截至目前，第五代（5G）移動通信系統已在許多國家推出，5G用戶數量已達到非常大的規模。目前是學術界和工業界將注意力轉向下一代的合適時機。在這個十字路口，對當前技術狀態的概述和對未來通信的展望無疑是令人感興趣的。

本文主要探究5G活躍在移動通信領域的前提下，6G是否有存在的必要。因此，本文重點是將5G與6G在技術要求上進行比較討論，并總結了一些代表性機構和國家最先進的6G研究工作和活動，預測6G產生時的相關規范和標準化路線圖，簡單預測一些可能出現的技術，并介紹其原理、優勢、挑戰和開放的研究問題。本文旨在探究6G誕生后，對人們的日常生活會產生怎樣的變化，盡量全面地描述6G系統各方面的全貌，激發人們對6G通信系統后續研究和開發的興趣。

引言

移動通信系統是從美國和北歐誕生的第一代模擬蜂窩系統即1G網絡。目前已經發展到第五代。2G的創新點在全球移動通信系統GSM；3G的創新點在碼分多址（CDMA）的革命性技術，以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA為代表；4G的創新點在通過多輸入多輸出（MIMO）和正交頻分復用（OFDM）的天才組合。5G則將移動通信服務從人擴展到物，也從消費者擴展到垂直行業，從傳統移動寬帶到工業4.0、虛擬現實（VR）、物聯網（IoT）和自動駕駛。

目前，5G仍在世界各地部署，但學術界和工業界已經將注意力轉移到6G系統，以滿足未來2030年的信息和通信需求。雖然曾有人反對談論6G[1]，但其實關于下一代無線網絡的幾項開創性工作已經開始。2018年7月，國際電信聯盟電信（ITU-T）標準化部門成立了一個名為“網絡2030技術”的重點小組。該小組打算研究2030年及以后的網絡能力[2]，屆時有望支持新的前瞻性場景，如全息型通信、無處不在的智能、觸覺互聯網、多感官體驗和數字孿生。歐盟委員會發起贊助5G以外的研究活動，正如《地平線2020》（Horizon 2020）呼吁的那樣——ICT-20 5G長期演進和ICT-52 5G以外智能連接——2020年初，一批關鍵6G技術的先鋒研究項目啟動。 

歐盟委員會還宣布了加快對歐洲“千兆連接”（包括5G和6G）投資的戰略，以塑造歐洲的數字未來[3]。2020年10月，下一代移動網絡（NGMN）啟動了新的“6G愿景和驅動因素”項目，旨在為全球6G活動提供早期和及時的指導。美國、中國、德國、日本和韓國等移動通信領域的其他傳統主要參與者已經正式啟動了6G研究。 

開發6G的關鍵驅動力

自2019年年中以來，商用5G移動網絡已在全球鋪開，并在一些國家達到了非常大的規模。例如，截止2020年底中國部署的5G基站數量超過50萬個，服務于1億多5G用戶。按照每十年出現新一代的傳統，現在是學術界和工業界開始探索5G繼任者的時候了。然而，在邁向6G的道路上，我們遇到的第一個問題就是“6G是否真的需要? ”，或者說“5G是否已滿足需求? ”，因此本文討論開發6G的關鍵驅動力。

下一代系統的發展不僅受到移動流量和移動訂閱指數增長的推動，而且還受到即將出現的新的破壞性服務和應用的推動。此外，它還受到移動通信社會不斷提高網絡效率（即成本效率、能源效率、頻譜效率和運營效率）的內在需求驅動。隨著AI、THz和大規模衛星星座等先進技術的出現，通信網絡能夠朝著更強大、更高效的系統發展，以更好地滿足當前服務的需求，并為提供迄今從未見過的破壞性服務打開了可能性。

關鍵驅動力之一首先是移動流量的爆炸性增長。我們正處于一個前所未有的時代，大量智能產品、交互式服務和智能應用程序迅速涌現和發展，對移動通信提出了巨大的需求。可以預見，5G系統很難適應2030年及以后的巨大移動通信量。由于豐富的視頻應用程序、增強的屏幕分辨率、機器對機器（M2M）通信、移動云服務等新技術應用激增，全球移動通信量將以爆炸性的方式持續增長，2030年將達到每月5016 EB，而2020年為每月62 EB。愛立信的一份報告[4]顯示，2019年底全球移動通信量已達到每月33 EB，這證明了ITU-R估計的正確性。

