6G移动通信技术展望

2019年1月JournalonCommunicationsJanuary20192019022-1第40卷第1期通信学报Vol.40No.16G移动通信技术展望张平1，牛凯1，田辉1，聂高峰1，秦晓琦1，戚琦2，张娇1（1.北京邮电大学信息与通信工程学院，北京100876；2.北京邮电大学网络技术研究院，北京100876）摘要：为满足人类更深层次的智能通信需求，6G将实现从真实世界到虚拟世界的延拓。为此提出了6G需要解决“人−机−物−灵”的问题，设计了6G演进的双世界架构，该架构将支持6G中存在于虚拟世界的第四元素——灵。进一步给出和分析了支撑6G设计与实现的关键理论与技术。关键词：6G；人−机−物−灵；虚拟世界中图分类号：TN929.53文献标识码：Adoi:10.11959/j.issn.1000−436x.2019022Technologyprospectof6GmobilecommunicationsZHANGPing1,NIUKai1,TIANHui1,NIEGaofeng1,QINXiaoqi1,QIQi2,ZHANGJiao11.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications，Beijing1008762.InstituteofNetworkTechnology,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876Abstract:Toachieveadeeperlevelofintelligentcommunicationforhumanbeings,thesixthgenerationmobilecommu-nicationsystem(6G)willrealizetheextensionfromtherealworldtothevirtualworld.Tothisend,the“hu-man-machine-thing-genie”problemintroducedby6Gwaspresented,andanevolveddual-worldarchitecturefor6Gwasproposed.Thearchitectureincludesthefourthelementsof6G,genie,inthevirtualworld.Thepotentialkeytheoriesandtechnologiestosupportthedesignandimplementationof6Gwereproposedandanalyzed.Keywords:thesixthgenerationmobilecommunicationsystem,human-machine-thing-genie,virtualworld1引言用户通信需求提升和通信技术革新是移动通信系统演进的源动力。为了满足“动中通”的业务需求，第一代移动通信系统（1G，thefirstgenerationmobilecommunicationsystem）实现了“移动”能力与“通信”能力的结合，成为移动通信系统从无到有的里程碑，并拉开了移动通信系统的演进序幕。伴随着数字技术的成熟，第二代移动通信系统（2G，thesecondgenerationmobilecommunicationsystem）完成了从模拟体制向数字体制的全面过渡，并开始扩展支持的业务维度。在日益丰富的业务需求驱动下，第三代移动通信系统（3G，thethirdgenerationmobilecommunicationsystem）采用了全新的码分多址接入方式，完善了对移动多媒体业务的支持[1-2]。至此，高数据速率和大带宽支持成为移动通信系统演进的重要指标。以多入多出（MIMO，multiple-inputmultiple-output）和正交频分多址接入（OFDM，orthogonalfrequencydivisionmultipleaccess）为核心技术的第四代移动通信系统（4G，thefourthgenerationmobilecommunicationsystem）不仅获取了频谱效率和支撑带宽能力的进一步提升[3-5]，还成为了移动互联网的基础支撑。在4G获得巨大商业成功的同时，第五代移动通信系统（5G，thefifthgenerationmobilecommunicationsystem）逐渐渗透到垂直行业，把支持的传统增强移动宽带业务（eMBB，enhancemobilebroadband）场景延拓至海量机器类通信（mMTC，massivemachinetypeof收稿日期：2019−01−09；修回日期：2019–01–16基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.61421061）FoundationItem:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina（No.61421061）·142·通信学报第40卷communication）场景和超高可靠低时延通信（uRLLC，ultrareliableandlowlatencycommuni-cation）场景[6-9]。基于大规模多入多出（massiveMIMO）、毫米波（mmWave，millimeterwave）传输、多连接（MC，multipleconnectivity）等技术，5G实现了峰值速率、用户体验数据速率、频谱效率、移动性管理、时延、连接密度、网络能效、区域业务容量性能的全方位提升[10-11]。纵观上述的演进历程，满足用户的通信需求是每代系统演进的首要目标，而新的通信技术则是每代系统演进的驱动。到目前为止，1G到5G的设计遵循着网络侧和用户侧的松耦合准则。通过技术驱动，用户和网络的基本需求（如用户数据速率、时延、网络谱效、能效等）得到了一定的满足。