可上天、可入水，带宽远高于5G！Nature解读：6G是什么？
摘要
第五代（5G）通信的标准化已完成，在2020年投入商业运行。对6G通信的展望和规划已经开始，旨在为21世纪30年代的未来需求提供通信服务。在这里，我们提供了6G的展望，可以作为后5G时代的研究指南。我们认为以人为中心的移动通信仍将是6G最重要的应用，6G网络应以人为中心。因此，高安全性、保密性和私密性应该是6G的关键特性，应该受到无线研究社区的特别关注。为了支持这一愿景，我们提供了一个系统的框架，在其中，6G的潜在应用场景被预期和细分。随后，我们定义了6G的关键潜在特性，并讨论了所需的通信技术。我们还将探讨通信技术之外可能会阻碍6G研究和部署的问题。
概述
自贝尔实验室最初开发高级移动电话系统（AMPS）（后来称为第一代（1G）网络）以来，在过去的四十年中，无线通信网络经历了三次大规模、彻底的更新，形成了2G、3G和4G网络。5G网络的推出正在进行中，预计到2020年实现商业化，研究人员已经开始考虑未来6G通信网络。
从这个角度，我们考虑6G应该是什么。我们相信，尽管其他应用场景将变得无处不在并且越来越重要，但传统的移动通信仍将是2030年代6G最重要的应用。因此，6G网络应该以人为中心，而不是以机器、应用程序或数据为中心。基于这一原理，高安全性、保密性和私密性应该是6G的关键特性。此外，用户体验将作为6G通信网络的一个关键指标。为了支持6G通信的这一愿景，我们提供了一个全面和系统的框架。具体来说，我们首先预测并细分了6G的潜在应用场景。然后，我们定义了6G的关键特性，并讨论了所需的启用通信技术。我们还探讨了通信技术以外的问题，这些问题可能会对21世纪30年代6G的研究和部署产生重大影响。
背景
为了证明我们的6G展望是正确的，我们首先提供一些背景知识，涵盖从1G到4G的网络演进，5G的现状以及当前向6G的研究进展（图1）。
图1：用户对从1G到假设的6G的不同通信网络的感知。
在1G和2G中，语音和文本都是可用的。在3G和4G网络中，图片和视频变得很常见。在5G中，可以使用实时的超高清三维数据。在6G中，我们可以有一个无处不在的虚拟存在。请注意，数字底部年份之间的差距已经扩大，以反映不同通信网络日益增长的能力。
从1G到4G
无线通信源自马可尼（Marconi）在19世纪的无线电报的开创性展示，其理论上是基于香农（Shannon）在1948年形成的信息论而构建的。在1980年代，1G模拟无线蜂窝网络用于语音的移动通信。然后在1990年代初被2G数字蜂窝网络所取代。由于数字化，2G除了提供传统的语音服务外，还可以提供加密服务和数据服务，如短信服务(SMS)。在二十一世纪初，以宽带码分多址（WCDMA），CDMA2000，时分同步CDMA（TD-SCDMA）和WiMAX为代表的3G技术，使互联网接入、视频通话、移动电视等多种数据业务成为可能。在2009年初始化的4G LTE网络中，联合应用了多输入多输出（MIMO）天线架构，正交频分复用（OFDM）和全互联网协议（IP）技术来实现高速移动数据传输。4G在技术和商业上均取得了巨大的成功。随着智能手机和平板电脑的普及，移动通信已经成为主流，在4G网络中提供了相当大的数据吞吐量，4G带来的信息和通信技术帮助重塑了社会
5G是什么样的？
2014年，发表了一篇论文，讨论了将要实现的5G，并指出实现5G的关键技术是网络加密、毫米波传输和大规模MIMO架构。自那时以来，5G的概念已逐渐巩固，主要的技术公司和运营商现已启动了5G网络的建设，以便在2020年实现大规模商业部署。
在5G网络的第一个部署阶段，相应的5G网络在2-6 GHz频谱上运行，毫米波技术和大规模MIMO技术都已广泛用于5G网络。可以很好地支持Internet协议电视和高清视频流，高移动性上的数据服务，基本虚拟现实和增强现实服务。密集大城市地区的室内服务和数据服务将继续是5G时代的主要重点。对于不同的应用场景，完整的5G通信网络提供三种服务选项：增强型移动宽带（eMBB），超可靠的低延迟通信（URLLC）和大规模机器类型通信（mMTC）。