在過去十年中，由于移動寬帶（MBB）的普及，智能手機和平板電腦的數量呈指數級增長。這一趨勢將在21世紀20年代繼續，因為智能手機和平板電腦的滲透率尚未飽和，特別是在發展中國家。與此同時，可穿戴電子設備和VR眼鏡等新型用戶終端迅速出現在市場上，并迅速被消費者采用。另一方面，隨著MBB用戶數量的增加，每個MBB用戶的流量需求不斷增加。這主要是因為Youtube、Netflix和最近的Tik Tok等移動視頻服務的普及，以及移動設備屏幕分辨率的穩定提高。即將到來的移動流量爆炸性增長三分之二[4]來自于移動視頻服務，并且移動視頻服務將在未來更占主導地位。在一些發達國家，在2025年之前，豐富的視頻服務推動了強勁的流量增長，由于增強現實（AR）和VR應用的滲透，長期增長浪潮將持續。

另一個關鍵驅動力是潛在應用案例。隨著新技術的出現和現有技術的不斷發展，如全息、機器人、微電子、光電、人工智能和空間技術，移動網絡中可以培育出許多前所未有的應用。為了強調6G的獨特特性并定義6G的技術要求，主要列舉一些6G的潛在應用案例，比如全息型通信（HTC），多感官體驗和大眾智能等等。

全息型通信（HTC）：與使用雙眼視差的傳統3D視頻相比，真正的全息圖可以盡可能自然地滿足肉眼觀察3D對象的所有視覺提示。隨著近年來全息顯示技術的顯著進步，如微軟的HoloLens[5]，預計其應用將在未來十年成為現實。通過移動網絡遠程渲染高清全息圖將帶來真正的沉浸式體驗。例如，全息遠程呈現將允許遠程參與者以全息圖的形式投影到會議室，或者允許在線培訓或教育的參與者與超現實的對象交互。然而，即使使用圖像壓縮，HTC也會導致每秒太比特量級的巨大帶寬需求。

除了考慮二維（2D）視頻中的幀速率、分辨率和顏色深度外，全息圖的質量還包括傾斜、角度和位置等體積數據[6]。HTC還需要超低延遲，以實現真正的沉浸感和跨大量相關流的高精度同步，從而重建全息圖。

多感官體驗：人類有五種感官（視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺）來感知外部環境，而當前的通信只關注光學（文本、圖像和視頻）和聲學（音頻、語音和音樂）媒體。味覺和嗅覺的參與可以創造完全沉浸式的體驗，這可能會帶來一些新的服務，例如在食品和紋理行業[2]。此外，觸覺通信的應用將發揮更重要的作用，并帶來廣泛的應用，如遠程手術、遠程控制和沉浸式游戲。這個應用案例對低延遲提出了嚴格的要求。

大眾智能：隨著移動智能設備的普及以及機器人、智能汽車、無人機和VR眼鏡等新型互聯設備的出現，空中智能服務有望蓬勃發展。這些智能任務主要依賴于傳統的面向計算的人工智能技術：計算機視覺、同時定位和映射（SLAM）、人臉和語音識別、自然語言處理、運動控制等。為了克服移動設備上嚴格的計算、存儲、功率和隱私限制，6G網絡將通過利用云、移動邊緣和終端設備上的分布式計算資源，并培養高效通信的ML訓練和干擾機制，以AI即服務的方式提供普遍智能[7]。例如，波士頓動力公司的Atlas等人形機器人[8]可以將SLAM的計算負載轉移到邊緣計算資源，以提高運動精度、延長電池壽命，并通過移除一些嵌入式計算組件變得更輕。除了計算密集型任務外，普適智能還促進了對時間敏感的AI任務，以避免在需要快速決策或對條件做出響應時云計算的延遲限制。 

