本文由EETOP翻譯整理自nature，限于篇幅有部分刪減

摘要

第五代（5G）通信的標(biāo)準(zhǔn)化已完成，在2020年投入商業(yè)運(yùn)行。對(duì)6G通信的展望和規(guī)劃已經(jīng)開始，旨在為21世紀(jì)30年代的未來(lái)需求提供通信服務(wù)。在這里，我們提供了6G的展望，可以作為后5G時(shí)代的研究指南。我們認(rèn)為以人為中心的移動(dòng)通信仍將是6G最重要的應(yīng)用，6G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)以人為中心。因此，高安全性、保密性和私密性應(yīng)該是6G的關(guān)鍵特性，應(yīng)該受到無(wú)線研究社區(qū)的特別關(guān)注。為了支持這一愿景，我們提供了一個(gè)系統(tǒng)的框架，在其中，6G的潛在應(yīng)用場(chǎng)景被預(yù)期和細(xì)分。隨后，我們定義了6G的關(guān)鍵潛在特性，并討論了所需的通信技術(shù)。我們還將探討通信技術(shù)之外可能會(huì)阻礙6G研究和部署的問(wèn)題。

概述

自貝爾實(shí)驗(yàn)室最初開發(fā)高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)（AMPS）（后來(lái)稱為第一代（1G）網(wǎng)絡(luò)）以來(lái)，在過(guò)去的四十年中，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了三次大規(guī)模、徹底的更新，形成了2G、3G和4G網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)的推出正在進(jìn)行中，預(yù)計(jì)到2020年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，研究人員已經(jīng)開始考慮未來(lái)6G通信網(wǎng)絡(luò)。

從這個(gè)角度，我們考慮6G應(yīng)該是什么。我們相信，盡管其他應(yīng)用場(chǎng)景將變得無(wú)處不在并且越來(lái)越重要，但傳統(tǒng)的移動(dòng)通信仍將是2030年代6G最重要的應(yīng)用。因此，6G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該以人為中心，而不是以機(jī)器、應(yīng)用程序或數(shù)據(jù)為中心。基于這一原理，高安全性、保密性和私密性應(yīng)該是6G的關(guān)鍵特性。此外，用戶體驗(yàn)將作為6G通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。為了支持6G通信的這一愿景，我們提供了一個(gè)全面和系統(tǒng)的框架。具體來(lái)說(shuō)，我們首先預(yù)測(cè)并細(xì)分了6G的潛在應(yīng)用場(chǎng)景。然后，我們定義了6G的關(guān)鍵特性，并討論了所需的啟用通信技術(shù)。我們還探討了通信技術(shù)以外的問(wèn)題，這些問(wèn)題可能會(huì)對(duì)21世紀(jì)30年代6G的研究和部署產(chǎn)生重大影響。

背景

為了證明我們的6G展望是正確的，我們首先提供一些背景知識(shí)，涵蓋從1G到4G的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，5G的現(xiàn)狀以及當(dāng)前向6G的研究進(jìn)展（圖1）。

圖1：用戶對(duì)從1G到假設(shè)的6G的不同通信網(wǎng)絡(luò)的感知。

在1G和2G中，語(yǔ)音和文本都是可用的。在3G和4G網(wǎng)絡(luò)中，圖片和視頻變得很常見(jiàn)。在5G中，可以使用實(shí)時(shí)的超高清三維數(shù)據(jù)。在6G中，我們可以有一個(gè)無(wú)處不在的虛擬存在。請(qǐng)注意，數(shù)字底部年份之間的差距已經(jīng)擴(kuò)大，以反映不同通信網(wǎng)絡(luò)日益增長(zhǎng)的能力。

