有无线通信系统的缺陷和性能不足,揭示了无线通信的发展趋势和未来的潜在需求;通过概括无线通信的最新研究进展,归纳和梳理了近年来得到蓬勃发展的新型无线传输技术;概述了与6G通信系统设计相关的关键技术挑战和潜在解决方案,包括物理层传输技术、网络设计、安全方法和部分关键技术的试验台开发。
《6G前沿技术初探》 [48] :从发掘带宽和信息处理能力的角度,重新审视两个具有前景的6G技术驱动——太赫兹和量子信息。该书概述了现有的太赫兹技术,包括用例和场景、频谱与信道模型、元件/电路/天线、通信系统、示范项目等。利用量子信息技术的强大信息处理能力,有望满足未来通信系统所要面临的通信和计算的巨大需求。该书讨论了量子通信的研究内容和系统结构。
《可见光通信:一个更光明的未来》 [49] :指出可见光通信具有大带宽、低能耗、低成本等诸多优势,既是对传统无线通信的有效补充,也是6G时代的重要备选技术之一。该书对可见光通信进行了系统梳理和分析,以期能细化应用场景,明确主要瓶颈,并探索对应解决途径,推动该技术进一步实用化,特别是系统讨论了可见光通信的应用场景,并根据不同应用特点,分析了每个场景的独有特征和典型案例,确定了未来实用化方向,明确了不同器件与设备的优劣和发展现状,并进一步探讨了器件与平台的主要技术瓶颈。
《ICDT融合的6G网络》 [50] :ICDT融合的6G将是一个端到端的信息处理与服务系统,其核心功能将从信息传递扩展到信息采集、信息计算与信息应用,提供更强的通信、计算、感知、智能和安全等多维内生能力,为面向2030年的社会经济发展带来“数字孪生、智慧泛在”的美好愿景。该书重点关注ICDT融合的网络架构与协议栈、感知通信计算一体化、空天地一体化架构、内生智能架构、意图网络、确定性网络、孪生体域网、内生安全架构、开放网络架构、AI使能空口、多功能空口、天地一体化空口、新空口、智能泛终端等几个关键技术与问题,并尝试给出解决方案。
2022年3月的第二届全球6G大会期间,未来移动通信论坛又发布了《6G总体白皮书》 [51] 、《6G智能轨道交通白皮书》 [52] 、《终端友好6G技术》 [53] 、《面向6G的数字孪生技术》 [54] 、《零功耗通信》 [55] 等。
《6G总体白皮书》 [51] :指出6G发展的驱动力主要来自三个方面:一是解决5G网络投资高、功耗高、运维难等挑战的需求;二是“元宇宙”等未来新应用和新场景带来信息处理新需求;三是移动通信技术、计算机技术、人工智能与大数据技术融合发展带来的创新机遇。该书通过定义网络大脑、感知控制、计算控制、通信控制、用户控制与业务控制等关键功能实体,构建了一体化网络控制框架,并分析了分布式计算、分布式感知、分布式智能、内生安全和意图管理等关键技术。
《6G智能轨道交通白皮书》 [52] :指出未来智能交通网络的潜在应用包括自动列车驾驶、协同列车网络、列车互联、超高清(4K/8K)列车视频、列车自组织网络和超精确(厘米级)列车定位。为了满足6G智能交通应用的要求,需要全新的技术突破,包括但不局限于去蜂窝大规模MIMO网络架构、通信感知一体化技术、人工智能与安全技术、新的超可靠低时延技术、数字孪生网络等。
《终端友好6G技术》 [53] :终端友好包括降低终端的功耗、成本和复杂度,支持终端多样性,扩展接入场景,提升上行效率(能效、谱效),提升用户体验,甚至是终端放松某一点的体验,从而带来其他点更好的体验。从网络侧看,终端友好旨在提升网络能力,以简化终端的相关流程和技术复杂度。该书详细介绍了终端友好的6G关键技术,包括卫星与地面融合技术、多频段融合技术、支持终端的广域泛在接入、终端原生组网支持终端灵活的接入、通−感−算融合扩展终端的服务能力、无蜂窝(Cell-Free)技术支持终端零感知的移动性体验、反向散射(Backscatter)和近零功耗接收机支持终端零功率通信、新型多址接入支持终端的免调度传输和上行异步传输、AI与通信结合提升终端用户体验等。
《面向6G的数字孪生技术》 [54] :指出数字孪生将与6G技术紧密结合并相互促进。一方面,6G技术对数字孪生而言,主要是为数字孪生的交互层提供超大容量、超低时延的数据与反馈信息的传输,促使数字孪生技术得到更好的应用;另一方面,数字孪生技术也为6G关键技术的研究提供了新的思路与解决方案。该书阐述了数字孪生的应用场景,讨论了数字孪生的关键技术、数字孪生赋能的6G网络以及部分垂直行业的解决方案,并对数字孪生未来发展进行了展望。