另一方面，还有许多最新的通信和联网技术尚未纳入5G标准。主要原因与供求有关。从供应方来看，某些技术仍需要在实际环境中进行实验验证和深入测试。同时，高成本和不令人满意的向后兼容性也阻止了它们的使用。从需求方面来看，由一些先进的通信和联网技术支持的服务和设备的需求并不广泛。
尽管5G采取了逐步演进的策略，能够提供比4G更好得多的服务，但5G中没有突破性的技术。相反，它继承了自4G以来的基本性能增强机制，并且通过对更多频谱和硬件资源的投资获得了性能提升。
6G的最新研究进展
一些研究人员已经为6G提供愿景和一系列先进的研究规划活动已经开始。在文献2中提出的6G愿景和要求中，特别关注6G中移动设备和服务类的电池寿命，而不是数据速率和延迟。在文献3中，指出后5G时代的通信系统研究必须考虑电路和设备制造能力，形成研究活动的闭环反馈。参考文献4预测了21世纪30年代未来网络中的一些新的通信场景，包括全息电话、飞行网络、远程驾驶和触觉互联网。此外，可以预见，未来的无线通信将具有与有线通信相同水平的可靠性。
参考文献中总结了未来的驱动应用和趋势以及6G网络中的支持技术。特别是，基于区块链技术的网络去中心化被认为是简化网络管理并在6G中提供令人满意的性能的关键。还提出了以人为本的服务概念，并将其视为6G的重点。定义了6G的关键性能指标，参考文献中提供了5G和6G之间的推测性比较。7。
最近的出版物已经讨论了实际的实现方式，包括多路访问，空中接口和用于6G通信的数据中心。参考文献中概述了6G网络的网络模式。在这种细胞较少架构，分散的资源分配和三维超连接是高度期望在6G网络存在。参考文献中研究了6G的机器类型通信（MTC）和垂直特定的无线网络解决方案。25，并建议6G可以促进第一个突破性标准完全取代现有的特定于行业的通信标准，并提供统一的解决方案，从而实现垂直行业中所有需求的无缝连接。
最近的出版物讨论了实际的实现，包括多重接入、空中接口和6G通信的数据中心。参考文献中概述了6G网络的网络模式。其中6G网络高度期待更少的蜂窝架构、分散资源分配和三维超连接。。参考文献中研究了6G的机器类型通信（MTC）和垂直特定的无线网络解决方案。25，并建议6G可以促进第一个突破性标准完全取代现有的特定于行业的通信标准，并提供统一的解决方案，从而实现垂直行业中所有需求的无缝连接。
在与6G有关的所有技术作品中，太赫兹通信，人工智能（AI）和可重新配置的intelligentsurfaces是最引人注目的想法。它们被视为无线通信中的革命性技术。参考文献中报道了对6G太赫兹通信的全面研究。26，其中包括详细的技术概述，发射器-接收器设计和各种实际演示。相信具有AI功能的6G能够提供一系列新功能，例如:自聚合、上下文感知、自配置。此外，具有AI功能的6G将释放无线电信号的全部潜力，并实现从认知无线电到智能无线电的转变28。从算法的角度来看，机器学习对于实现基于AI的6G尤其重要，这已在参考资料中详细介绍。29。除了算法之外，应该将可重构intelligentsurfaces用于构建无线通信30中AI的硬件基础。可重构intelligentsurfaces也被设想为6G中的大规模MIMO 2.0，并在参考文献中进行了分析。31，32，33。
除了上面讨论的工作之外，世界各地已经启动了许多6G项目，其目的是首先启动和定义6G，然后重塑无线通信的框架和业务模型。首先是最近成立的芬兰财团6Genesis旗舰计划。随后是2019年初启动的用于6G LiFi的Terabit双向多用户光学无线系统.2019年3月，首届6G无线峰会在芬兰的Levi举行，正式触发了6G研究竞赛的开始。在学术界。在全球范围内还举办了许多小型研讨会和讨论会，以讨论6G的可能性，例如，华为6G研讨会，Globecom 2018的Wi-UAV研讨会和Carleton6G研讨会。
