6G概念及愿景白皮书

6G概念及愿景白皮书赛迪智库无线电管理研究所2020年3月编写组：彭健孙美玉滕学强版权声明本白皮书版权属于中国电子信息产业发展研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字、观点和数据的，应注明“来源：中国电子信息产业发展研究院”。违反上述声明者，本院有权依法追究其法律责任。I目录一、前言.........................................1二、从5G走向6G：打通虚实空间泛在智联的统一网络..2三、6G应用场景展望...............................5（一）人体数字孪生........................................................5（二）空中高速上网........................................................5（三）基于全息通信的XR..............................................6（四）新型智慧城市群....................................................7（五）全域应急通信抢险................................................7（六）智能工厂PLUS......................................................8（七）网联机器人和自治系统........................................9四、6G网络性能指标及潜在关键技术.................9（一）性能指标.................................................................9（二）潜在关键技术......................................................101、下一代信道编码及调制技术.....................102、新一代天线与射频技术.............................123、太赫兹无线通信技术与系统.....................134、空天海地一体化通信技术.........................145、软件与开源网络关键技术.........................146、基于AI的无线通信技术.........................157、区块链技术.................................................15II8、动态频谱共享技术.....................................16五、ITU面向2030网络及6G的研究.................16（一）ITU-T聚焦2030网络的研究.............................17（二）ITU-R正式启动6G研究....................................18六、世界各国6G研究进展.........................19（一）中国.......................................................................19（二）美国.......................................................................20（三）韩国.......................................................................21（四）日本.......................................................................22（五）英国.......................................................................23（六）芬兰.......................................................................24七、我国推进6G研发的相关建议...................25（一）加大6G候选频段研究力度...............................25（二）推进6G国际化合作与发展...............................25（三）突破6G潜在关键技术.......................................261一、前言当前，全球新一轮科技革命和产业变革正在加速演进，人工智能（AI）、VR/AR、三维（3D）媒体和物联网等新一代信息通信技术的广泛应用产生了巨大的传输数据。资料显示，2010年全球移动数据流量为7.462EB/月，而到2030年，这一数字将达到5016EB/月，移动数据流量的快速增长对移动通信系统的迭代提出了更高的要求。此外，在制造、交通、教育、医疗和商业等社会的各个领域，智能化正成为不可逆的趋势。为了实现智慧城市的愿景，数百万个传感器将被嵌入到城市中的车辆、楼房、工厂、道路、家居和其他环境中，需要具有可靠连接性的无线高速通信方式来支持这些应用。随着通信需求的提升，移动通信从1G逐步发展至现在的5G，并且5G已经在全球范围内开始大规模部署。5G与4G相比，能够提供新功能并实现更好的服务质量（QoS）。尽管如此，以数据为中心的智能化系统的快速增长对5G无线系统的能力带来了巨大挑战。