1.2 关键技术发展趋势
5G技术标准和商业部署的成熟正在催生人类社会对于信息需求的基本模式的变化，人们迫切需要信息处理能力的革命性提升，加速发展以普及数字化、泛在连接化、高度智能化为特征的6G时代新型社会。6G预期的新场景和应用所需要的超高速率、超大容量、极高的可靠性和极低的时延，需要建立在物理层可能提供的链路和系统容量之上。预计6G的底层将采用一系列新技术，包括新型工艺和材料、新型器件、新频段（太赫兹、可见光）、新型双工复用方式、新型电磁波传播方式，以及新方法（人工智能应用于物理层设计）。与以往的通信系统相比，6G网络预期将取得根本性变革，以保证更高精度端到端QoS或QoE的确定性业务提供更好的服务保障。从这个意义上说，在6G网络众多可预期的特征中，随处可见、泛在智能、安全可信显得尤为突出。
从1G到5G，每一代移动通信技术都是为了满足终端用户和网络运营商的需求而设计的。然而，当今社会正变得越来越以数据为中心、依赖数据，工业自动化将彻底推动生产率的提高。自主系统正在冲击我们的陆地、海洋和太空。数以百万计的传感器将被嵌入城市、家庭和生产环境中，由人工智能操作的新系统将在本地的“云”和“雾”环境中实现大量的新应用。
5G为高速率、低时延网络迈出了重要一步。通过引入新频段（如毫米波频谱），对授权和非授权频段的高效应用，以及全新的核心网设计为5G网络提供了新的无线应用。然而，随着以数据为中心和自动化进程的快速发展，未来无线通信网络对数据传输速率、网络时延和连接密度提出了更高的需求。
与前几代相比，6G将是一个革命性的系统，将彻底实现无线通信从“万物互联”到“智能互联”的演变。为了支持潜在的新型应用，例如，沉浸式XR和移动全息应用，远程医疗和自动驾驶，6G系统需要满足如下的关键性能需求。
·为满足对超高速流媒体应用的支持，需满足高达1Tbit/s的峰值数据速率和1Gbit/s的用户体验速率。
·为满足对时延敏感应用的支持，需要满足小于100μs的空口时延和小于1ms的端到端时延。
·为满足远程手术和工业自动化等极高可靠性应用的需求，误块率要求不低于10-7。
·为满足超覆盖物联网的海量链接需求，连接密度要求不低于107/km2。
·考虑到环境的可持续发展，6G系统要求有更高的能量效率。例如，与5G网络相比，6G网络的能量效率至少要提高到5G网络的2倍。
1.2.1 构建新型的体系结构
在移动流量快速增长的驱动下，第五代（5G）无线通信在满足增强移动宽带（eMBB）、超可靠低时延通信（uRLLC）和大规模机器类型通信（mMTC）等关键性能要求方面得到了广泛研究。因此，5G网络在2020年开始广泛部署。然而，随着移动用户流量的进一步增长，5G在支持具有高度多样化服务需求的大规模互联方面将遇到技术限制。此外，许多新兴的用例和动态的未来场景促进了对下一代无线通信新范式的需求，即6G无线通信。6G愿景可以概括为泛在无线智能、无处不在的服务无缝地跟踪与用户无缝连接的泛在服务、与基础设施的泛在无线连接、针对万物上下文感知的智能服务和应用程序。设想6G将通过按需自重构方式驱动无线网络，以确保网络性能的提高和服务类型的增长。6G网络日益增长的性能要求将促进新技术的部署，如太赫兹通信、超大规模天线、大智能表面、可见光通信等。
新技术的发展，使6G在把人类生活的所有方面连接到网络上，从而为人类提供便利的同时，也给网络安全带来了极大的挑战。基本上，当前的安全性主要依赖于位级加密技术和不同层级的安全协议。这些解决方案采用的都是“补丁式”“外挂式”的设计思想。当前网络在设计之初并未考虑安全的标准，使得基础网络在身份认证、接入控制、网络通信和数据传输等层面存在着诸多威胁，安全问题严峻。具体体现在公共无线网络中的标准化保护不够安全，即使存在增强的加密和认证协议，它们也会对公共网络的用户产生强约束和高附加成本。现有依靠“补丁式”“外挂式”网络安全增强方案来实现的安全防护体系难以满足要求，因此6G网络需要高效、高可用的安全防护能力。
为了应对6G网络迫切需要不依赖“补丁式”安全增强方案的可信安全体系这一挑战，业界提出了6G内生安全的方法，遵循“内聚而治”“自主以生”的思想构建6G网络内生安全体系。从用户、基站和边缘网络3个层面，设计6G内生安全网络协议和组网机制，达到身份真实、控制安全、通信可靠、数据可信4个安全目标，为6G网络内生安全体系的构建奠定技术基础。