除了学术界以外，6G和未来的网络还吸引了标准化机构，行业组织和政府。IEEE于2018年8月启动了标语为“实现5G及更高版本”的IEEE未来网络。ITU-T第13研究组还建立了ITU-T2030网络焦点组技术，旨在了解2030年左右未来网络的服务要求。由Google触发，现已独立运行，该计划计划为无联系的50亿人口提供可靠的互联网连接。基于欧盟Terranova项目的研究小组目前正在努力实现400Gbit/S的可靠6G连接，太赫兹频谱的传输能力。LG电子还宣布在韩国大田韩国高级科学技术研究院建立6G研究中心。三星于2019年6月开始其6G研究.SK Telecom宣布与诺基亚和爱立信在2019年进行6G研究合作.2018年底，中国工业和信息化部宣布了通过扩大研究在2030年代引领无线通信市场的雄心壮志。美国联邦通信委员会开放了用于6G研究的95 GHz至3 THz频谱，这标志着美国这个世界上最大的经济体参加了6G研究。此外，在Horizon2020 ICT-09-2017资助下的欧盟-日本项目，名为“超越5G的网络研究”的文章也研究了使用100 GHz至450 GHz太赫兹频谱的可能性。表1总结了各国实现6G的研究计划1。
表1实现6G的国家研究计划
潜在的应用场景和挑战
预计6G通信将在覆盖范围和数据速率方面提供改进的服务，并允许用户在任何地方相互连接。预计6G将采用非常规的通信网络来访问多种类型的数据，并通过传统的改进的射频网络进行传输，从而在虚拟存在和参与任何地方的情况下提供新的通信体验。为了明确定义6G通信的可能功能，我们在本节中预见了6G通信的潜在应用场景和挑战。在对6G的推测性研究中，我们涵盖了最近发表的作品和会议发布中讨论的众多主题，但是我们用自己的想法和评论来评估这些6G候选技术。
增强型常规移动通信
6G通信应该以人为本，这意味着传统的移动通信在6G中仍将保持主角的地位，在传统的移动电话中，经典的蜂窝电话是移动通信的主要工具。常规移动通信面临的挑战来自五个方面：如何增强安全性和保护隐私；如何快速，经济高效地扩大网络覆盖范围，尤其是在偏远和偏远地区；如何降低移动通信成本；如何延长移动设备的电池寿命；以及如何以较低的端到端延迟提供更高的数据速率。
准确的室内定位
在GPS的帮助下，室外定位已变得十分成熟，现在在大多数应用场景中都可以认为是准确的。然而，由于复杂的室内电磁传播环境，室内定位仍远未成熟。准确可靠的室内定位服务将从根本上改变移动用户的生活习惯。另一方面，越来越多的共识认为，仅靠射频通信可能无法实现准确的室内定位。期望通过更先进的非射频通信技术在6G时代实现这种至关重要且有影响力的应用。
新的通讯终端
除了经典的手机和平板电脑，预计到2030年代还将出现越来越多的新通信设备。这些新的通信设备可以是可穿戴设备，集成耳机或可植入传感器。与便携式电话和平板电脑不同，这些新兴设备对通信网络提出了各种环境和系统要求。例如，出于健康原因，必须严格限制这些设备中使用的发射功率和频带。在设计可穿戴设备和集成耳机时，设备重量限制将变得更加敏感。植入式传感器的可靠电源和安全至关重要。此外，这些新兴的通信设备与经典的移动电话和平板电脑之间在数学建模上应该存在很大的差异。
飞机上的高质量通信服务
尽管研究人员在4G和5G时代做出了努力和努力，但总体而言，飞机上的通信服务仍然不能令人满意。除其他因素外，飞机上提供的通信服务还面临着高机动性，多普勒频移，频繁切换以及缺乏此应用要求的覆盖范围的挑战。卫星通信使得能够以可接受的服务质量进行机上通信服务，但是成本太高，尤其是在飞机机舱中。为了在飞机上提供高质量的通信服务，不仅必须在6G通信中采用新的通信技术，而且还必须使用新颖的网络架构。
全球连接和集成网络
在过去的十年中，研究人员提请人们注意密集城市区域的通信服务，尤其是在室内通信场景中。但是，应该指出的是，全世界有大量人口无法使用基本数据服务，尤其是在稀少，发展中和农村地区。6G时代的到来不仅应使人口稠密地区中的大多数受益，而且应扩大到人口稀少地区。提供这项服务在很大程度上取决于新颖的网络技术。
为了实现全球连通性的目标，将使用三维综合网络，其中包括地面，空中和卫星通信。除了卫星通信之外，大多数现有的通信和网络体系结构仅考虑二维场景，其中通信节点的高度可以忽略不计。这种建模假设对于5G应用场景是合适和有效的。然而，可以预见的是，为了实现全球范围内的连接，飞行节点的通信将在21世纪30年代变得无处不在，在规划6G网络时应该加以考虑。这样一个三维的综合网络可以为用户带来可观的性能收益和前所未有的服务。
除了地面和空中的通信外，将通信网络扩展到水下环境也是实现全球互联互通的一个至关重要甚至是必要的因素，尤其是考虑到地球的大部分表面被水覆盖，而一些海洋应用需要实时监测。水下光学无线通信可以发挥至关重要的作用。自动驾驶汽车、传感器、潜水员等水下通信节点可以通过水下光无线通信基站进行连接。此外，水下通信网络可以通过水面网络和空中网络与地面网络相连接。利用风能、太阳能和水流量来获取可持续能源是水下和水面网络的基本要求。