從1G到4G

無(wú)線通信源自馬可尼（Marconi）在19世紀(jì)的無(wú)線電報(bào)的開創(chuàng)性展示，其理論上是基于香農(nóng)（Shannon）在1948年形成的信息論而構(gòu)建的。在1980年代，1G模擬無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)用于語(yǔ)音的移動(dòng)通信。然后在1990年代初被2G數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)所取代。由于數(shù)字化，2G除了提供傳統(tǒng)的語(yǔ)音服務(wù)外，還可以提供加密服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)，如短信服務(wù)(SMS)。在二十一世紀(jì)初，以寬帶碼分多址（WCDMA），CDMA2000，時(shí)分同步CDMA（TD-SCDMA）和WiMAX為代表的3G技術(shù)，使互聯(lián)網(wǎng)接入、視頻通話、移動(dòng)電視等多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)成為可能。在2009年初始化的4G LTE網(wǎng)絡(luò)中，聯(lián)合應(yīng)用了多輸入多輸出（MIMO）天線架構(gòu)，正交頻分復(fù)用（OFDM）和全互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。4G在技術(shù)和商業(yè)上均取得了巨大的成功。隨著智能手機(jī)和平板電腦的普及，移動(dòng)通信已經(jīng)成為主流，在4G網(wǎng)絡(luò)中提供了相當(dāng)大的數(shù)據(jù)吞吐量，4G帶來(lái)的信息和通信技術(shù)幫助重塑了社會(huì)

5G是什么樣的？

2014年，發(fā)表了一篇論文，討論了將要實(shí)現(xiàn)的5G，并指出實(shí)現(xiàn)5G的關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)加密、毫米波傳輸和大規(guī)模MIMO架構(gòu)。自那時(shí)以來(lái)，5G的概念已逐漸鞏固，主要的技術(shù)公司和運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)已啟動(dòng)了5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，以便在2020年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)部署。

在5G網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)部署階段，相應(yīng)的5G網(wǎng)絡(luò)在2-6 GHz頻譜上運(yùn)行，毫米波技術(shù)和大規(guī)模MIMO技術(shù)都已廣泛用于5G網(wǎng)絡(luò)。可以很好地支持Internet協(xié)議電視和高清視頻流，高移動(dòng)性上的數(shù)據(jù)服務(wù)，基本虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)服務(wù)。密集大城市地區(qū)的室內(nèi)服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)將繼續(xù)是5G時(shí)代的主要重點(diǎn)。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，完整的5G通信網(wǎng)絡(luò)提供三種服務(wù)選項(xiàng)：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB），超可靠的低延遲通信（URLLC）和大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC）。

另一方面，還有許多最新的通信和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚未納入5G標(biāo)準(zhǔn)。主要原因與供求有關(guān)。從供應(yīng)方來(lái)看，某些技術(shù)仍需要在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和深入測(cè)試。同時(shí)，高成本和不令人滿意的向后兼容性也阻止了它們的使用。從需求方面來(lái)看，由一些先進(jìn)的通信和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持的服務(wù)和設(shè)備的需求并不廣泛。

盡管5G采取了逐步演進(jìn)的策略，能夠提供比4G更好得多的服務(wù)，但5G中沒(méi)有突破性的技術(shù)。相反，它繼承了自4G以來(lái)的基本性能增強(qiáng)機(jī)制，并且通過(guò)對(duì)更多頻譜和硬件資源的投資獲得了性能提升。

6G的最新研究進(jìn)展

一些研究人員已經(jīng)為6G提供愿景和一系列先進(jìn)的研究規(guī)劃活動(dòng)已經(jīng)開始。在文獻(xiàn)2中提出的6G愿景和要求中，特別關(guān)注6G中移動(dòng)設(shè)備和服務(wù)類的電池壽命，而不是數(shù)據(jù)速率和延遲。在文獻(xiàn)3中，指出后5G時(shí)代的通信系統(tǒng)研究必須考慮電路和設(shè)備制造能力，形成研究活動(dòng)的閉環(huán)反饋。參考文獻(xiàn)4預(yù)測(cè)了21世紀(jì)30年代未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中的一些新的通信場(chǎng)景，包括全息電話、飛行網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程駕駛和觸覺(jué)互聯(lián)網(wǎng)。此外，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)的無(wú)線通信將具有與有線通信相同水平的可靠性。

參考文獻(xiàn)中總結(jié)了未來(lái)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用和趨勢(shì)以及6G網(wǎng)絡(luò)中的支持技術(shù)。特別是，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)去中心化被認(rèn)為是簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理并在6G中提供令人滿意的性能的關(guān)鍵。還提出了以人為本的服務(wù)概念，并將其視為6G的重點(diǎn)。定義了6G的關(guān)鍵性能指標(biāo)，參考文獻(xiàn)中提供了5G和6G之間的推測(cè)性比較。7。

