北美6G目标及关键技术

因为通信和传感技术的进步、通信和计算的融合、硬件密度和数据吞吐量的更高目标，以及通过自动化和原生人工智能能力进行更快速的决策，6G代表了通信领域的一种新范式。6G的元宇宙（XR、全息通信等）以及面向服务的机器人等用例，将对6G无线网络的数据速率、容量、时延、谱效、可靠性、移动性、覆盖范围、连接密度和能源效率等提出（相比于5G无线网络）更为严格的要求。

到本世纪末，北美在6G领域的领导地位将产生：①在从研究到商业化的整个生命周期中，跨行业、政府和学术界进行更强大的工作协作；②一个强大的市场，使用创新的应用程序和技术，在新的数字世界中连接社会；③增加对部署进步技术的所有权，实现6G愿景。北美6G联盟确定了六大具体目标（参见图1），这些目标描述了北美在6G未来全球标准、部署、产品、运营和服务方面的贡献和领导地位的最高优先事项。这些优先事项考虑了整个北美的社会和经济需求，以及北美将为世界其他地区做出贡献的技术优势。

图1  Next G Alliance六大目标

北美6G联盟在2022年2月发布《Next G Alliance Report：Roadmap to 6G》报告，指出6G关键技术包括组件技术、无线电技术、系统和网络体系架构（SNA）、运营/管理/维护（OAM）/服务支持（SE）、可信度。

一、组件技术半导体技术

硅和III-V半导体是候选技术，SiGe和InP的进步有望实现1THz以上的性能。电路和子系统，涵盖了6G收发器，包括前端（PA、LNA等）、上/下转换、模拟基带、数据转换器、电源管理，以及所有6G频段的数字电路。需要研究新的收发器架构、电路拓扑，以及CMOS和非CMOS（如III-V）技术中的新设计方法，以实现6G的高速率通信，同时更经济、更可持续。天线、封装和测试，集成电路、无源器件（滤波器、电感器、电容器、匹配和调谐/开关元件）和天线等子组件需要在非常接近的位置共同封装到子组件和模块中，以满足6G技术要求。需要评估新的封装、重新分布和互连技术。

二、无线电技术

1、能实现频谱扩展和谱效提升的6G无线技术

①太赫兹/亚太赫兹：太赫兹频段中数千兆赫带宽的可用性有可能将使能诸多6G高吞吐量的（下行）大数据率（数Gbps）新应用。

②毫米波增强：5G将商用毫米波无线技术。预计毫米波无线技术在6G时代将继续演进，以通过增强的波束赋型、波束跟踪和拓扑增强（包括低成本的毫米波密集组网）来提高覆盖范围、鲁棒性和功效。

③频谱共享：以缓解带宽可用性方面的限制。

④高级MIMO技术：MIMO是提高谱效的关键技术。用于6G的高级MIMO技术可能包括对较低频段的增强、大规模MIMO、分布式MIMO、可重构智能表面（RIS），以及全息波束赋型和轨道角动量等。

⑤高级双工方案：全双工等高级双工方案有望提高6G系统容量、时延和覆盖范围。

⑥波形、编码、调制和多址接入：波形、编码、调制和多址接入技术有望在6G无线系统中继续得到演进，以提高覆盖率和吞吐量，以及频效、功效和成本效率。

2、基于人工智能和分布式云的6G无线技术

人工智能和分布式云技术有望在6G通信系统中发挥关键作用：

①AI原生之空口：人工智能可以被集成到6G网络的设计中，与5G网络相比，可能会产生性能提升和成本降低。网络生成的大量数据可用于 AI原生6G空口的训练/测试模型。

