6G白皮书：无界，有AI.pdf

紫光展锐 版权所有 6G 白皮书 紫光展锐中央研究院 2020 年 11 月 10 日 目录 1. 前言 . 1 2. 6G 趋势、应用场景与需求 . 3 2.1. 6G 趋势 . 3 2.1.1. 无界 . 3 2.1.2. 有 AI . 5 2.2. 6G 应用场景 . 9 2.2.1. 全息通信 . 9 2.2.2. 沉浸式 XR . 10 2.2.3. 数字孪生 . 11 2.2.4. 全域无缝覆盖 . 13 2.2.5. 全自动驾驶 . 14 2.3. 6G 需求 . 15 2.3.1. 系统性能指标 . 15 2.3.2. 6G 终端芯片技术需求 . 17 3. 网络架构的演进 . 21 3.1. 以用户为中心的全空间网络架 构 . 22 3.1.1. 以用户为中心 . 22 3.1.2. 空天地一体化 . 23 3.2. 泛在算力网络 . 24 3.3. 安全可信的网络架构 . 25 4. 6G 核心技术 . 27 4.1. 太赫兹通信技术 . 27 4.2. 可见光通信技术 . 29 4.3. 全双工技术 . 31 4.4. 增强 MIMO 技术 . 32 4.5. 先进调制编 码技术 . 34 4.6. 非正交接入技术 . 35 4.7. 星地协同传输技术 . 37 4.8. AI辅助通信 . 37 5. 总结 . 41 6. 参考文献 . 43 1 1. 前言 烽火、马拉松、驿站等信息传递方式伴随人类走过了几千年的历史。 19 世纪，麦克斯韦、赫兹、马克尼、波波夫等先辈完成了无线电从理论、实验证明到工程化应用等一系列突破，人类首次打破空间束缚并实现了 准实时的信息交流。 20 世纪四五十年代，贝尔实验室的科学家们奠定了现代信息系统发展的两大基石：香农、 Ring & Young 的信道容量公式及蜂窝概念至今仍在指引移动通信系统的发展； John Bardeen、 William Shockley、 Walter Brattain 发明的晶体管更是现代所有信息系统的工程实现基础。 现代移动通信系统真正融入普通大众的日常生活始于 1980 左右，发展过程中也被赋予了 “ 代际（ Generation） ” 的概念。从第一代系统（ 1st Generation, 1G）的语音， 2G 的语音与数据， 3G 的多媒体到 4G 的富媒体，移动通信系统以每代 10年的更迭节奏伴随我们度过了四十多年，不断拓宽的信息高速公路带来了人类社会前所未有的加速发展。 站在 2020年，回望过去十年， 4G 的普及彻底改变了我们的社交、娱乐、购物、饮食等生活方式；遥望下一个十年， 5G，按其被赋予的使命，也将渗透到 生产、交通、医疗、能源、金融、教育等社会生产的各个角落，革命性 地 改变人类社会基本运行方式。 发展永无止境， 5G 之后， 6G 该如何被构画？用什么样的技术去打造？将如何进一步影响人类社会发展？本白皮书将分享紫光展锐的部分观点。 4G改变生活， 5G改变社会， 6G将 重塑 世界 。 模拟语音F D M AP H O N E1 2 34 5 67 8 9P H O N E数字语音 / 文字F D M A / T D M A1 2 34 5 67 8 9P H O N E语音 / 文字多媒体业务C D M A2 G1 G3 G4 G富媒体移动支付在线游戏M IM O / O F D M A5 G万物互联行业渗透e M BBU RL L Cm M T CO F D M A6 G80 s 90 s 00 s 10 s 20 s速率 ？技术 ？场景 ？社会影响 ？12 : 0012 : 0014 . 4 K bps384 K bps 2 M bps100 M bps 1 G bps 20 G bps30 s ?