最近的出版物已經(jīng)討論了實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方式，包括多路訪問(wèn)，空中接口和用于6G通信的數(shù)據(jù)中心。參考文獻(xiàn)中概述了6G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模式。在這種細(xì)胞較少架構(gòu)，分散的資源分配和三維超連接是高度期望在6G網(wǎng)絡(luò)存在。參考文獻(xiàn)中研究了6G的機(jī)器類型通信（MTC）和垂直特定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案。25，并建議6G可以促進(jìn)第一個(gè)突破性標(biāo)準(zhǔn)完全取代現(xiàn)有的特定于行業(yè)的通信標(biāo)準(zhǔn)，并提供統(tǒng)一的解決方案，從而實(shí)現(xiàn)垂直行業(yè)中所有需求的無(wú)縫連接。

最近的出版物討論了實(shí)際的實(shí)現(xiàn)，包括多重接入、空中接口和6G通信的數(shù)據(jù)中心。參考文獻(xiàn)中概述了6G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模式。其中6G網(wǎng)絡(luò)高度期待更少的蜂窩架構(gòu)、分散資源分配和三維超連接。。參考文獻(xiàn)中研究了6G的機(jī)器類型通信（MTC）和垂直特定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案。25，并建議6G可以促進(jìn)第一個(gè)突破性標(biāo)準(zhǔn)完全取代現(xiàn)有的特定于行業(yè)的通信標(biāo)準(zhǔn)，并提供統(tǒng)一的解決方案，從而實(shí)現(xiàn)垂直行業(yè)中所有需求的無(wú)縫連接。

在與6G有關(guān)的所有技術(shù)作品中，太赫茲通信，人工智能（AI）和可重新配置的intelligentsurfaces是最引人注目的想法。它們被視為無(wú)線通信中的革命性技術(shù)。參考文獻(xiàn)中報(bào)道了對(duì)6G太赫茲通信的全面研究。26，其中包括詳細(xì)的技術(shù)概述，發(fā)射器-接收器設(shè)計(jì)和各種實(shí)際演示。相信具有AI功能的6G能夠提供一系列新功能，例如:自聚合、上下文感知、自配置。此外，具有AI功能的6G將釋放無(wú)線電信號(hào)的全部潛力，并實(shí)現(xiàn)從認(rèn)知無(wú)線電到智能無(wú)線電的轉(zhuǎn)變28。從算法的角度來(lái)看，機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)于實(shí)現(xiàn)基于AI的6G尤其重要，這已在參考資料中詳細(xì)介紹。29。除了算法之外，應(yīng)該將可重構(gòu)intelligentsurfaces用于構(gòu)建無(wú)線通信30中AI的硬件基礎(chǔ)。可重構(gòu)intelligentsurfaces也被設(shè)想為6G中的大規(guī)模MIMO 2.0，并在參考文獻(xiàn)中進(jìn)行了分析。31，32，33。

除了上面討論的工作之外，世界各地已經(jīng)啟動(dòng)了許多6G項(xiàng)目，其目的是首先啟動(dòng)和定義6G，然后重塑無(wú)線通信的框架和業(yè)務(wù)模型。首先是最近成立的芬蘭財(cái)團(tuán)6Genesis旗艦計(jì)劃。隨后是2019年初啟動(dòng)的用于6G LiFi的Terabit雙向多用戶光學(xué)無(wú)線系統(tǒng).2019年3月，首屆6G無(wú)線峰會(huì)在芬蘭的Levi舉行，正式觸發(fā)了6G研究競(jìng)賽的開始。在學(xué)術(shù)界。在全球范圍內(nèi)還舉辦了許多小型研討會(huì)和討論會(huì)，以討論6G的可能性，例如，華為6G研討會(huì)，Globecom 2018的Wi-UAV研討會(huì)和Carleton6G研討會(huì)。