例如要保证虚拟现实（VR）设备良好的用户体验，至少需要10Gbps的数据速率，这已经是超越5G（B5G）后才能实现的目标。为了克服5G应对新挑战的性能限制，需要开发具有新功能特性的6G无线系统。一方面，6G要实现对传统蜂窝网络所有功能的融合，例如支持网络致密化、高吞吐量、高可靠性、低能耗以及大规模连接。另一方面，6G将运用新技术实现服务和2业务的拓展，包括AI、智能可穿戴设备、自动驾驶汽车、扩展现实（XR）和3D投影等。本白皮书将从6G愿景、6G应用场景、6G网络性能指标、6G潜在关键技术、国际组织和各国6G研究进展等方面展开讨论，并提出加快我国推进6G研发的相关建议。二、从5G走向6G：打通虚实空间泛在智联的统一网络自上世纪80年代以来，移动通信基本上以十年为周期出现新一代革命性技术（如图1所示），持续加快信息产业的迭代升级，不断推动经济社会的繁荣发展，如今已成为连接人类社会不可或缺的基础信息网络。从应用和业务层面来看，4G之前的移动通信主要聚焦于以人为中心的个人消费市场，5G则以更快的传输速度、超低的时延、更低功耗及海量连接实现了革命性的技术突破，消费主体将从个体消费者向垂直行业和细分领域全面辐射。特别是在5G与人工智能、大数据、边缘计算等新一代信息技术融合创新后，能够进一步赋能工业、医疗、交通、传媒等垂直行业，更好地满足物联网的海量需求以及各行业间深度融合的要求，从而实现从万物互联到万物智联的飞跃。3图1移动通信的演进历程（1G~6G）5G的目标是在满足个人用户信息消费需求的同时，向社会各行业和领域广泛渗透，实现移动通信网络从消费型应用向产业型应用的升级。尽管当前5G尚未大规模应用和深入渗透，但从5G标准的规范来看，仍然在信息交互方面存在空间范围受限和性能指标难以满足某些垂直行业应用的不足。例如，从通信网络空间覆盖范围看，5G仍然是以基站为中心的发散覆盖，在基站所未覆盖的沙漠、无人区、海洋等区域内将形成通信盲区，预计5G时代仍将有80%以上的陆地区域和95%以上的海洋区域无移动网络信号。此外，5G的通信对象集中在陆地地表10km以内高度的有限空间范围，无法实现“空天海地”无缝覆盖的通信愿景。从行业应用的网络性能需求看，更大的连接数密度、更大的传输带宽、更低的端到端时延、更高的可靠性和确定性以及更智能化的网络特性，是移动通信网络与垂直行业融合应用得以快速推广和长远发展的必然需要。例如，对于智能工厂，6G能够将时延缩减至亚秒（1ms）级甚至是微秒（μs）级，从而能4够逐步取代工厂内机器间的有线传输，实现制造业更高层级的无线化和弹性化。另外，目前5G的连接数密度约为每平方米一个连接设备，随着传感器技术和物联网应用的发展，在很多应用场景下每平方米连接的设备数量将超过1个，5G网络将无法承担更大连接设备的接入，必须依赖下一代6G网络超大连接数性能的支撑。基于上，我们认为6G总体愿景是基于5G愿景的进一步扩展和升级。从网络接入方式看，6G将包含多样化的接入网，如移动蜂窝、卫星通信、无人机通信、水声通信、可见光通信等多种接入方式。从网络覆盖范围看，6G愿景下将构建跨地域、跨空域、跨海域的空—天—海—地一体化网络，实现真正意义上的全球无缝覆盖。从网络性能指标看，6G无论是传输速率、端到端时延、可靠性、连接数密度、频谱效率、网络能效等方面都会有大的提升，从而满足各种垂直行业多样化的网络需求。从网络智能化程度看，6G愿景下网络和用户将作为统一整体，AI在赋能6G网络的同时，更重要的是深入挖掘用户的智能需求，每个用户都将通过AI助理（AIA，AIassistant）提升用户体验。从网络服务的边界看，6G的服务对象将从物理世界的人、机、物拓展至虚拟世界的“境”，通过物理世界和虚拟世界的连接，实现人—机—物—境的协作，满足人类精神和物质的全方位需求。5三、6G应用场景展望6G未来将以5G提出的三大应用场景（大带宽，海量连接，超低延迟）为基础，不断通过技术创新来提升性能和优化体验，并且进一步将服务的边界从物理世界延拓至虚拟世界，在人—机—物—境完美协作的基础上，探索新的应用场景、新的业务形态和新的商业模式。（一）人体数字孪生当前网络条件下，数字技术对人体健康的监测主要应用于宏观身体指标监测和显性疾病预防等方面，实时性和精准性有待进一步提高。随着6G技术的到来，以及生物科学、材料科学、生物电子医学等交叉学科的进一步成熟，未来有望实现完整的“人体数字孪生”，即通过大量智能传感器（100个/人）在人体的广泛应用，对重要器官、神经系统、呼吸系统、泌尿系统、肌肉骨骼、情绪状态等进行精确实时的“镜像映射”，形成一个完整人体的虚拟世界的精确复制品，进而实现人体个性化健康数据的实时监测。此外，结合核磁、CT、彩超、血常规、尿生化等专业的影像和生化检查结果，利用AI技术可对个体提供健康状况精准评估和及时干预，并且能够为专业医疗机构下一步精准诊断和制定个性化的手术方案提供重要参考。（二）空中高速上网为了给乘客提供飞机上的空中上网服务，4G/5G时代通6信界为此做过大量的努力，但总体而言，目前飞机上的空中上网服务仍然有很大的提升空间。当前空中上网服务主要有两种模式——地面基站模式和卫星模式。如采用地面基站模式，由于飞机具备移动速度快、跨界幅度大等特点，空中上网服务将面临高机动性、多普勒频移、频繁切换以及基站覆盖范围不够广等带来的挑战。如采用卫星通信模式，空中上网服务质量可以相对得到保障，但是成本太高。为了解决这一难题，6G将采用全新的通信技术以及超越“蜂窝”的新颖网络架构，在降低网络使用成本的同时保证在飞机上为用户提供高质量的空中高速上网服务。（三）基于全息通信的XR虚拟现实与增强现实（AR/VR）被业界认为是5G最重要的需求之一。影响AR/VR技术、应用和产业快速发展的一大因素是用户使用的移动性和自由度，即不受所处位置的限制，而5G网络能够提升这一性能。随着技术的快速发展，可以预期10年以后（2030~），信息交互形式将进一步又AR/VR逐步演进至高保真扩展现实（XR）交互为主，甚至是基于全息通信的信息交互，最终将全面实现无线全息通信。用