《零功耗通信》 [55] :零功耗通信通过采集空间中的无线电波获得能量以驱动终端工作,可不使用常规电池,实现超低功耗、极小尺寸和极低成本的物联网通信终端,我们称之为零功耗终端,对应的通信过程称之为零功耗通信。进一步讲,可采用反向散射和低功耗计算技术使得零功耗终端实现极其简单的射频和基带电路结构,从而极大降低终端的成本、尺寸和电路功耗。零功耗技术将广泛应用于面向垂直行业的工业传感器网络、智能交通、智慧物流、智能仓储、智慧农业、智慧城市、能源领域等应用以及面向个人消费者的智能穿戴、智能家居和医疗护理等方面的应用。零功耗物联网终端形态为简单标签或者与传感器集成。
6G网络将成为使能千行万业基础设施的基础设施,实现“数字孪生、智慧泛在”的发展愿景,这就要求6G构建开放融合的新型网络架构,实现通信、计算、AI、感知和安全的深度融合,打造通信即服务(Communication as a Service)、计算即服务(Computing as a Service)、AI即服务(AI as a Service)、数据即服务(Data as a Service)、感知即服务(Sensing as a Service)和安全即服务(Security as a Service)。所以,如何打造智慧内生的6G网络,实现AI即服务成为业界研究的重要方向。
2020年12月4―6日,在四川成都召开的“2020(第三届)中国信息通信大会”期间,中国移动、华为与科学技术部6G重点研发项目群紧密协同,联合举办“从Cloud AI到Network AI:打造6G网络架构”研讨会,针对未来6G网络架构及其关键技术的颠覆性演变,展开深入研讨、思想碰撞,并进一步相互协作、共同推进AI与未来6G网络技术的发展与创新。在本次研讨会上,中国移动和华为等18家产学研单位联合发起倡议,成立6G网络AI联盟(6G Alliance of Network AI,6GANA) [56] ,共同致力于推进Network AI成为全球共识,并全面推进6G Network AI的研究与验证。6GANA成立大会如图4-38所示。
图4-38 6GANA成立大会
2021年4月7日,6GANA在广东东莞华为松山湖基地正式成立并召开研讨会。与会专家和特邀顾问一致认为,未来10年,ICDT深度融合将给产业生态和应用创新带来极大的改变,6GANA是全球业界第一个聚焦于此的产学研交流平台,将促进这一趋势成为6G网络的基础能力,这在6G研究初期本身就是一个创新。本次成立大会讨论确定了6GANA的使命、定位、组织结构、运作机制等。
6GANA的使命和目标是聚焦6G网络智能(Network AI),从技术和生态角度,积极推动AI成为6G网络的内生能力和服务(AIaaS),而不仅仅是一种工具。6GANA的定位是公开、开放、民间的产学研交流平台,组织和开展广泛的国内、国际学术和产业交流,引导形成6G网络人工智能的行业共识,牵引未来标准化、产业化方向;同时,6GANA将积极支持和参与国内外其他6G行业组织的工作,共同推进整个6G网络架构的研究。6GANA将重点开展针对6G Network AI的需求、场景、架构、数据、理论/算法、验证、运营/管理的研究,相应地设置7个工作组(Technical Group,TG)。6GANA的日常工作由技术委员会(Technical Steering Committee)来组织开展。6GANA聚焦的Network AI是通信技术、信息技术、大数据技术、AI技术等在通信网络内深度融合的内生智慧架构技术,将重新定义端−管−云生态,支撑6G网络新商业模式的构建,使能智慧泛在时代的真正到来。作为产学研自发交流平台,目前已有成员:中国移动研究院、中国电信股份有限公司研究院(简称中国电信研究院)、中国联合网络通信有限公司研究院(简称中国联通研究院)、华为技术有限公司(简称华为)、深圳市腾讯计算机系统有限公司(简称腾讯)、阿里巴巴(中国)网络技术有限公司(简称阿里巴巴)、中国信息通信科技集团有限公司(简称中国信科)、紫光展锐(上海)科技有限公司(简称紫光展锐)、深圳网络空间科学与技术省实验室(又名鹏城实验室)、之江实验室、网络通信与安全紫金山实验室(简称紫金山实验室)、清华大学、浙江大学、中国科学技术大学、电子科技大学、北京邮电大学、哈尔滨工业大学、香港中文大学(深圳)、西安电子科技大学、北京航空航天大学、中兴、爱立信(中国)有限公司(简称爱立信)、诺基亚公司(简称诺基亚或Nokia)、小米科技有限责任公司(简称小米)、英特尔公司(简称英特尔或Intel)、浪潮集团有限公司(简称浪潮)等。