除了學(xué)術(shù)界以外，6G和未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)還吸引了標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，行業(yè)組織和政府。IEEE于2018年8月啟動(dòng)了標(biāo)語(yǔ)為“實(shí)現(xiàn)5G及更高版本”的IEEE未來(lái)網(wǎng)絡(luò)。ITU-T第13研究組還建立了ITU-T2030網(wǎng)絡(luò)焦點(diǎn)組技術(shù)，旨在了解2030年左右未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)要求。由Google觸發(fā)，現(xiàn)已獨(dú)立運(yùn)行，該計(jì)劃計(jì)劃為無(wú)聯(lián)系的50億人口提供可靠的互聯(lián)網(wǎng)連接。基于歐盟Terranova項(xiàng)目的研究小組目前正在努力實(shí)現(xiàn)400Gbit/S的可靠6G連接，太赫茲頻譜的傳輸能力。LG電子還宣布在韓國(guó)大田韓國(guó)高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究院建立6G研究中心。三星于2019年6月開始其6G研究.SK Telecom宣布與諾基亞和愛(ài)立信在2019年進(jìn)行6G研究合作.2018年底，中國(guó)工業(yè)和信息化部宣布了通過(guò)擴(kuò)大研究在2030年代引領(lǐng)無(wú)線通信市場(chǎng)的雄心壯志。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)開放了用于6G研究的95 GHz至3 THz頻譜，這標(biāo)志著美國(guó)這個(gè)世界上最大的經(jīng)濟(jì)體參加了6G研究。此外，在Horizon2020 ICT-09-2017資助下的歐盟-日本項(xiàng)目，名為“超越5G的網(wǎng)絡(luò)研究”的文章也研究了使用100 GHz至450 GHz太赫茲頻譜的可能性。表1總結(jié)了各國(guó)實(shí)現(xiàn)6G的研究計(jì)劃1。

表1實(shí)現(xiàn)6G的國(guó)家研究計(jì)劃

潛在的應(yīng)用場(chǎng)景和挑戰(zhàn)

預(yù)計(jì)6G通信將在覆蓋范圍和數(shù)據(jù)速率方面提供改進(jìn)的服務(wù)，并允許用戶在任何地方相互連接。預(yù)計(jì)6G將采用非常規(guī)的通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)訪問(wèn)多種類型的數(shù)據(jù)，并通過(guò)傳統(tǒng)的改進(jìn)的射頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，從而在虛擬存在和參與任何地方的情況下提供新的通信體驗(yàn)。為了明確定義6G通信的可能功能，我們?cè)诒竟?jié)中預(yù)見(jiàn)了6G通信的潛在應(yīng)用場(chǎng)景和挑戰(zhàn)。在對(duì)6G的推測(cè)性研究中，我們涵蓋了最近發(fā)表的作品和會(huì)議發(fā)布中討論的眾多主題，但是我們用自己的想法和評(píng)論來(lái)評(píng)估這些6G候選技術(shù)。

增強(qiáng)型常規(guī)移動(dòng)通信

6G通信應(yīng)該以人為本，這意味著傳統(tǒng)的移動(dòng)通信在6G中仍將保持主角的地位，在傳統(tǒng)的移動(dòng)電話中，經(jīng)典的蜂窩電話是移動(dòng)通信的主要工具。常規(guī)移動(dòng)通信面臨的挑戰(zhàn)來(lái)自五個(gè)方面：如何增強(qiáng)安全性和保護(hù)隱私；如何快速，經(jīng)濟(jì)高效地?cái)U(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，尤其是在偏遠(yuǎn)和偏遠(yuǎn)地區(qū)；如何降低移動(dòng)通信成本；如何延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備的電池壽命；以及如何以較低的端到端延遲提供更高的數(shù)據(jù)速率。

準(zhǔn)確的室內(nèi)定位

在GPS的幫助下，室外定位已變得十分成熟，現(xiàn)在在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中都可以認(rèn)為是準(zhǔn)確的。然而，由于復(fù)雜的室內(nèi)電磁傳播環(huán)境，室內(nèi)定位仍遠(yuǎn)未成熟。準(zhǔn)確可靠的室內(nèi)定位服務(wù)將從根本上改變移動(dòng)用戶的生活習(xí)慣。另一方面，越來(lái)越多的共識(shí)認(rèn)為，僅靠射頻通信可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的室內(nèi)定位。期望通過(guò)更先進(jìn)的非射頻通信技術(shù)在6G時(shí)代實(shí)現(xiàn)這種至關(guān)重要且有影響力的應(yīng)用。

