3万字告诉你全球6G通信技术最新进展

文 |钱鸿生

编辑|星船知造

视觉设计：星船知造

5G时代已经过半。从2019年5G启航至今，中国扎实推进5G助力千行百业。目前属于5G的时间还有至少5年。

中国数个万亿级产业的崛起都在5G技术的托举下：《中国5G，这些万亿级产业都离不开5G》

另一边，6G标准话语权的争夺战也已打响——今年美国、澳大利亚、加拿大、捷克、芬兰、法国、日本、韩国、瑞典、英国10个国家发布联合声明，拉起“6G”联盟，准备来个抱团式弯道超车。

同时多家欧美日韩科技企业，包括英伟达、亚马逊网络服务公司、ARM、爱立信、微软、诺基亚、三星电子、软银等成立“AI-RAN联盟”，要在6G研发领域抢占关键位置。

6G标准化仍处于早期研究阶段，尚未形成全球统一的技术标准，但各国都已充分认识到了6G对于未来国家的技术与经济发展的重要性。上述各种动作目的之一就是把中国企业排除在外。

一场6G关键技术的研究、测试工作已经全面拉开竞争序幕。

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作为星船知造“现代通信与智能网技术展望”系列栏目的第三辑，我们邀请星船知造资深读者、通信行业教授级高级工程师钱鸿生博士为我们撰写了《第六代移动通信6G关键技术与发展前景的研究》。

白皮书正文共3.1万字，从移动通信技术迭代发展的角度出发，分析第六代移动通信6G发展的内生驱动力，全面分析6G移动通信的愿景目标、系统架构、主要性能参数和关键新技术突破的内涵，分析未来6G移动通信网络新的六大场景化应用领域，盘点我国科研人员近期在6G关键技术研究中的一些重大突破案例。最后就我国部署商用6G移动通信网络的时间、6G资本市场的发展前景以及建立风险管控机制作了简要的分析与研判。

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我们节选出白皮书中部分内容，本篇主要节选了第二章中的“第六代移动通信6G网络架构设计”和“第六代移动通信6G关键技术介绍”中部分内容。

下篇发布后将同步发布完整版白皮书。敬请期待！

01 第六代移动通信6G网络架构设计

网络架构设计是移动通信网络的基础和核心，它决定了整个移动通信系统的效率和技术支撑能力。

6G网络架构设计将向边缘网络和天地一体化不断延伸，满足固定、移动、卫星等多种连接方式的接入，实现空、天、地、海一体化通信的无缝连接与覆盖。

2.3.1 第六代移动通信6G网络架构理念

第六代移动通信6G的网络架构设计，充分吸收以往5G网络架构设计的成熟经验和理念，在新的6G 网络架构中将适配的新业务需求，兼顾节能增效，并保持与现有5G网络的兼容、协同与升级。

6G网络架构设计的基本理念应考虑以下几个方面

第一，多功能内生协同融合。

6G网络提供的服务将从原来单一的连接服务，扩展到智能、感知、计算、数据、安全保障等多方面，相关架构设计理念应体现内生以大带宽、低时延的连接功能为主，引入外挂方式满足6G多样的服务需求和适配复杂环境的需求。需要从网络功能、接口、协议栈等多方面支持智能、算力、安全等内生能力，协同6G新业务所需要的连接、数据、计算多维度资源，采用分布式的网络服务形式，满足用户对6G融合业务的匹配能力和服务质量保障。

第二，提供多元化和差异化服务。

6G网络的服务对象不仅仅是传统的终端用户，还包含使用网络计算服务、数据服务、感知服务等多元化的对象用户。因此6G应该提供多元化和差异化的网络服务能力，降低网络建设与运维成本。能为多元化的用户提供不同的服务类型与服务保障的体系，满足个性化的网络需求。

第三，网络从连接管道转向平台服务。

第六代移动通信6G网络将从原有的提供连接管道服务，转变成为多元化的平台服务理念，面向网络的参与者，如终端用户、行业用户和合作伙伴。开放基于统一平台开放式的服务能力，以降低网络定制成本，赋能多样化、可编程等多样化业务功能、具有计算功能等进行灵活编排，实现用户与用户、用户与网络之间的多边能力资源的协同处理能力。

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2.3.2 第六代移动通信6G系统性能指标

为了支持2030年及以后的移动通信应用场景的需要，6G网络性能指标，通过引入新的技术方案、重构或优化网络架构、协议方案，可以取得比5G具有显著的提升。对于系统带宽、传送速率、时延、频谱效率、流量密度、系统安全可靠性和连接数等关键性能指标，与5G 相比可呈现数量级的增长，如下图所示

