尽管无线界还在讨论是否需要6G,以及无线通信是否应该止步在5G,但一些关于下一代无线技术的开创性研究工作已经启动。本节将介绍一些代表性机构,如国际电信联盟和第三代合作伙伴计划(Third Generation Partnership Project,3GPP),以及一些主要国家和公司对6G探索的最新进展。此外,可能的研究、技术规范、标准化和部署路线图如图3.5所示。
图3.56G系统的研究、技术规范、标准化和部署路线图的估计
来源:Jiangetal.[2021]/经IEEE许可。
作为未来数字社会和网络的风向标,ITU-T焦点组“网络2030技术”(Focus Group“Technologies for Network 2030”,FG NET-2030)[ITU-T NET-2030,2019]于2018年7月成立。它旨在确定2030年及以后网络能力的差距和技术挑战,届时它有望满足极致的性能要求,以支持全息通信、触觉互联网、多感网络和数字孪生等颠覆性用例。尽管它主要关注固定通信网络,但该组中确定的网络的未来架构、需求、用例和功能将是6G移动系统定义的指南。此外,ITU-R部门最近发布了题为“国际移动通信(International Mobile Telecommunications,IMT)无线电接口的详细规范-2020”的建议,可以视为5G标准的完成。随着国际电信联盟在IMT-2000(第三代(3G))、IMT-Advanced(4G)和IMT-2020(5G)发展方面取得的巨大成功,类似的过程将再次应用于2030年及以后的IMT发展。根据IMT流程,ITU-R将首先研究ITU关于6G的愿景,然后在21世纪20年代中期发布2030年及之后IMT的最低要求和评估标准,随后将进入提案邀请和评估阶段。在2020年2月的会议上,ITU-R工作组5D决定开始对未来技术趋势展开研究[ITU-R WP5D,2020],并计划在2022年6月的会议中完成这项研究。它邀请ITU-R内部和外部组织为2021年6月和10月的会议提供输入,这将有助于制定“2030年及以后的未来技术趋势”初稿。ITU-R还负责组织每三至四年举行一次的世界无线电通信会议(World Radiocommunication Conference,WRC),该会议负责管理频率分配。例如,WRC-19批准了5G系统的频谱分配问题。预计在2023年举行的WRC(WRC-23)上将讨论6G的频谱问题,6G通信的频谱分配预计在2027年正式确定(WRC-27)。
2019年初,3GPP Release 15标准冻结,它是5G的第一版标准。2020年7月,3GPP完成了Release 16版本的标准,其主要是对第一版5G标准的增强[Ghosh et al.,2019]。目前,3GPP正在制定一个更先进的版本(Release 17),由于疫情(COVID-19)带来的影响,该版本的制定时间有所推迟,于2021年完成。在传统移动行业、各种垂直行业和非陆地行业的众多关键利益相关者的推动下,Relese 17版本被认为是3GPP历史上特性最灵活的版本,包括非陆地网络NR、52.6MHz以上的NR、NR侧链增强、网络自动化等。此外,3GPP宣布其从5G向5.5G演进,官方新名称为5G Advanced,包括Release 18及更高版本。根据前几代移动通信的经验,6G将是一个颠覆性的系统,其研发将不受后向兼容性的限制。3GPP预计将在2025年左右启动6G的研究项目,随后是标准化阶段,以确保到2030年实现6G的首次商业部署。
对于移动行业,供应商、移动运营商和设备制造商是真正的驱动因素。因此,行业的观点,尤其是主流供应商的观点,在新一代移动通信的发展中发挥着重要作用。2020年1月,NTT DOCOMO发布了《5G演进与6G》白皮书,其他主要参与者紧随其后。表3-3总结了他们的主要观点。
表3-3 移动行业的6G愿景
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我们强调欧洲的6G研究是因为其项目不仅是世界上最早的,而且是最透明和公开的,提供了大量公众可获取的信息。在过去十年中,欧洲在5G基础设施公私合作伙伴关系(5G Infrastructure Public-Private Partnership,5G-PPP)下成功开展了5G研发。欧洲电信标准协会(European Telecommunications Standards Institute,ETSI)提出并标准化了一些关键的5G概念和技术,如网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)和移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC),也称为多址边缘计算。2018年4月,芬兰奥卢大学宣布了世界上第一个6G研究项目,名为6G无线智能社会和生态系统(6G-Enabled Wireless Smart Society and Ecosystem),作为芬兰学院旗舰项目的一部分。它专注于开创性的6G研究,包括四个相互关联的战略领域:无线连接、分布式计算、设备和电路技术以及服务和应用程序。2019年9月发布的世界上第一份6G白皮书作为第一届6G无线峰会的成果,在其发布之后,又有一系列白皮书发布,涵盖了12个特定的兴趣领域,如ML、边缘智能、定位、传感和安全。在其第八个研究和技术发展框架计划(FP8)中,也被称为地平线2020,欧盟委员会通过ICT-20-2019开始了5G研究之外的工作,称为“5G长期演进”。