新的通訊終端

除了經(jīng)典的手機(jī)和平板電腦，預(yù)計(jì)到2030年代還將出現(xiàn)越來(lái)越多的新通信設(shè)備。這些新的通信設(shè)備可以是可穿戴設(shè)備，集成耳機(jī)或可植入傳感器。與便攜式電話和平板電腦不同，這些新興設(shè)備對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)提出了各種環(huán)境和系統(tǒng)要求。例如，出于健康原因，必須嚴(yán)格限制這些設(shè)備中使用的發(fā)射功率和頻帶。在設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備和集成耳機(jī)時(shí)，設(shè)備重量限制將變得更加敏感。植入式傳感器的可靠電源和安全至關(guān)重要。此外，這些新興的通信設(shè)備與經(jīng)典的移動(dòng)電話和平板電腦之間在數(shù)學(xué)建模上應(yīng)該存在很大的差異。

飛機(jī)上的高質(zhì)量通信服務(wù)

盡管研究人員在4G和5G時(shí)代做出了努力和努力，但總體而言，飛機(jī)上的通信服務(wù)仍然不能令人滿意。除其他因素外，飛機(jī)上提供的通信服務(wù)還面臨著高機(jī)動(dòng)性，多普勒頻移，頻繁切換以及缺乏此應(yīng)用要求的覆蓋范圍的挑戰(zhàn)。衛(wèi)星通信使得能夠以可接受的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行機(jī)上通信服務(wù)，但是成本太高，尤其是在飛機(jī)機(jī)艙中。為了在飛機(jī)上提供高質(zhì)量的通信服務(wù)，不僅必須在6G通信中采用新的通信技術(shù)，而且還必須使用新穎的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

全球連接和集成網(wǎng)絡(luò)

在過(guò)去的十年中，研究人員提請(qǐng)人們注意密集城市區(qū)域的通信服務(wù)，尤其是在室內(nèi)通信場(chǎng)景中。但是，應(yīng)該指出的是，全世界有大量人口無(wú)法使用基本數(shù)據(jù)服務(wù)，尤其是在稀少，發(fā)展中和農(nóng)村地區(qū)。6G時(shí)代的到來(lái)不僅應(yīng)使人口稠密地區(qū)中的大多數(shù)受益，而且應(yīng)擴(kuò)大到人口稀少地區(qū)。提供這項(xiàng)服務(wù)在很大程度上取決于新穎的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)全球連通性的目標(biāo)，將使用三維綜合網(wǎng)絡(luò)，其中包括地面，空中和衛(wèi)星通信。除了衛(wèi)星通信之外，大多數(shù)現(xiàn)有的通信和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)僅考慮二維場(chǎng)景，其中通信節(jié)點(diǎn)的高度可以忽略不計(jì)。這種建模假設(shè)對(duì)于5G應(yīng)用場(chǎng)景是合適和有效的。然而，可以預(yù)見(jiàn)的是，為了實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的連接，飛行節(jié)點(diǎn)的通信將在21世紀(jì)30年代變得無(wú)處不在，在規(guī)劃6G網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)該加以考慮。這樣一個(gè)三維的綜合網(wǎng)絡(luò)可以為用戶帶來(lái)可觀的性能收益和前所未有的服務(wù)。

除了地面和空中的通信外，將通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到水下環(huán)境也是實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)互通的一個(gè)至關(guān)重要甚至是必要的因素，尤其是考慮到地球的大部分表面被水覆蓋，而一些海洋應(yīng)用需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。水下光學(xué)無(wú)線通信可以發(fā)揮至關(guān)重要的作用。自動(dòng)駕駛汽車、傳感器、潛水員等水下通信節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)水下光無(wú)線通信基站進(jìn)行連接。此外，水下通信網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)水面網(wǎng)絡(luò)和空中網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)相連接。利用風(fēng)能、太陽(yáng)能和水流量來(lái)獲取可持續(xù)能源是水下和水面網(wǎng)絡(luò)的基本要求。

支持垂直行業(yè)的通訊

6G通信還有望繼續(xù)支持垂直行業(yè)的應(yīng)用，包括建筑和工廠自動(dòng)化，制造，電子醫(yī)療，運(yùn)輸，農(nóng)業(yè)，監(jiān)視和智能電網(wǎng)。這些應(yīng)用對(duì)于“工業(yè)4.0”是必不可少的。除了常規(guī)的移動(dòng)電話和寬帶數(shù)據(jù)通信，它們還提出了特殊的服務(wù)要求。特別地，這些垂直行業(yè)通常需要關(guān)于連接可靠性，傳輸?shù)却龝r(shí)間和安全性的高標(biāo)準(zhǔn)。為了將這些垂直行業(yè)整合到6G通信中，需要升級(jí)5G中的mMTC。需要考慮更多的MTC應(yīng)用場(chǎng)景和機(jī)器節(jié)點(diǎn)類型。