图说：6G网络性能参数估计目标值

未来 6G 网将具备比 5G 更高的性能参数指标，支持10到100Gbps 的用户体验速率，峰值速率可达1Tbps，每平方公里的终端密度可达1000万以上，空口时延小于0.1ms，以上指标远超5G ，某些性能参数在5G的基础上将实现10至100 倍的提升。

但是，ITU-R在2023年11月发布的 《2030年及以后IMT未来发展的框架和总体目标》（M.2160-0）中提醒，目前对6G的能力指标参数的一些估计目标值，随着后续标准的出台，根据不可预见的应用环境与不同国家的研究会有一些参数上的变化，有些可能无法同时满足。

02 第六代移动通信6G关键技术介绍

为了实现第六代移动通信新业务应用和超高要求的性能指标，6G需要在新型的系统架构的基础之上，采用当代最前沿的科学技术成果与未来可期的新技术，使得6G系统能在更高的目标上实现其强大的功能演进，6G采用的关键技术大致可以涵盖以下多个技术领域。

2.4.1 深度融合内生智能的网络架构

随着人工智能技术的飞速发展，人工智能技术将内生于未来6G移动通信系统的方方面面，不仅限于无线架构、无线数据、无线算法和无线应用等新的智能网络技术体系，ITU-R在6G标准设计之初就考虑了AI技术的应用。

例如，内生智能的新型空口模块化的设计，可实现无线资源管理、避免干扰等多维度特性的深度挖掘，从而提升6G无线网络的可靠性、实时性和安全性，保证6G网络的自主安全运行。

6G移动通信网络的智慧内生是围绕用户和网络需求，按需提供通信和网络服务，从而最终实现网络随需而变。6G网络将同时具备语义识别、分析、理解和推理的能力。使通信网络从数据驱动向语义驱动转变，为用户提供更加高效、节能、智慧化的通信服务。

6G将借助内生智能网络，支持具有感知、通信和计算能力的无线基站和终端，实现智能分布式协同服务，提升整个网络通信能力与算力。

2.4.2 极致MIMO多输入输出技术

MIMO多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Out-put），简称MIMO技术，其原理是在发射端和接收端，分别采用多个发射天线和接收天线，能够区分发往或来自不同空中方位的无线信号，在不增加带宽与发射功率的情况下，提高系统的覆盖范围、容量和信噪比，从而改善无线信号的传送质量。提升天线系统容量、覆盖范围和信噪比、改善无线信号的传送质量，满足6G高速移动场景和全业务场景的接入需求。

2.4.3 带内全双工技术应用

带内全双工技术 (In-Band Full Duplex)，简称IBFD技术，采用带内全双工技术，可以在相同的载波频率上，同时发射和接收电磁波信号，实现传输资源更加灵活的配置，具有自干扰抑制，功耗低、天线小型化，有效提升系统频谱的使用效率。

2.4.4 可重构智能超表面技术

可重构智能超表面技术（reconfigurable intelligent surface），简称RIS技术，正在被业界普遍认为是推动5G-Advanced和6G移动网络演进的最有力的技术之一。

RIS技术的基本原理是通过数字编程来操控超材料的电磁特性，创造一个智能自适应的无线环境。与传统材料相比，RIS 可利用电磁超材料特性，精确控制电磁波的宽度、方向和数量，实现信号的精准反射和透射。可应用于高频覆盖增强、克服局部盲点、提升扇区边缘传送速率、绿色通信、高精度定位等场景。

2.4.5 轨道角动量技术应用

轨道角动量（Orbital Angular Momentum,）简称OAM技术，可以通过多模态电磁波涡旋量子复用传输，在不依赖时间和频率等资源的情况下，发送多个同轴数据流，提供了无线传输的新复用技术维度，适用于用户和基站间的长距离传输，从而提升频谱效率。

2.4.6 智能全息无线电技术

智能全息无线电（Intelligent Holographic Radio），简称IHR技术，智能全息无线电技术是利用电磁波的全息干涉原理，实现电磁空间的动态重构和动态精密调控，从而大幅度提升频谱效率和网络容量。可实现成像、定位和无线通信的深度融合，实现超高分辨率空间复用，满足6G超高频谱、超高流量密度、更低时延和超高容量需求。可以为万物互联终端提供精确定位、无线终端远距离快充等服务，为6G场景化应用提供强有力的技术支撑，是6G标准制定中的关键内容之一。