②跨设备和网络的分布式计算和智能的空口使能：应研究具有分布式计算和智能功能意识的高效空口特性和协议，以降低不完善的无线电信道条件的影响。

3、绿色6G通信无线技术

“节能通信”是6G系统的一个关键目标。

①绿色网络：节能网络将涉及时间、频率和空间（Tx/Rx链/端口）的动态适应、PA效率、AI/ML辅助、节能信号和协议设计。

②设备节电：设备节电技术考虑了对于功率与性能的权衡、跨设备和基站的联合功率优化，以及跨层的功耗优化。

③零能耗通信：零能耗通信技术将使得基站或终端以极低或净零能耗进行通信。

④超低分辨率通信系统：具有大带宽、高采样率和大量天线的系统的低分辨率通信技术可以节省功耗和组件成本。

4、具有先进拓扑和网络的6G无线技术

要实现6G预期的多样化和集成网络拓扑，需要研究与网状网络、设备到设备通信、协作通信、非地面通信和无线极端网络。还需要研究能够增强工业领域6G应用的无线电技术。

5、通-感一体化（JCS）的6G无线技术

在新的商业和工业领域，6G无线系统对周围环境（其中包括智能家居、工厂、城市和高速公路等）的认知变得越来越重要。环境感知对于交互式游戏、汽车安全、医疗保健、工业自动化等6G应用很重要。

无线感知和定位包含广泛的功能和技术，包括确定物体的距离、角度和速度等基本功能，而高级功能则包括成像和3D映射功能。虽然目前深度相机、激光雷达等专有技术被广泛用于提供此类功能，但是为了实现更加无缝和高效的演进，需要重用和扩展现有的数据通信技术和资源，以实现无线感知和定位，6G的JCS技术应运而生。JCS的无线技术将涉及MIMO传感、RIS辅助传感、RF传感、以UE为中心的传感、以基站为中心的传感、协作传感、双工方案、新波形以及通信和传感之间的频谱共享。

三、系统和网络体系架构（SNA）

网络拓扑，将超越传统蜂窝网络，支持多样化和集成的网络拓扑，以解决广泛的用例和部署场景。预计它还将继续支持卫星网络。此外，预计未来的用户可能不仅包括地面设备，还包括无人机和飞机。网络适应性，需要更大的部署灵活性。分布式云计算，将计算和数据视为通信系统中的资源，需要新的概念来处理相关问题。不仅要考虑通信，而且必须考虑在请求和响应之间必须发生的计算。通信、计算和数据之间的紧密集成有望在广域系统中实现分布式云。除通信平面服务和资源外，计算平面和数据平面资源和服务有望成为6G系统的组成部分。网络和设备中的人工智能，在6G网络和设备中，已经确定了许多AI/ML可以增强和优化的功能。这方面的例子包括：基于人工智能的PHY/MAC、人工智能辅助移动、人工智能优化的资源分配、用于编排的人工智能、人工智能安全等。

四、运营、管理、维护（OAM）和服务支持（SE）

用于自动化的服务管理/协调、数据管理和基于AI/ML的智能网络控制器，6G将把网络OA&M从手动控制转变为固有的智能零接触操作，人工智能可以内置到网络本身的设计中，以支持本地端到端人工智能。6G网络还可以在与数据准备、建模、AI操作、策略/意图实施和数据收集相关的领域支持AI/ML生命周期管理。突发事件和灾害场景中的公共安全，允许6G系统提供网络节点、设施和客户端的安全发现，安全代理服务，实现安全可靠的地理定位，并确保体验质量（QoE）。商业服务融合的技术促成因素，技术使能器允许组织协调、同步、集成、可视化、联合和分析数据，以推动数字转换和开发新的增值服务。未来的研究领域是安全通信和分布式云服务等公共服务的共享基础编排器技术。节能绿色网络，6G应提供监控能源消耗、分析和控制的工具，以降低整个网络的能源消耗。使能技术包括零接触网络自动化、基于人工智能的节能网络运行解决方案和部署。

五、可信度通信安全

量子计算的预期进展意味着6G系统的设计和部署必须为后量子安全时代做好准备。今天大部分的公钥密码基础设施将需要被后量子密码（PQC）所取代，以确保算法能够抵抗量子计算机进行的密码分析。除了将量子计算视为一种威胁之外，它还可以通过量子密钥分发（QKD）、量子密码（QC）技术来增强安全性。系统可靠性，面对故障（软件和硬件）、攻击（恶意和意外）和灾难（人为或自然），6G系统必须在可靠性和可用性方面可靠。保护数据和隐私，需要研究保密计算和存储技术，以解决如何在分布式云和通信环境中访问和保护数据、算法和专有人工智能模型。这可能需要使用区块链、信任链和安全环境等技术。