一般來(lái)說(shuō)，這些垂直工業(yè)應(yīng)用可以分為機(jī)器人通信和車輛通信。機(jī)器人通信涉及動(dòng)覺(jué)機(jī)器人和制造機(jī)器人的通信。由于機(jī)器人通信應(yīng)用中的任何錯(cuò)誤、延遲和惡意行為都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的不穩(wěn)定，因此機(jī)器人通信的可靠性、延遲性和安全性至關(guān)重要。此外，在機(jī)器人通信網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生了大量的異構(gòu)數(shù)據(jù)流，這對(duì)現(xiàn)有的集中式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)提出了挑戰(zhàn)。

就汽車通信而言，汽車行業(yè)正在重塑現(xiàn)實(shí)世界的兩大新興技術(shù)趨勢(shì)是:自動(dòng)駕駛技術(shù)和遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)。由于近年來(lái)這兩種技術(shù)的發(fā)展，相信在2030年之前它們將在技術(shù)上成熟并得到廣泛應(yīng)用。為了在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)這兩種駕駛技術(shù)，必須在6G中研究和整合大規(guī)模車對(duì)車通信，為高可靠性和低延遲以及大規(guī)模駕駛和環(huán)境數(shù)據(jù)的安全交換提供基礎(chǔ)。

全息通訊

6G有望成為從傳統(tǒng)視頻會(huì)議到虛擬面對(duì)面會(huì)議的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。為此，需要在可忽略的時(shí)間內(nèi)傳送實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的真實(shí)投影。實(shí)際上，連同語(yǔ)音一起發(fā)送三維圖像不足以傳達(dá)親臨現(xiàn)場(chǎng)。需要具有立體聲音頻的三維視頻，其可以容易地重新配置以捕獲同一區(qū)域中的多個(gè)物理存在。換句話說(shuō)，可以與接收到的全息數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，并根據(jù)需要修改接收到的視頻。所有這些信息都需要在應(yīng)該具有極大帶寬的可靠通信網(wǎng)絡(luò)上捕獲和傳輸。

觸覺(jué)通訊

使用全息通信傳輸虛擬的人，事件，環(huán)境等近乎真實(shí)景象的虛擬視野后，通過(guò)觸覺(jué)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程交換物理交互是有益的50。具體而言，預(yù)期的服務(wù)包括遠(yuǎn)程操作，協(xié)作式自動(dòng)駕駛和人際通信，在這種情況下，應(yīng)有可能通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用觸覺(jué)控制。為了滿足這些應(yīng)用的嚴(yán)格要求，必須進(jìn)行有效的跨層通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。例如，需要開發(fā)新的物理層（PHY）方案，以改善信令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，波形復(fù)用等。至于延遲，應(yīng)仔細(xì)處理所有延遲源，包括緩沖，排隊(duì)，調(diào)度，切換以及協(xié)議引起的延遲。現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng)不能滿足這些要求，并且空中無(wú)線通信系統(tǒng)51是必要的。

人與人之間的溝通

預(yù)計(jì)6G將廣泛支持以人為中心的通信概念，使人類可以訪問(wèn)和/或共享物理特征。提出了人與人之間的交流的概念，以允許訪問(wèn)五種人類感官52。最近，借助“通過(guò)呼吸進(jìn)行交流”的方案擴(kuò)展了該概念，從而允許通過(guò)呼氣來(lái)讀取人體生物特征，甚至通過(guò)使用揮發(fā)性有機(jī)化合物通過(guò)吸入與人體相互作用53。。結(jié)果，可以診斷疾病，檢測(cè)情緒，收集生物學(xué)特征并與人體進(jìn)行遠(yuǎn)程交互。開發(fā)能夠復(fù)制人類感官和人類生物學(xué)特征的通信系統(tǒng)需要跨學(xué)科研究。期望這樣的系統(tǒng)具有混合通信技術(shù)，該混合通信技術(shù)能夠感測(cè)不同的物理量，然后以安全的方式與目標(biāo)接收機(jī)共享它們。

總結(jié)