支持垂直行业的通讯
6G通信还有望继续支持垂直行业的应用，包括建筑和工厂自动化，制造，电子医疗，运输，农业，监视和智能电网。这些应用对于“工业4.0”是必不可少的。除了常规的移动电话和宽带数据通信，它们还提出了特殊的服务要求。特别地，这些垂直行业通常需要关于连接可靠性，传输等待时间和安全性的高标准。为了将这些垂直行业整合到6G通信中，需要升级5G中的mMTC。需要考虑更多的MTC应用场景和机器节点类型。
一般来说，这些垂直工业应用可以分为机器人通信和车辆通信。机器人通信涉及动觉机器人和制造机器人的通信。由于机器人通信应用中的任何错误、延迟和恶意行为都可能导致严重的不稳定，因此机器人通信的可靠性、延迟性和安全性至关重要。此外，在机器人通信网络中产生了大量的异构数据流，这对现有的集中式网络体系结构提出了挑战。
就汽车通信而言，汽车行业正在重塑现实世界的两大新兴技术趋势是:自动驾驶技术和远程驾驶技术。由于近年来这两种技术的发展，相信在2030年之前它们将在技术上成熟并得到广泛应用。为了在实践中实现这两种驾驶技术，必须在6G中研究和整合大规模车对车通信，为高可靠性和低延迟以及大规模驾驶和环境数据的安全交换提供基础。
全息通讯
6G有望成为从传统视频会议到虚拟面对面会议的转换点。为此，需要在可忽略的时间内传送实时运动的真实投影。实际上，连同语音一起发送三维图像不足以传达亲临现场。需要具有立体声音频的三维视频，其可以容易地重新配置以捕获同一区域中的多个物理存在。换句话说，可以与接收到的全息数据进行交互，并根据需要修改接收到的视频。所有这些信息都需要在应该具有极大带宽的可靠通信网络上捕获和传输。
触觉通讯
使用全息通信传输虚拟的人，事件，环境等近乎真实景象的虚拟视野后，通过触觉互联网实时远程交换物理交互是有益的50。具体而言，预期的服务包括远程操作，协作式自动驾驶和人际通信，在这种情况下，应有可能通过通信网络应用触觉控制。为了满足这些应用的严格要求，必须进行有效的跨层通信系统设计。例如，需要开发新的物理层（PHY）方案，以改善信令系统的设计，波形复用等。至于延迟，应仔细处理所有延迟源，包括缓冲，排队，调度，切换以及协议引起的延迟。现有的无线通信系统不能满足这些要求，并且空中无线通信系统51是必要的。
人与人之间的沟通
预计6G将广泛支持以人为中心的通信概念，使人类可以访问和/或共享物理特征。提出了人与人之间的交流的概念，以允许访问五种人类感官52。最近，借助“通过呼吸进行交流”的方案扩展了该概念，从而允许通过呼气来读取人体生物特征，甚至通过使用挥发性有机化合物通过吸入与人体相互作用53。。结果，可以诊断疾病，检测情绪，收集生物学特征并与人体进行远程交互。开发能够复制人类感官和人类生物学特征的通信系统需要跨学科研究。期望这样的系统具有混合通信技术，该混合通信技术能够感测不同的物理量，然后以安全的方式与目标接收机共享它们。
总结
我们预计6G通信将支持五个应用场景：增强型移动宽带Plus（eMBB-Plus），大通信（BigCom），安全的超可靠低延迟通信（SURLLC），三维集成通信（3D-InteCom）和非常规的数据通信（UCDC）。这两个应用场景如图2所示。
图2：6G通信支持的五个应用场景。
6G的关键特性和支持的通信技术
基于上一节中讨论的应用场景和挑战以及6G支持的五个应用场景，我们现在可以定义6G的关键功能。为了实现6G的关键功能，必须共同应用多种最先进的通信技术。