速率 / 业务类型时间图 1. 通信系统演进 3 2. 6G 趋势、应用场景与需求 在需求和技术的双重驱动下， 6G 不再只是通信技术的增强演进， 而是通过 通信技术与信息技术、数据技术及人工智能（ Artificial Intelligence, AI） 等 技术的深度融合，由移动通信网络 发展 为移动信息网络 。 2.1. 6G趋势 6G 移动信息网络将 极大的 打破 传统信息交互的 界限，突破 信息触达的 边界， 智能无处不在，构造一个“无界，有 AI”的未来世界。 2.1.1. 无界 技术的不断发展 和信息化的不断普及将把 6G 技术应用到更多领域 。 一方面，通信产业与其他行业领域的壁垒界限将逐步被打破直至消失 ； 另一方面，通信能力本身也将突破原有能力限制，随着应用范围的扩大而不断提升。 6G 势必把各个产业带入继引入计算机信息化之后的第二个春天。 宏观与微观 的 联接 自人类诞生以来，人们对天空和远方的 想象，留下了无数的神话，显微镜的发明又打开了微观世界的大门。人们既可以借助科技的翅膀，实现 “ 可上九天揽月 ” 的梦想，又可以透过科技的眼睛，验证 “ 一花一世界 ” 的哲思。 6G 技术也在沿着这一思路在宏观和微观世界分别展开探索。一 方面，以地面移动通信和卫星通信为基础，构建空天地一体化通信系统，实现从地面到天空的扩展。另一方面，以纳米级传感器、物联网等 技术为基础，构建实时感知和监控系统，实现高效精确的健康监测和病理研究。 虚拟与现实 的融合 “ 庄周梦蝶 ” 是虚拟与现实的交织，是对主观与客观认识的一种哲学 思考。我们所认为的现实，都是通过各种感觉器官获得的，模拟人类五种感官 的不同感受是实现虚拟和现实融合的关键。借助于 虚拟现 实 （ Virtual Reality, VR） 、增强现实 （ Augmented Reality, AR） 及 6G网络技术，不仅视 觉和听觉信息可以被数字化，触觉、味觉和嗅觉信息将来也可以在一端被采集和数字化，通过网络传输，并在另一端完整复现，提供给用户完全沉浸式的体验，实现虚拟与现实的完全融合。 数字与物理 的映射 得益于通信、感知、计算、存储等技术的进步，当前人们已经有能力针对物理世界中的部分物品或较小的系统重构出一个数字孪生体。随着 6G 时代的到来，复杂的大型物理实体4 可 以被精细数字化建模，并且物理实体和数字模型进行信息交换实时互动 。 借助大数据处理和 AI，在数字世界进行推断和预测，让人们打开 “ 上帝视角 ” ，实现对物理世界的先知先觉。数字世 界与物理世界将不再是泾渭分明的两个世界，而是可以相互映射、相互影响的孪生世界。 过去与未来 的 穿越 随着虚拟现实及通信网络等技术的进步，尤其是计算机动画、全息和沉浸式 XR（ Extended Reality） 等技术的快速发展，使得我们可以对某些已经消失或尚未出现的 事物 进行还原和构建，也可以对当前的事物进行全息式的保存。无论是逝去的人还是消失的物，无论是波澜壮阔的战争还是灿烂辉煌的文明，无论是浪漫美妙的太空遨游还是惊险刺激的星际穿越，都可以得到最真实的还原和最完整的呈现。在某种意义上，过去、现在和未来不再是一条不 可逆的单向线，人们可以随意地 进行 “ 时间旅行 ” ， 体验百味人生。 技术与需求的 匹配 6G 信息网络将是一个通过各种技术手段 按需提供 资源 和 服务 的网络。 多层次融合通信 6G 网络实现 的 从微观到宏观的空间全覆盖，不 是不同网络体系的孤立运行，也 不是不同网络体系简 单的互联互通，而是一种深度融合的多层次一体化通信体系。