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2.4.7 太赫兹频段通信技术的应用

如何在移动高速通信技术上，进一步地提高无线网络的传送速率是现阶段全球移动通信领域最为重要的一个研究内容。

太赫兹频段超高速通信是一种新型的无线传送方式，与传统的无线网络不同的是它工作在太赫兹频段，太赫兹（缩写为THz），太赫兹频段是指介于毫米波和红外线之间的频谱范围，其频率范围在0.1THz至10THz之间，频率一般为300-3000GHz范围之内。低于太赫兹的频段称作毫米波（mmW）是指频率范围是30GHz-300GHz的电磁波，毫米波是5G移动通信推荐的频段。

太赫兹频率分布图如下所示

图说：传统通信频率与太赫兹（THZ）频率分布图

随着移动通信的演进使用的频谱也逐步扩大，从5G开始已经扩展到了毫米波频段，6G则将开始使用太赫兹频段，但其中中频段依然是实现广域覆盖最经济的方式。

如何开发使用太赫兹频段有望成为 6G移动通信的关键技术之一，太赫兹频段的频段很宽，大部分频段未被使用，能够承载超高速数据的传送，6G通信充分利用太赫兹频段，能够有效缓解有限的频谱资源，缓解容量限制。

太赫兹频段将充分发挥超大带宽及超高速率的优势，支持6G海量设备的连接以及 Tbit/s 级别超高用户数据的传送。因此太赫兹频段被视为实现6G 通信的重要备选空口技术，太赫兹波以其独有技术优势，在高速短距离宽带无线通信方面有广阔的应用前景。将广泛应用在全息通信、超大容量数据传送和短距离超高速数据传输的场景中，特别在6G万物互联最后100米的终端连接中，太赫兹频段通信将发挥重要的支撑作用。

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2.4.8 分布式自治与数字孪生网络

6G将具有超大网络接入规模和丰富的网络体验功能，支持多样化场景接入，实现面向广阔的场景化应用领域。为此，需在原来5G网络架构的基础之上，开展包括接入网和核心网在内全新的6G系统架构设计。

6G系统架构将向分布式、去中心化、自治化的网络机制的方向发展，实现以用户需求为中心的网络控制和管理，采用深度边缘智能节点灵活组网技术，支持以任务为中心的智能连接，具备自治、自演进能力的智能内生网络架构，构建一个更加包容的多模态信任模型。6G系统架构将大幅度减少系统内部接口，系统架构将扁平化，具有高可靠、高吞吐量区块链的架构设计，基于数字孪生的设计理念，6G通信架构将向更全面智能控制方向发展。

数字孪生技术已经被引入了6G关键技术的研究对象，数字孪生技术将被应用到6G系统架构设计中，通过对物理网络的虚拟表示，通过数据、模型和接口，对6G系统架构进行分析、诊断和控制，实现网络优化和智能网络自治决策，利用数字孪生技术，实现信息交互与反馈控制。提高网络数据的有效利用和网络的高效建模，满足业务发展的需求。

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2.4.9 全域覆盖空天地一体网络架构

国际电联ITU已经正式将空天地一体网络架构作为6G的核心技术之一。

6G将全面实现地面移动通信网络与不同轨道高度上的通信卫星及不同高度飞行器双向融合的移动通信网络，利用天基、空基全覆盖网络实现偏远地区、海上和空中灵活组网，构建起一个标准终端互联、统一空口协议的空天地一体的网络架构，用户可以在任何地点、任何时间、以任何方式，实现通信与信息交换的服务。

空天地一体将构建一个统一的共享网络基础设施平台，为不同安全等级的用户提供差异化的网络服务和安全保障。空天地一体的网络需要卫星通信、移动通信、终端互联、芯片制造等各种技术融合，技术难度极高，不但有极大地民用市场的需求，可以对地面蜂窝移动基础设施覆盖范围进行有效补充，而且具有较高的军事价值。

2.4.10 通信感知一体化技术应用

感知是人们与物理世界交互信息的重要过程，6G通信感知一体化技术广义上是指：6G网络应该具有感知一切服务对象与终端状态的能力，狭义的感知是指6G移动通信网络具备对目标准确识别、定位、测速、测距的能力。

国际电联在2023年11月发布的“2030年及以后IMT未来发展的框架和总体目标”（ITU-R M.2160-0）中指出：“传感和通信的集成，有望成为未来通信广泛用例的关键推动因素。此外，感知物理环境和适当的人工智能可以进一步增强态势感知”。

通信感知一体化技术被认为是未来6G移动通信关键技术之一，该网络应当具备空间感知、智能通信与泛在计算能力的网络。该网络内通、感、算三位一体的软硬件资源协同共享，实现多维感知、协作通信。