2022年5月,6GANA正式发布系列白皮书,全面呈现6GANA自成立以来的研究成果,包括《网络AI概念术语白皮书》 [57] 、《6G网络原生AI技术需求白皮书》 [58] 、《6G网络内生AI网络架构十问》 [59] 、《6G数据服务概念与需求白皮书》 [60] 、《B5G/6G网络智能数据采析》 [61] 、《知识定义的编排与管控白皮书》 [62] 。
《网络AI概念术语白皮书》 [57] :高屋建瓴地阐述了网络AI相关概念、术语、定义,定义了网络AI基础概念术语,以及6G网络与算力、数据、AI融合的不同选项。白皮书首先澄清了AI4NET、NET4AI、AIaaS、Cloud AI和网络AI五种AI与网络融合的相关概念,并阐明了它们之间的关系。其中,“网络AI”以其广泛的概括性,成为白皮书对AI与网络融合的总体概述。基于“网络AI”概念的确立,白皮书继续对相关的细粒度概念进行了定义,包括评估指标、多种AI技术,以及网络智能化和内生AI的区别。
首先,传统网络通常从带宽、时延、时延抖动等方面衡量网络的性能,而网络AI概念的确立会引出后续应用、架构、算法的革新,现有的评估指标并不能全面准确地描述网络AI的性能,白皮书提出了AI服务质量(Quality of AI Service,QoAIS)概念,从连接、算力、算法、数据方面对网络性能和AI应用的业务体验进行衡量,并整理归纳了具体的指标细节,对评估创新型网络AI技术价值具有极高的参考价值。
其次,网络AI的实现采用了大量的AI相关技术,AI作为计算机科学的一个分支,在理论和实践上都已自成一个系统,白皮书也只能有限地介绍AI的部分概念,以便网络研究人员了解网络AI中常用的实现方法。
再次,内生AI作为当前的研究热点引发了业界的广泛关注,但是其与网络智能化的本质区别尚未得到明确的澄清。白皮书指出,网络智能化是利用AI等技术助力通信网络运营流程的智能化,达到提质、增效、降本的效果。但是传统的智能化大多采用外挂AI的模式对现有的架构、协议和流程进行增补,缺乏统一的标准流程,应用周期长,服务质量也难以得到有效的保障。针对上述挑战,中国移动提出了内生AI的概念。与传统的网络智能化不同,内生AI摒弃了外挂AI的模式,将算力、数据和模型进行端到端编排和控制,在架构层面支持连接、计算、数据和AI算法/模型等元素的深度融合,支持将AI能力按需编排到无线、传输、承载、核心等方面,为高水平网络自治和多样化业务需求提供智能化所需的基础能力,使得网络智能化更高效、性能更优。
最后,白皮书从网络AI技术演进的角度,以层层递进的方式介绍了AI与网络融合的5个阶段,按照S0-AI4NET、S1-连接4AI、S2-(连接+算力)4AI、S3-(连接+算力+数据)4AI、S4-(连接+算力+数据+算法)4AI到S5-AIaaS的方向逐步加深,网络AI也从外挂AI模式的网络智能化开始逐步发展,最终实现6G网络的内生AI。针对每个阶段,白皮书深度分析了不同的连接、融合、服务类别,提出了潜在的业务场景、服务描述和研究方向。
《6G网络原生AI技术需求白皮书》 [58] :由6GANA TG1完成,详细介绍了网络智能化在5G中的发展现状和挑战,并且基于未来6G新业态、新行业场景用例、新技术等方面的需求和趋势,系统地分析提炼内生AI设计的技术需求和影响,从而有力地支撑6G新网络内生AI相关技术方案的设计实现和最终落地。5G系统中已有多种AI技术被用于通信问题的应用与改善,5G系统也针对业务应用进行了网络层面的适配,然而5G系统在设计之初并没有充分地考虑AI业务应用及其相关能力服务,所以在后续的发展中通过增补和外挂的模式,利用多种AI技术进行自我增强和支持AI业务应用。在自我增强方面,针对已识别且特定的通信类问题(如移动性预测、故障定位等),使用各种AI算法模型进行线下训练,提升业务性能和降低运维成本。