6G技術要求

為了很好地支持2030年及以后的破壞性用例和應用，6G系統將提供極高的容量、可靠性、效率等。與[9]中規定的IMT-2020最低要求一樣，使用了大量定量或定性KPI來指示6G的技術要求。大多數用于評估5G的KPI仍然適用于6G，而一些新的KPI將被引入新技術特征的評估。

以下5個KPI可以被視為5G定義中的關鍵要求，簡要介紹如下：

峰值數據速率：在用戶需求和THz通信等技術進步的推動下，預計將達到1Tbps，是5G的數十倍，5G的峰值速率為下行鏈路20 Gbps，上行鏈路10 Gbps。

用戶體驗數據率：此數值定義為用戶吞吐量的累積分布函數的第5百分位（5%）。換言之，用戶可以在任何時間或位置獲得至少95%的數據速率。衡量感知性能，尤其是在小區邊緣，并反映網絡設計的質量（如站點密度、架構、小區間優化等）更有意義。在密集城市的5G部署場景中，用戶感知速率的目標是下行鏈路為100Mbps，上行鏈路為50Mbps。預計6G可以提供更高的1Gbps，是5G的10倍。

延遲：延遲可以分為用戶平面和控制平面延遲。前者是假設移動站處于活動狀態，在無線網絡中從源發送分組到目的地接收分組的時間延遲。在5G中，eMBB對用戶平面延遲的最低要求為4ms，URLLC為1ms。預計該值將進一步降低到100μs甚至10μs。控制平面延遲是指從最“電池效率”狀態（例如，空閑狀態）到開始連續數據傳輸（例如，活動狀態）的過渡時間。5G中控制平面的最小延遲應為10ms，預計6G中也會顯著改善。除了空中延遲，往返或E2E延遲更有意義，但由于涉及大量網絡實體，因此也很復雜。在6G中，E2E延遲可被視為一個整體。

移動性：移動性意味著在提供可接受的體驗質量（QoE）的情況下，由網絡支持的移動站最高移動速度。為了支持高速列車的部署場景，5G支持的最高移動性為500公里/小時。在6G中，如果考慮商業航空系統，最大速度為1000公里/小時。

連接密度是mMTC使用場景中用于評估的KPI。在無線資源數量有限的情況下，每平方公里具有寬松QoS的設備的最小數量為106臺5G，預計將進一步提高10倍，達到107臺每平方公里。 

可見光通信

VLC工作在400THz至800THz的頻率范圍內。與使用天線的較低THz范圍的射頻技術不同，VLC依靠照明源（尤其是發光二極管（LED））和圖像傳感器或光電二極管陣列來實現收發器。使用這些收發器，可以以低功耗（10 Mbps至100 Mbps時為100 mW）輕松實現高帶寬，而不會產生電磁或無線電干擾。主流LED的高能效、長壽命（長達10年）和低成本，加上未經許可的頻譜訪問，使VLC成為對電池壽命和訪問成本敏感的用例（如大規模物聯網和無線傳感器網絡（WSN））有吸引力的解決方案。此外，VLC在一些非地面場景（如航空航天和水下）中也表現出比RF技術更好的傳播性能，這可能是未來6G生態系統的重要組成部分。

與RF相比，VLC中的MIMO增益非常脆弱，尤其是在室內場景中。這源于傳播路徑之間的高一致性，即低空間多樣性。雖然通過使用間隔LED陣列可以在某種程度上降低這種一致性[10]，但MIMO-VLC也受到接收機設計和實現的挑戰：非成像接收機對其與發射機的空間對準極為敏感，而成像接收機因其高昂的價格而不適用于成本關鍵的使用情況。因此，盡管學術界自十年來一直在努力 [11]，但到目前為止，還沒有將MIMO方法標準化為IEEE 802.15.7的主流VLC物理層。因此，VLC中的波束形成與基于MIMO的RF波束形成不同，是通過稱為空間光調制器（SLM）的特殊光學設備實現的。