但是受制于技术驱动能力，1G到5G的设计并未涉及更深层次的通信需求。在未来第六代移动通信系统（6G，thesixthgenerationmobilecommunicationsystem）中，网络与用户将被看作一个统一整体。用户的智能需求将被进一步挖掘和实现，并以此为基准进行技术规划与演进布局。5G的目标是满足大连接、高带宽和低时延场景下的通信需求。在5G演进后期，陆地、海洋和天空中存在巨大数量的互联自动化设备，数以亿计的传感器将遍布自然环境和生物体内。基于人工智能（AI，artificialintelligence）的各类系统部署于云平台、雾平台等边缘设备，并创造数量庞大的新应用。6G的早期阶段将是5G进行扩展和深入，以AI、边缘计算和物联网为基础，实现智能应用与网络的深度融合，实现虚拟现实、虚拟用户、智能网络等功能。进一步，在人工智能理论、新兴材料和集成天线相关技术的驱动下，6G的长期演进将产生新突破，甚至构建新世界[12-13]。本文首先分析6G演进趋势，探讨人工智能与人类用户的关系，然后基于6G业务需求框架提出新的通信元素——灵(Genie)，并此基础上预测6G移动通信的使能技术。2AI——6G演进趋势分析的出发点虽然，AI在6G的应用是大势所趋，但是简单地把AI当作6G里的一种与移动通信简单叠加的技术是不正确的。只有深入挖掘用户的需求，放眼智能、通信与人类未来的相互关系，才能揭示6G移动通信的技术趋势。以色列历史学家尤瓦尔·赫拉利在《未来简史》[14]中预测了AI与人类之间关系的3个递进阶段：1)AI是人类的超级助手（oracle），能够了解与掌握人类的一切心理与生理特征，为人类提出及时准确的生活与工作建议，但是接受建议的决定权在人类手中；2)AI演变为人类的超级代理（agent），并从人类手中接过了部分决定权，它全权代表人类处理事务；3)AI进一步演进为人类的君王（sovereign），成为人类的主人，而人类的一切行动则听从AI的安排[15]。基于上述预测，6G应当遵循AI与人类关系的发展趋势，达到关系演进的第一阶段，也即oracle阶段。图1给出了6G业务需求框架。作为oracle阶段的重要实现基础，6G承载的业务将进一步演化为真实世界和虚拟世界这2个体系。真实世界体系的业务后向兼容5G中的eMBB、mMTC、uRLLC等典型场景，实现真实世界万物互联的基本需求。虚拟世界体系的业务是对真实世界业务的延伸，与虚拟世界的各种需求相对应。6G创造的虚拟世界能够为每个用户构建AI助理（AIA，AIassistant），并采集、存储和交互用户的所说、所见和所思。虚拟世界体系使人类用户的各种差异化需求得到了数字化抽象与表达，并建立每个用户的全方位立体化模拟。具体而言，虚拟世界体系包括3个空间：虚拟物理空间（VPS，virtualphysicalspace）、虚拟行为空间（VBS，virtualbehaviorspace）、虚拟精神空间（VSS，virtualspiritualspace）。VPS基于6G兼容的典型场景的实时巨量数据传输，构建真实物理世界（如地理环境、建筑物、道路、车辆、室内结构等）在虚拟世界的镜像，并为海量用户的AIA提供信息交互的虚拟数字空间。VPS中的数据具有实时更新与高精度模拟的特征，可为重大体育活动、重大庆典、抢险救灾、军事行动、仿真电子商务、数字化工厂等应用提供业务支撑。VBS扩展了5G的mMTC场景。依靠6G人机接口与生物传感器网络，VBS能够实时采集与监控人类用户的身体行为和生理机能，并向AIA及时传输诊疗数据。AIA基于对VBS提供数据的分析结果，预测用户的健康状况，并给出及时有效的治疗解决方案。VBS的典型应用支撑是精准医疗的普遍实现。基于VPS、VBS与业务场景的海量信息交互与解析，可以构建VSS。由于语义信息理论的发展以及差异需求感知能力的提升，AIA能够获取用户的各种心理状态与精神需求。这些感知获取的需求不2019022-2第1期张平等：6G移动通信技术展望·143·仅包括求职、社交等真实需求，还包括游戏、爱好等虚拟需求。基于VSS捕获的感知需求，AIA为用户的健康生活与娱乐提供完备的建议和服务。例如，在6G支撑下，不同用户的AIA通过信息交互与协作，可以为用户的择偶与婚恋提供深度咨询，可以对用户的求职与升迁进行精准分析，可以帮助用户构建、维护和发展更好社交关系。3Genie——6G灵魂6G不仅包含5G涉及的人类社会、信息空间、物理世界（人、机、物）这3个核心元素，还包含本文定义的第四维元素—灵（Genie）。Genie存在于图1中的虚拟世界体系，不需要人工参与即可实现通信和决策制定。Genie基于实时采集的大量数据和高效机器学习技术，完成用户意图的获取以及决策的制定。Genie可以作为6G用户的AIA，提供强大的代理功能。由于不受智能终端的具体物理形态的限制，Genie凌驾于VPS并包含VBS和BSS的完备功能，具备为用户构建个性化自主沉浸式立体代理的能力。Haddadin等[16]提出触觉机器人网络作为人类虚拟世界的多维度代理，以各类触觉方式，采集和识别人类意图。Genie存在于人−机−物全方位融合的基础之上，可以覆盖任意物理空间的实体，包含可作为通信与计算节点的物理实体，如具备传输与计算能力的智能设备以及建筑、植物等。Genie通过物理空间资源感知用户与环境的多维度信息，实时构建虚拟精神空间中的用户行为特征、决策偏好模型等信息。通过人−机−物−灵协作，Genie可为用户提供实时虚拟业务场景，并代理用户实现相应的需求。6G的应用场景主要包括虚拟现实和虚拟用户。在虚拟现实场景中，6G需要实时感知环境的变化，高效处理海量传感器反馈的数据，并快速完成终端与云中心的信息交换。虚拟用户场景是指借助人工智能、移动计算等技术产生虚拟对象，并通过全网无线接入与传输技术将Genie准确地“部署”于真实环境中，为用户提供虚拟世界与物理世界融合的应用场景。以图2所示的真实环