在支持AI业务应用方面,3GPP Rel-16在5G网络架构中,增加了一个逻辑功能实体NWDAF,在网络内部实现一些智能化应用以及对内、对外的AI赋能。但是特定问题的AI训练方式不具有可扩展性和泛化应用能力等,上层应用和下层网络管道之间缺乏配合也使得NWDAF无法充分利用资源和数据。这些系统设计的缺陷带来了诸多问题,包括数据源有限、传输带宽消耗、缺少数据隐私保护、不支持对外AI服务、基础设施利用不充分和数据治理/服务缺失等。因此,在6G新系统设计初始,就全面充分地考虑如何和AI深度融合,以为用户提供泛在智能化能力的按需供应和实现高水平自治及安全可信为目标,内生AI设计可更好地适配未来6G新场景、新用例,带来新的业态和价值增益。白皮书最后提出了AI和6G新系统内生融合的技术需求,从能力需求、服务需求和架构需求三个方面进行了深入的阐述。
内生AI的能力需求包括算力、算法和数据。首先,内生AI要求网络具备算力感知、度量、调度和交易的能力,来应对数据的爆炸式增长和AI算法的复杂程度的提高。其次,内生AI要求AI算法具备性能可量化、高效训练、可交互、可演进的能力,实现网络的内生智能并提供AI服务。最后,内生AI要求网络具备数据收集、分析、隐私保护、存储和开放的能力,为AI技术更好地运行奠定基础。
内生AI的服务需求依旧从算力,算法和数据三个方面展开:一是6G内生AI新系统需要通过多层算网融合,提供时延、能耗、隐私和服务体验敏感型业务;二是内生AI需要为AI算法提供规范化描述、服务接口、训练、测试和推理等支撑,实现对内和对外的内生AI服务;三是6G新网络需要支持独立的数据面功能,建立起支撑内生AI的知识图谱,以满足全网中数据采集、机器学习、智能服务和应用赋能的全网全域内生AI需求。
此外,6G新系统需要提供完备的智能服务质量,即QoAIS,来精准地评判、度量和保障6G内生AI系统。
《6G网络内生AI网络架构十问》 [59] :针对6G网络架构存在潜在影响的十大核心技术问题,从特征内涵、必要性、可行性、对网络架构的影响四个方面展开分析,研究该问题所示技术特征是否是6G网络内生AI架构所需,并给出了TG2的观点和建议。承接TG1对需求和应用场景的研究,面向不同行业和场景对6G网络内生AI千差万别的需求,TG2提出的第一个问题是:如何去表达和导入用户对6G网络AI服务的需求?另外,AI用例(需求表达形式)的自生成(一种导入方式)为什么会成为6G网络支持的技术特征?进一步讲,在服务需求的基础上,如何去分析和映射到网络可以理解的AI服务的质量需求?针对这些问题,TG2提出QoAIS的概念,并给出一种供参考的指标体系设计。作为AI服务的提供者,网络如何评估和持续地满足用户的上述需求,实施QoAIS保障,则需要从网络AI的管理、控制、业务流等多个层面展开思考。问题三从网络AI的管理角度提出如何通过对AI生命周期的管理来自动化地实现AI应用的开发、部署和相关的模型管理,来实现QoAIS的保障。问题四则是从多维资源融合的角度,提出是否以任务为中心,协同控制网络AI所需四种资源要素(算法、算力、数据、连接),以实时、持续地满足用户对QoAIS服务质量要求。由于算法、算力和数据将同传统连接一样,成为网络中可管控的新资源维度,资源的异质性及挑战和需求的差异性使得它们在网络架构的设计中呈现出不同的技术特征,需进一步展开研究。问题五从算力维度,提出如何深度融合算力和连接资源以实现更高效能的AI任务。问题六从数据维度,提出为什么需要通过内生AI改善当前数据价值密度低、存取效率低等问题,实现按需动态的数据编排和配置,反哺于内生AI的数据服务。问题七从AI算法维度,针对当前AI领域面临的两大挑战:AI算法对大数据的过度依赖和AI算法的可信度;提出为什么可通过基于模型的计算实现AI算法的自我进化,以及如何提供可信的AI算法。在上述资源的部署架构方面,6G将呈现集中式和分布式相结合的特点。集中式资源下的AI能力供应在5G网络中已有较多的实践,因此问题八和问题九提出6G如何理解分布式AI架构,体现在哪些方面,以及不同节点间如何协同的问题。最后,从资源对外开放的角度,问题十提出6G网络中上述资源可包装成哪些特定的能力向第三方开放。