與毫米波和太赫茲技術類似，VLC也依賴LOS信道，因為它既沒有穿透能力，也沒有足夠的衍射來繞過常見障礙物。同時，由于對相鄰小區干擾和幾乎無處不在的環境光噪聲的擔憂，VLC系統通常需要具有窄波束的定向天線。這些事實使得VLC系統對用戶的位置和移動性高度敏感，導致對波束跟蹤的高要求。

另一方面，該功能也可以在某些使用場景中發揮優勢，例如室內定位的精度更高[12]，車輛通信的干擾更低[13]。

VLC面臨的另一個關鍵技術挑戰是開放和不受監管（更具體地說，不可監管）的可見光頻譜接入，這意味著與許可RF頻帶中的傳統蜂窩系統相比，VLC系統的安全風險更高，需要更嚴格的安全要求。關于這一點，物理層安全性作為一種有前途的解決方案被廣泛研究[14]。

總結與展望

本文對6G移動系統的驅動因素、需求、動力和促成因素進行了部分調查。可以得出的結論是，每十年新一代的傳統演進不會終止于5G，考慮到學術界和工業界對發展6G的巨大熱情，第一個6G網絡預計將于2030年或更早部署。6G將以更具成本效益、能效和資源效率的方式，適應5G中引入的用例和應用，如物聯網、工業4.0、虛擬現實和自動駕駛，并提供更好的體驗質量。同時，它將實現5G無法支持的前所未有的用例，例如全息型通信、普及智能、全球無處不在的可連接性，以及我們尚無法想象的其他破壞性應用。從5G時代引入MTC和IoT開始，移動通信服務的趨勢從僅以人為中心擴展到連接機器和事物，這一趨勢將繼續下去，而萬物互聯將在6G到來時實現。6G系統必須滿足對延遲、可靠性、移動性和安全性的極為嚴格的要求，并大幅提高覆蓋率、峰值數據速率、用戶體驗速率、系統容量和連接密度，與5G相比，KPI通常提高10至100倍。

1926年，工程師兼發明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）表示，“當無線技術完美應用時，整個地球將變成一個巨大的大腦”。當6G到來時，這一預言將變成現實。

參考文獻

[1] F. H. P . Fitzek and P . Seeling, “Why we should not talk about 6G,” arXiv, Mar. 2020

[2] “A blueprint of technology, applications and market drivers towards the year 2030 and beyond,” White Paper, ITU-T FG-NET-2030, May 2019

[3] “Shaping Europe’s digital future,” Communication-COM(2020)67, European Commission, Brussels, Belgium, Feb. 2020.

[4] “Mobile data traffic outlook,” Report, Ericsson, Jun. 2020.

[5] Microsoft HoloLens. [Online]. Available: https://www.microsoft.com/en-us/hololens/

[6]  A. Clemm et al., “Toward truly immersive holographic-type communication: Challenges and solutions,” IEEE Commun. Mag., vol. 58, no. 1,pp. 93–99, Jan. 2020.

[7] K. B. Letaief et al., “The roadmap to 6G: AI empowered wireless networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 57, no. 8, pp. 84–90, Aug. 2019

[8]  Boston dynamics. [Online]. Available: https://www.bostondynamics.com/atlas

[9] Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s), ITU-R Std. M.2410-0, Nov. 2017.

[10] A. Al-Kinani et al., “Optical wireless communication channel measurements and models,” IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 20, no. 3, pp. 1939–1962, 2018

[11] N. Huang et al., “Transceiver design for MIMO VLC systems with integerforcing receivers,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 36, no. 1, pp. 66–77, 2018

[12] Y . Zhuang et al., “A survey of positioning systems using visible LED lights,” IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 20, no. 3, pp. 1963–1988,2018.

[13] A. Memedi and F. Dressler, “V ehicular visible light communications: A survey,” IEEE Commun. Surveys Tuts., pp. 1–1, 2020.

[14] M. A. Arfaoui et al., “Physical layer security for visible light communication systems: A survey,” IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 22,no. 3, pp. 1887–1908, 2020.

翻譯修改自：W. Jiang, B. Han, M. A. Habibi and H. D. Schotten, "The Road Towards 6G: A Comprehensive Survey"