经过有竞争性筛选,8个开创性项目于2020年初启动,由供应商、移动运营商、学术界、研究机构、小公司和垂直行业组成的联盟共提交了66份高质量的提案。2021年初,通过ICT-52-2020“超越5G的智能连接”发起了另一批以6G为重点的研究项目。表3-4总结了ICT-20和ICT-52研究项目的详细信息。继地平线2020 5G-PPP计划取得成功后,欧洲6G的研发将继续进行,即将在第九个框架计划(Ninth Framework Program,FP9)(也称为地平线欧洲)下开展公私合作伙伴关系(Public-Private Partnership,PPP)“智能网络与服务”。2020年2月,欧盟委员会还宣布加快对欧洲“千兆连接”的投资,包括5G和6G,以塑造欧洲的数字未来[EU Gigabit Connectivity,2020]。
表3-4 欧盟委员会ICT-20和ICT-52研究项目
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2016年,美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)与英特尔(Intel)、美光(Micron)和亚德诺半导体公司(Analog Devices)等半导体和国防行业的公司一起,成立了联合大学微电子计划(Joint University Microelectronic Project,JUMP),共有六个研究中心,以解决微电子技术中面临的挑战。太赫兹融合通信和传感中心(Center for Converged TeraHertz Communications and Sensing,ComSecTer)旨在为未来的蜂窝基础设施研发相关技术。美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)于2019年3月宣布,为6G及未来通信系统开放95GHz~3THz之间的实验许可证,以促进THz通信的测试。2020年10月,ATIS发起了“下一代通信技术联盟”,创始成员包括AT&T、T-Mobile、Verizon、高通、爱立信、诺基亚、苹果、谷歌、脸书、微软等。这是一项行业倡议,旨在通过私营部门主导的努力,在未来十年提升北美移动技术在6G领域的领先地位。它非常重视技术商业化,其目标是覆盖6G研发、制造、标准化和市场准备的整个生命周期。另一家以可重复使用火箭的革命性创新而闻名的美国太空探索技术公司SpaceX于2015年宣布了星链项目[Foust,2019]。星链是一个非常大规模的低轨通信卫星星座,旨在为全球提供无处不在的互联网接入服务。美国联邦通信委员会已经批准了第一阶段计划,计划发射12000颗卫星,并正在考虑另一项额外30000颗卫星发射的申请。自2019年5月首次发射以来,迄今已通过19次太空发射成功部署了1100多颗卫星。2021上半年,通过十几次发射部署了数百颗星链卫星,实现了其之前的计划,即通过两次发射每月部署120颗卫星。截至目前,星链服务已使用1500多颗卫星提供商业服务,用户数量超过60000。当有人声称星链将取代5G或代表6G时,这种说法太过夸张,但移动行业应该认真考虑如此大规模的低轨卫星星座对6G的影响。
早在2018年,中国工业和信息化部5G工作组就开始了对潜在6G技术的概念研究,中国成为首批探索6G技术的国家之一。2019年11月,中国科学技术部发起了6G技术研发工作,同时还成立了由来自高校、科研院所和企业的37名专家组成的总体专家组。2020年11月,中国电子科技大学研发的第一颗6G实验卫星成功发射。它的任务是使用高频太赫兹频谱测试太空通信。中国领先的ICT公司华为表示,其目前正处于6G研究的初始阶段。根据华为提供的6G发展路线图,预计2023年左右实现6G愿景,2026年实现标准化,2028年推出相关技术,2030年进行初步商业部署。2020年,另一家远程通信设备巨头中兴通讯和中国三大运营商之一的中国联通启动了6G技术创新和标准合作。最近,由华为和中国移动牵头成立了“6G网络人工智能联盟(6G Alliance of Network AI,6GANA)”,该联盟专注于将人工智能技术与移动网络集成,以支持下一代系统中的人工智能即服务(AI as a Service,AIaaS)特性。
2017年末,日本内务通信省成立了一个工作组,主要研究下一代无线技术。他们认为6G应该提供比5G快至少十倍的传输速率、近乎即时的连接以及每平方千米1000万台设备的大规模连接。2020年初,日本政府成立了一个由私营部门和学术界代表组成的专门小组,讨论技术开发、潜在用例和政策。据报道,日本预计将投入约20亿美元,鼓励私营部门研发6G技术。
韩国宣布计划在2026年进行首次6G试验,预计将在五年内花费约1.69亿美元开发6G关键技术。该试验旨在实现1Tbit/s的峰值数据速率和比5G低十倍的极低延迟。韩国政府将推动六个关键领域(超性能、超带宽、超精度、超空间、超智能和超信任)的项目研究,以优先确保下一代技术的可实施性。随着华为的5G技术在美国、澳大利亚和英国被禁止,三星电子加速实现成为全球主要电信供应商的目标。三星研究院在6G标准研究团队的基础上成立了下一代通信研究中心,是三星研究院最大的部门。LG电子宣布了其引领6G全球标准化并创造新商机的目标。随后,LG电子于2019年1月成立了6G研究中心,并成立了韩国科学技术高级研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology,KAIST)。