我們預(yù)計(jì)6G通信將支持五個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶Plus（eMBB-Plus），大通信（BigCom），安全的超可靠低延遲通信（SURLLC），三維集成通信（3D-InteCom）和非常規(guī)的數(shù)據(jù)通信（UCDC）。這兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示。

圖2：6G通信支持的五個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。

6G的關(guān)鍵特性和支持的通信技術(shù)

基于上一節(jié)中討論的應(yīng)用場(chǎng)景和挑戰(zhàn)以及6G支持的五個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，我們現(xiàn)在可以定義6G的關(guān)鍵功能。為了實(shí)現(xiàn)6G的關(guān)鍵功能，必須共同應(yīng)用多種最先進(jìn)的通信技術(shù)。

首先，圖3總結(jié)了5G和6G通信之間的定性比較。。在本文中，我們首先假設(shè)5G的頻譜效率已經(jīng)通過(guò)大規(guī)模MIMO，網(wǎng)絡(luò)致密化和毫米波傳輸以及從4G繼承的一組傳統(tǒng)復(fù)用技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)接近極限。受香農(nóng)定律的限制，很難大規(guī)模提高6G的頻譜效率。相反，新技術(shù)應(yīng)大大增強(qiáng)6G通信的安全性，保密性和隱私性。在5G網(wǎng)絡(luò)中，仍在使用基于Rivest–Shamir–Adleman（RSA）公鑰密碼系統(tǒng)的傳統(tǒng)加密算法來(lái)提供傳輸安全性和保密性。在大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)的壓力下，RSA密碼系統(tǒng)已經(jīng)變得不安全，但是在5G時(shí)代，新穎的隱私保護(hù)機(jī)制還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠完善。能耗效率，智能性，可負(fù)擔(dān)性和定制性將逐步提高。能耗效率的提高將通過(guò)能源收集技術(shù)和綠色通信的成熟來(lái)實(shí)現(xiàn)。6G中的智能可分為運(yùn)營(yíng)，環(huán)境和服務(wù)級(jí)別，這將受益于AI開發(fā)的推動(dòng)力。可負(fù)擔(dān)性和定制方面的改進(jìn)依賴于市場(chǎng)上新穎的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，促銷和運(yùn)營(yíng)策略。表中給出了1G與6G通信的詳細(xì)比較 環(huán)境和服務(wù)水平，這將受益于AI開發(fā)的推動(dòng)力。可負(fù)擔(dān)性和定制方面的改進(jìn)依賴于市場(chǎng)上新穎的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，促銷和運(yùn)營(yíng)策略。表中給出了1G與6G通信的詳細(xì)比較 環(huán)境和服務(wù)水平，這將受益于AI開發(fā)的推動(dòng)力。可負(fù)擔(dān)性和定制方面的改進(jìn)依賴于市場(chǎng)上新穎的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，促銷和運(yùn)營(yíng)策略。表中給出了1G與6G通信的詳細(xì)比較。

圖3：5G和6G通信之間的定性比較。

這種比較是推測(cè)性的，是根據(jù)以下方面進(jìn)行的：安全性，保密性和隱私性；頻譜效率 情報(bào); 能源效率; 以及可負(fù)擔(dān)性和定制化。

表2：1G到6G通信的詳細(xì)比較

與5G相比，帶寬極高！

從0.1THz到10THz定義的太赫茲帶被稱為微波和光譜之間的間隙帶，但是現(xiàn)已開發(fā)出太赫茲電子，光子和混合電子-光子方法。因此，混合太赫茲/自由空間光學(xué)系統(tǒng)有望在6G中使用混合電子-光子收發(fā)器實(shí)現(xiàn)，其中光激光器可用于產(chǎn)生太赫茲信號(hào)或發(fā)送光信號(hào)。混合鏈路為信號(hào)傳輸提供了足夠的帶寬，并具有抗惡劣天氣條件的能力。太赫茲傳輸在上行鏈路中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)椴恍枰暰噫溌贰Ｒ虼耍c需要跟蹤和定位系統(tǒng)的紅外解決方案相比，太赫茲上行鏈路解決方案為VLC網(wǎng)絡(luò)提供了可靠的通信鏈路。VLC /太赫茲混合系統(tǒng)引入了針對(duì)環(huán)境光的強(qiáng)大通信解決方案，從而降低了VLC系統(tǒng)的信噪比。