1.2.2 无线传输技术的应用
无线传输技术决定了无线链路传输的效率和能力，是6G研究的重点，也是业界最期待有重大突破的领域。目前，学术界和工业界关注的无线传输技术主要包括五方面：
（1）通过增加天线数来提升传输效率
Massive MIMO已经成为5G的标志性技术，在6G时代，希望能够进一步拓展Massive MIMO的规模和应用范围，通过分布式协同实现更大规模的Massive MIMO，进一步提升传输效率，保证用户在移动网络里有覆盖的地方用户体验比较均匀，更好地解决用户在离基站近的地方和小区边缘体验差距大的难题。从5G的应用情况来看，Massive MIMO已经支持192天线和64通道，相对于4G的8天线，可以带来3～5倍频谱使用效率的提升，但也面临着复杂度高、成本高、功耗大等方面的挑战。
未来在移动通信典型环境下，进一步增大天线数和通道数规模可能会是非常大的挑战。面向6G，Massive MIMO的主要发展方向在于如何进一步提升其对场景的适应性、优化高移动速度场景、降低系统开销、优化计算复杂度、提升多用户配对效率等。同时，面向室内等密集部署的场景，利用多个天线点协作构成大规模的天线阵列，实现分布式Massive MIMO也将是未来6G重点关注的方向，其需要解决的问题主要有多个站点之间的射频通道校准、多个天线点之间的同步、高效的协作、低复杂度的多用户调度与赋形。
（2）电磁超材料的应用
电磁超材料是目前6G研究的一大焦点，通过数字化和可编程的低成本人工单元阵列设计，电磁超材料天线可以实现天线阵列的方向性接收和发送，带来信号传输和覆盖效率的提升。电磁超材料在天线领域的应用主要可分为三类：第一类是提升传统的无源天线性能，包括提升天线增益、控制波束形状、降低辐射单元之间的耦合等，目前已在5G中开始应用；第二类是可控无源反射面，通过预置控制或者基站辅助控制，实现电磁超材料表面的方向性接收和反射，提升覆盖的效率和用户速率体验，解决覆盖空洞的问题；第三类是用信息超表面来取代传统收发信机的波束赋形的天线阵列及其控制单元，甚至信息的调制。
目前，东南大学及其他院校已在超表面天线提升频谱效率和覆盖方面的研究上取得较大进展，并开始了外场测试。中国移动也在研究信息超表面发射器，尝试通过数字编程的方式来控制载波的信号幅度相位等，由此来取代传统的收发信机设计，提升功率效率。电磁超材料的应用需要考虑很多实际限制，阵列单元的可靠性与稳定性、带外辐射的控制、带内增益平坦度、控制单元的响应速度，以及控制带来的成本和开销等。目前，电磁超材料在通信中的应用也存在较大局限性，和现有模拟波束赋形相似，其对信号接收和反射的方向性控制是全带宽的。这会限制多用户的空间和频率选择性调度，也容易导致同一频段内的其他运营商网络干扰放大。目前考虑的解决方案是实现窄带的表面单元或者增加滤波器，但这些方式可能带来成本的大幅增加。
（3）场景化的编码与多址优化
在5G时代，polar码和LDPC得到了应用。到了6G时代，由于应用场景变得更加复杂，对网络能力、时延、可靠性等方面提出了新的要求，需要探索编码、多址和调制针对不同场景需求的优化，尤其需要考虑不同频段射频器件对通信链路和系统的影响。面向6G，需要对速率、时延和可靠性联合优化设计，研究统一的多址接入理论框架，以通过统一的架构实现针对不同场景的不同优化接入方式。
（4）感知通信一体化
6G网络需要具备环境感知能力，因此在信息传递过程中融合信息采集和信息计算，实现感知通信一体化是目前很有前景的技术方向之一。在移动通信网络中，采用感知通信一体化方案需要强大计算能力的支持与协助，感知功能是网络环境信息的来源，通信功能是网络协作的基础，计算功能是融合和挖掘多智能体共享信息的手段，而三大功能又互有关联、互相补充。实现三者一体化设计，不仅可以节省频谱、空间、载荷等资源，也使三者的性能互相增强。