通信感知一体化是构建物联网发展的重要组成部分，它能够为多个行业应用提供准确可靠的数据传送和连接，推动工业互联网技术的进一步发展和应用。

通信感知一体化技术涉及多种先进技术的融合，其中包括依赖先进的传感器、先进的无线电通信、太赫兹、空天地一体化、高速数据传送、高速数据处理、内生AI、元宇宙、网络安全保障等新技术，赋予6G系统超强的感知能力。

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未来6G网络将通过通信感知一体化技术，实现对目标的准确识别检测、定位分析、成像处理等感知功能，通过6G感知功能获取物联网信息、环境信息，利用先进的模型与算法、边缘计算和AI处理能力，生成超高分辨率的图像，精确分配通信资源，挖掘潜在数据能力，增强用户体验。并助力完成实体数字虚拟化，催生出6G 场景化应用更广阔的前景。

也可以通过6G的通信感知一体化技术，实现设备与人之间的协同运作，例如无接触手势操控、人身肢体动作识别等，能精确感知物体与监控对象的运动状态，实现6G在场景化应用中提供高度精确的实时感知能力。

2.4.11 多模态技术提升网络安全

通信网络是一个国家重要的基础设施之一，6G网络将在国民经济与国防建设中发挥重要的作用，其网络的的安全性至关重要。

国际电联在研究6G标准化的过程中，各国对未来6G的网络安全提出了更高的要求，专家们对未来6G 网络应该具备更加稳定可靠的通信安全架构、采用多模态自适应的安全策略、智能可控的网络安全决策、灵活的网络安全扩展和安全开放协议，提出了明确的技术要求。

未来6G网络将会向云端化和边缘化的方向发展，6G网络将为移动通信网、卫星互联网、物联网、智慧城市、车联网等海量终端提供统一接入服务，形成广泛的跨系统、跨生态圈、高速接入的服务模式，这时6G网络安全体系将显得尤为重要，需要采用多种先进的技术手段予以保证。

例如安全凭证、抗量子攻击的非对称密码算法、网络安全内生主动免疫，基于可信任的网络安全技术等，为6G网络基础设施提供软硬件的主动免疫、弹性自治、虚实共生、泛在协同的安全防御功能。并能根据行业与用户差异化的安全需求，实现安全能力的弹性部署，提升网络韧性和网络安全。通过端、边、网、云四位一体的智能协同，准确感知整个网络的安全态势，让6G网络始终处于安全可控的运行状态。通过人工智能AI助力网络安全，降低网络安全运营成本，构建起可测量、可演进的强大内生安全防护体系。

基于大数据分析技术和深度学习算法模型，构建一个更加包容的多模态信任模型，能检测和识别未知恶意软件，自动追溯网络攻击源，实现网络安全边界自定义、跨域交叉认证、风险隔离、安全策略最优化，提升整个6G网络的安全能力。

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总体而言，全球范围内6G 的研究仍处于起步阶段，整体技术路线尚不明确，系统架构与性能指标都有待于后续研究的推进。

目前主要在6G愿景目标、应用场景、基本指标、潜在关键技术等方面的研究取得了一定进展，其中部分6G关键技术的研究成果，将在后续的5G-Advanced相关版本中得到应用和验证，并为6G的标准化制定和应用积累成功经验。

主要参考文献：

[1] ITU-R."Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2030 and beyond". June 2023.

[2] ITU-R，Overview timeline for IMT towards the year 2030 andbeyond".2022.

[3] 作者钱鸿生、编辑唐晓园.《华为之外，1998-2023芯片背后的持久战》[J].上海.《星船知造》.2022年9月12日.

[4] 科技部网站.《我国正式启动第六代移动通信技术研发工作》.2019年11月7日.

[5] 中国IMT-2030（6）推进组官网.

[6] 中国电信研究院.《6G愿景与技术白皮书》.2022年12月.

[7] 中国移动集团公司.《中国移动6G网络架构技术白皮书》.2022年12月.

[8] 中国移动集团公司.《2023年中国价值驱动6G发展白皮书》.2023年7月。

[9] 邓彬、李韬 、汤斌等著《基于太赫兹雷达的声致海面微动信号检测》[J].雷达学报.2023年8月.第 1 2 卷 第 4 期.

[10] 国务院《十四五数字经济发展规划的通知》（国发〔2021〕29号）.2021年12月12日.

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本文节选、编辑自星船知造白皮书《第六代移动通信6G关键技术与发展前景的研究》。白皮书全文共3.1万字，由钱鸿生博士撰写。下篇发布后我们将同步发布完整版白皮书。敬请期待