《6G数据服务概念与需求白皮书》 [60] :6G网络数据服务愿景是为6G网络AI等智能服务提供可信数据。内生感知和智能将是6G网络的两大主要新增能力,前者产生海量数据,后者基于数据进行。随着通信和感知的融合,感知作为6G内生能力通过感知网络自身状态、周围环境,以及用户/设备行为等为人工智能算法提供大量数据。以往作为信息传递的网络,逐渐转变为数据的承载平台。从数据价值挖掘的角度,网络一方面是数据的生产者和提供者,为各类智能应用提供可信数据服务,同时又是网络数据的消费者,借助数据驱动的智能应用提升网络性能和运营效率。6G网络内生AI需要区域、跨域、整网范围大量的数据协作、共享和处理。6G网络前所未有的组网规模和复杂度,导致数据驱动智能应对6G网络随需而变的需求面临挑战,需要从数据驱动向数据与知识双驱动的智能模式转变。数据的开放共享是实现数据流动并体现价值的重要机制;数据的拥有者或提供者把数据必须以一种服务的形式提供给数据消费者使用才能实现价值变现。数据变现不是一次性买卖,需要保证数据在隐私保护下交换,实现数据的重复变现。对网络AI而言,基于大量训练数据训练好的AI模型,其本身也是需要保护的一种重要的知识产权。数据服务的总体需求包括数据主体的权属需求、网络和业务提供者的数据变现需求、数据使用者对数据的可信度和可用性需求、法律和监管的需求等。数据服务的技术需求与挑战包括多维异构数据的预处理、泛在数据的可靠存储、分布式协同、可信数据溯源、数据流通和共享、数据保护技术和隐私增强计算、数据知识双驱动等。6G网络承载的数据包括6G网络的用户和终端、网络设备和功能、基础设施如云平台、算法、应用等产生和消费的数据。数据服务是基于数据分发、发布的框架,将数据作为一种服务产品提供,满足客户跨系统的实时数据需求,能复用并符合企业和工业标准,兼顾数据共享和安全。6G数据服务旨在高效支持端到端的数据采集、传输、存储和共享,解决如何将数据方便、高效、安全地提供给网络内部功能或网络外部功能,在遵从隐私安全法律法规的前提下降低数据获取难度,提升数据服务效率和数据消费体验。
《B5G/6G网络智能数据采析》 [61] :如何嵌入数据与智能形成智慧内生、通算一体的网络智能新技术体系,面临架构、数据和AI算法等重大挑战,而其中数据是重要的基础,它基本决定了网络智能的性能上限,而架构和算法只是逼近该上限。只有解决了移动通信大数据如何采集、如何分析、如何利用这些基础的问题,并形成完备的数据采析体系,才能加速促进B5G/6G网络智能新技术体系的发展。白皮书主要介绍了一种B5G/6G网络智能数据采析体系,通过移动通信网络数据的采集与存储、移动通信原理与协议的翻译、网络数据知识图谱的构建与解析、网络智能特征数据集的构建与评估,实现了数据层面的信息整合、信息层面的知识抽取与表示、智能层面的知识计算与推理,以及应用层面的特征定制等功能。其目的是开创一条网络智能数据采析可落地的路径,为业界提供一种网络智能数据技术新思路和新范式。
《知识定义的编排与管控白皮书》 [62] :6GANA TG5致力于推动“自智网络”演进发展,构建一个高度智能的自动化网络,着眼于“网络的编排与管理”问题。现有的“数据驱动”的人工智能难以解决6G内生智能的痛点问题,智能是一种由人、机、环境系统相互作用而产生的组织形式。现在的自主系统还处在“伪自由”阶段,究其原因是其底层的技术架构——机器学习和大数据处理机制局限所致。无论行为主义的强化学习、联结主义的深度学习都不能如实、准确地反映人类的认知和推理激励。工作组提出“网络知识”的概念,实现客观数据与主观信息、知识的弹性输入,并借鉴软件定义网络的方式引入“知识驱动”的思想,形成“知识定义的编排与管控”的概念。白皮书首次系统阐述了知识定义的编排与管控的总体架构,阐述了与知识定义息息相关的网络遥测、知识表征、策略生产、资源调度及策略验证的关键技术,明确知识定义在推进“自智网络”演进发展,以及解决当前网络编排与管理问题中的重要作用,并从技术需求的角度,描述了知识定义的编排与管控在几个典型场景中的应用与实践。
后续6GANA将继续深入开展6G AI即服务和网络人工智能的研究和原型验证,并开展广泛的国内外合作,推动AI即服务和网络人工智能成为行业的共识,赋能6G时代智慧泛在的发展愿景。