超越通訊技術(shù)

通信技術(shù)至關(guān)重要，但不是全部。為了促進(jìn)新的技術(shù)范式并使之在社會(huì)經(jīng)濟(jì)上有利可圖，我們必須始終牢記技術(shù)以外的問(wèn)題。在本節(jié)中，我們將簡(jiǎn)要討論通信技術(shù)本身以外與6G有關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的依賴

無(wú)線通信的發(fā)展受到基礎(chǔ)科學(xué)特別是數(shù)學(xué)和物理學(xué)的高度限制。我們正在壓榨香農(nóng)定理，并且?guī)缀踹_(dá)到了信息論所設(shè)定的壁壘。更糟糕的是，當(dāng)前的數(shù)學(xué)工具使我們無(wú)法探索通信系統(tǒng)的確切性能。結(jié)果，為了使分析在數(shù)學(xué)上容易進(jìn)行，做出了許多不切實(shí)際的假設(shè)，這些假設(shè)不能為6G通信提供很多見(jiàn)識(shí)或指導(dǎo)。數(shù)學(xué)上的突破通常導(dǎo)致無(wú)線通信領(lǐng)域的新研究熱潮，其中一個(gè)例子是將隨機(jī)幾何和圖論應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建模。簡(jiǎn)而言之，研究人員需要充分注意基礎(chǔ)科學(xué)和跨學(xué)科領(lǐng)域，才能實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)上游產(chǎn)業(yè)的依賴

在無(wú)線通信研究界，人們普遍認(rèn)為，增強(qiáng)無(wú)線通信系統(tǒng)的最有效方法是將使用范圍擴(kuò)大到高頻頻譜并減少單個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍。從蜂窩射頻頻譜到毫米波頻譜，太赫茲頻譜和可見(jiàn)光頻譜的演進(jìn)中可以看到前一種方法。后一種方法是指網(wǎng)絡(luò)致密化。另一方面，這兩種方法都必須與上游產(chǎn)業(yè)（例如電子制造業(yè)）的發(fā)展相匹配。首先，在理論研究中，可以假定使用的頻率是任意高的，但是實(shí)際上，包括實(shí)際電子組件的通信設(shè)備必須能夠滿足這些要求。在某些情況下，結(jié)果數(shù)據(jù)速率甚至超過(guò)了當(dāng)前制造水平對(duì)電子電路的限制，或者在更高頻段上的信號(hào)根本無(wú)法被當(dāng)前的商用芯片處理。

6G的商業(yè)模式和商業(yè)化

先前的研究活動(dòng)主要集中在技術(shù)本身，而很少涉及商業(yè)模型和商業(yè)化。忽略營(yíng)銷方面會(huì)導(dǎo)致失敗（3G在某種程度上可能是這種失敗的一個(gè)例子2）。網(wǎng)絡(luò)致密化是滿足數(shù)據(jù)傳輸突發(fā)性的有希望的解決方案，但是誰(shuí)應(yīng)該為此付出代價(jià)呢？此外，由于6G通信將帶來(lái)依靠新穎網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的突破性通信技術(shù)，因此如何確保6G與4G / LTE，Wi-Fi和5G的向后兼容性仍然值得值得商討，值得研究。首先需要評(píng)估更新現(xiàn)有6G通信基礎(chǔ)設(shè)施的總成本，然后應(yīng)研究6G的商業(yè)模式和商業(yè)化以實(shí)現(xiàn)其商業(yè)成功。人們應(yīng)該永遠(yuǎn)記住，對(duì)于大多數(shù)普通用戶和政府決策者來(lái)說(shuō)，

結(jié)論

我們已經(jīng)從以人為本的角度提出了6G通信的愿景，可以作為5G后時(shí)代的研究指南。我們建議，高安全性，保密性和私密性應(yīng)該是6G的關(guān)鍵特征，應(yīng)該給予特別重視。我們提供并解釋了6G應(yīng)該支持的潛在應(yīng)用場(chǎng)景。我們還介紹了6G通信的關(guān)鍵功能和支持技術(shù)。最后，我們討論了在6G的發(fā)展中應(yīng)考慮的通信技術(shù)以外的其他關(guān)鍵問(wèn)題。

原文：https://www.nature.com/articles/s41928-019-0355-6