多层次融合通信的发展，需要从业务、频谱、网络架构、核心技术等方面进行深度融合，结合灵活的组网模式，构建多层次一体化通信系统，实现统一高效的资源调度与网络管控。 全维度人机交互 人机智能交互致力于实现人与机器 间进行传统五大知觉（视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉）以及人类思维感情的全方位立体智能交互。机器要有全感官信息接收识别能力和人类可辨识的知觉制造能力，并且要求该能力能够做到精细化和抗干扰化。例如，机器视觉除对人和物进行分类识别和判断外，还可以对手势、体态、表情和眼神等进行智能判断 ；机器听觉除了对标准语言的精确识别 ， 还要解决噪声、口音、多语言混杂等复杂场景的精确识别。除了传统的五感交互之外，人类思维感情的交互是更加高级的应用，让人和机器之间做到 “ 心有灵犀 ” ，提升人们的智能化生活体验。 全资源灵活 调用 由于用户需求 多样且差异化显著， 6G 对频谱、计算、存储等资源的需求不仅是总量的提升，还要具有灵活调度分配能力。在 6G 网络中，频谱接入的趋势是低频段为基础，高频段以按需方式开启，实现低频段、毫米波、太赫兹与可见光多频段共存与融合组网，在覆盖、速率、安全等方面满足不同的用户需求；计算资源将遍布整个系统，计算任务可5 以在终端、边缘节点、云端等实现灵活、实时的分割、下放和卸载，匹配不同节点的计算能力和能效需求；存储资源将更加丰富，除了用户终端和服务器，各类个人云、企业私有云和公有云等也将全面发展，依托高速率低时延的 6G 网络显著降低 单个节点尤其是终端节点的存储压力。在不断丰富的频谱、计算和存储等资源前提下，基于灵活的资源调度分配，未来的 6G 可以随时随地满足用户的极致需求。 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15 10 16 10 17无线电波 微波 太赫兹 红外 紫外 X - 射线可见光图 2. 全频谱接入 2.1.2. 有 AI “ AI” ， 作为热点词汇，承载了 6G 所具备的两大特征。首先，从信息技术角度， AI是人工智能 的英文缩写。 AI技术相关业务 ，如语音图像识别，智能情感交流等，是 6G 网络 的重要应用 。与此同时， AI 技术也可对 6G 网络进行设计优化，进而提升网络性能和用户体验。其次，从社会人文角度， AI也是汉字 “ 爱 ” 的发 音。 6G 技术 将 为发展全球经济，消灭贫穷、饥饿和不公平等提供新的解决方案，创造一个更加有爱的世界。 2.1.2.1. 智慧的 6G技术 深度学习算法的快速发展、海量数据获取渠道的增多以及硬件计算和存储能力的显著提升使得 AI技术在近些年来呈现爆炸式的发展，并在语音识别、图像识别、情感交流等多个领域取得突破。 AI 的发展不仅在消费电子领域给人类带来丰富多彩的各种应用，也在教育、交通、家居、医疗、零售 和 安防等多个行业有广泛应用，促进各个行业产业升级。与此同时， 6G 的高速率、低时延等特性可以很好地为基于 AI的应用提供通信能力保障，尤其为 分布式 AI技术应用提供更多可能，让更多分散的低计算能力单元能够高效实时协作，实现万物智联。 除了 6G 网络支持 AI 应用， AI 技术同样也在给 信息 网络带来新的变化。 5G 网络已初步采用 AI技术来进行网络优化、资源分配 和 干扰协调 等 。 在未来的 6G 网络中，通信与 AI将会更加深度融合，围绕网络部署、运维管理、资源配置、移动性预测 和 空口设计等各层级进行系统设计和性能优化。 6G联合 AI 实现 行业 再造 目前人们已经在医疗、交通、工业等领域对 AI进行了积极的探索。可以预见，随着 AI与行业的深度融合，越来越多的 AI 行业应用正在被发掘 或拓展，同时 AI 行业应用对网络