首先，图3总结了5G和6G通信之间的定性比较。。在本文中，我们首先假设5G的频谱效率已经通过大规模MIMO，网络致密化和毫米波传输以及从4G继承的一组传统复用技术的发展已经接近极限。受香农定律的限制，很难大规模提高6G的频谱效率。相反，新技术应大大增强6G通信的安全性，保密性和隐私性。在5G网络中，仍在使用基于Rivest–Shamir–Adleman（RSA）公钥密码系统的传统加密算法来提供传输安全性和保密性。在大数据和AI技术的压力下，RSA密码系统已经变得不安全，但是在5G时代，新颖的隐私保护机制还远远不够完善。能耗效率，智能性，可负担性和定制性将逐步提高。能耗效率的提高将通过能源收集技术和绿色通信的成熟来实现。6G中的智能可分为运营，环境和服务级别，这将受益于AI开发的推动力。可负担性和定制方面的改进依赖于市场上新颖的网络体系结构，促销和运营策略。表中给出了1G与6G通信的详细比较 环境和服务水平，这将受益于AI开发的推动力。可负担性和定制方面的改进依赖于市场上新颖的网络体系结构，促销和运营策略。表中给出了1G与6G通信的详细比较 环境和服务水平，这将受益于AI开发的推动力。可负担性和定制方面的改进依赖于市场上新颖的网络体系结构，促销和运营策略。表中给出了1G与6G通信的详细比较。
图3：5G和6G通信之间的定性比较。
这种比较是推测性的，是根据以下方面进行的：安全性，保密性和隐私性；频谱效率 情报; 能源效率; 以及可负担性和定制化。
表2：1G到6G通信的详细比较
从0.1THz到10THz定义的太赫兹带被称为微波和光谱之间的间隙带，但是现已开发出太赫兹电子，光子和混合电子-光子方法。因此，混合太赫兹/自由空间光学系统有望在6G中使用混合电子-光子收发器实现，其中光激光器可用于产生太赫兹信号或发送光信号。混合链路为信号传输提供了足够的带宽，并具有抗恶劣天气条件的能力。太赫兹传输在上行链路中起着至关重要的作用，因为不需要视距链路。因此，与需要跟踪和定位系统的红外解决方案相比，太赫兹上行链路解决方案为VLC网络提供了可靠的通信链路。VLC /太赫兹混合系统引入了针对环境光的强大通信解决方案，从而降低了VLC系统的信噪比。
超越通讯技术
通信技术至关重要，但不是全部。为了促进新的技术范式并使之在社会经济上有利可图，我们必须始终牢记技术以外的问题。在本节中，我们将简要讨论通信技术本身以外与6G有关的几个关键问题。
对基础科学的依赖
无线通信的发展受到基础科学特别是数学和物理学的高度限制。我们正在压榨香农定理，并且几乎达到了信息论所设定的壁垒。更糟糕的是，当前的数学工具使我们无法探索通信系统的确切性能。结果，为了使分析在数学上容易进行，做出了许多不切实际的假设，这些假设不能为6G通信提供很多见识或指导。数学上的突破通常导致无线通信领域的新研究热潮，其中一个例子是将随机几何和图论应用于无线网络建模。简而言之，研究人员需要充分注意基础科学和跨学科领域，才能实现6G网络。
对上游产业的依赖
在无线通信研究界，人们普遍认为，增强无线通信系统的最有效方法是将使用范围扩大到高频频谱并减少单个小区的覆盖范围。从蜂窝射频频谱到毫米波频谱，太赫兹频谱和可见光频谱的演进中可以看到前一种方法。后一种方法是指网络致密化。另一方面，这两种方法都必须与上游产业（例如电子制造业）的发展相匹配。首先，在理论研究中，可以假定使用的频率是任意高的，但是实际上，包括实际电子组件的通信设备必须能够满足这些要求。在某些情况下，结果数据速率甚至超过了当前制造水平对电子电路的限制，或者在更高频段上的信号根本无法被当前的商用芯片处理。
6G的商业模式和商业化
先前的研究活动主要集中在技术本身，而很少涉及商业模型和商业化。忽略营销方面会导致失败（3G在某种程度上可能是这种失败的一个例子2）。网络致密化是满足数据传输突发性的有希望的解决方案，但是谁应该为此付出代价呢？此外，由于6G通信将带来依靠新颖网络架构的突破性通信技术，因此如何确保6G与4G / LTE，Wi-Fi和5G的向后兼容性仍然值得值得商讨，值得研究。首先需要评估更新现有6G通信基础设施的总成本，然后应研究6G的商业模式和商业化以实现其商业成功。人们应该永远记住，对于大多数普通用户和政府决策者来说，
结论
我们已经从以人为本的角度提出了6G通信的愿景，可以作为5G后时代的研究指南。我们建议，高安全性，保密性和私密性应该是6G的关键特征，应该给予特别重视。我们提供并解释了6G应该支持的潜在应用场景。我们还介绍了6G通信的关键功能和支持技术。最后，我们讨论了在6G的发展中应考虑的通信技术以外的其他关键问题。
原文：https://www.nature.com/articles/s41928-019-0355-6
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