未来6G网络不仅仅提供通信的功能，手机或者基站都有可能变成一个雷达，实时对环境进行探测感知，比如人体的姿态、手势、机器人的位置、车与车的位置等，以此来进一步拓展6G的应用场景，如无人机的协同和管控、机器人之间的协作、智能的手势和肢体交互等。感知通信一体化的研究需要着重考虑感知和通信是否可以一体化，如频率、天线和射频链路等是否可以复用，感知和通信的信号设计准则是否可以折中等。
（5）AI辅助的空口传输
随着集成电路工艺的不断提升，算力的提升和大数据的应用加速了AI的应用，AI已经成为6G研究的一大热点。传统的通信系统设计都是从统计稳定性和可靠性的角度出发进行优化设计的，而AI的应用则是希望尽可能利用数据的特征，个性化地优化通信过程。目前AI在移动通信中的潜在应用有很多，包括网管、核心网、传输网络和无线网等领域。从AI应用的三要素来看，需要着重解决算法的适应性、算力和数据的可获得性。
但是对于移动通信系统来说，动态的传播环境会带来无线信号传播特性的动态变化，周围小区的负载变化也会带来干扰的动态变化，由此大大增加了无线传输优化的复杂度和难度，也就带来了AI应用的泛化性问题，即AI能否真正地为无线传输带来稳定的增益和足够的性价比。物理层AI研究的热点包括AI驱动的信道译码与解调优化、基于信道预测的CSI反馈压缩和波束赋形、Massive MIMO的广播权值优化、基于内容和环境上下文感知的语义通信等。目前的AI应用研究都是场景驱动，结合特定的应用场景，考虑如何解决AI算法、数据的采集和传输，以及所需算力的实现，我们把这种实现方式称为“外挂式”或者“嫁接式”的AI，很难完全实现预期效果。
所以，内生AI成为6G研究的一个新方向，通过端到端的内生AI设计，将AI打造成网络的基本能力，提供给网络自身和外部客户调用。中国移动和华为发起成立了开放论坛6G Alliance of Network AI（6GANA），联合学术界和产业界共同开展相关的研究，探索网络AI的需求场景、网络架构、数据模型管理、理论算法与验证平台等，致力于把AI打造成未来6G网络的能力和服务，做到对内服务于网络，对外服务于第三方客户。
1.2.3 对频率资源进行研究
在“2018年世界移动通信大会·北美”上，Jessica Rosenworcel作为美国联邦通信协会（FCC）对外公开讨论6G无线服务的第一位专员，提出了6G的三大类关键技术，分别为6G频谱、6G无线“超大容量”如何实现和6G频谱使用如何创新。
Rosenworcel表示，6G将使用太赫兹（THz）频段，且6G网络的“致密化”程度也将达到前所未有的水平，届时，我们的周围将充满小基站。
太赫兹频段是指100GHz～10THz，是一个频率比5G高出许多的频段。从通信1G（0.9GHz）到现在的4G（1.8GHZ以上），我们使用的无线电磁波的频率在不断升高。因为频率越高，允许分配的带宽范围就越大，单位时间内所能传递的数据量也就越大，也就是我们通常说的“网速变快了”。
不过，频段向高处发展的另一个主要原因在于，低频段的资源有限。就像一条公路，即便再宽阔，所容纳的车量也是有限的。当路不够用时，车辆就无法畅行，此时就需要考虑开发另一条路了。
频谱资源也是如此，随着用户数和智能设备数量的增加，有限的频谱带宽就需要服务更多的终端，这会导致每个终端的服务质量严重下降。而解决这一问题的可行方法便是开发新的通信频段，拓展通信带宽。
目前，我国三大运营商的4G主力频段位于1.8～2.7GHz的一部分，而国际电信标准组织定义的5G的主流频段是3～6GHz，属于毫米波频段。到了6G，将迈入频率更高的太赫兹频段，这个时候也将进入亚毫米波的频段。中国科学院国家天文台研究员苟利军说：“太赫兹在天文中被称为亚毫米，这类天文台的站点一般很高而且很干燥，比如南极洲，还有智利的阿塔卡马沙漠。”
那么，为什么说到了6G时代网络将“致密化”，我们的周围会充满小基站？这就涉及了基站的覆盖范围问题，也就是基站信号的传输距离问题。
一般而言，影响基站覆盖范围的因素比较多，如信号的频率、基站的发射功率、基站的高度等。就信号的频率而言，频率越高则波长越短，所以信号的绕射能力（也称为衍射，在电磁波传播过程中如遇到障碍物，这个障碍物的尺寸与电磁波的波长接近时，电磁波便可以从该物体的边缘绕射过去。绕射可以帮助进行阴影区域的覆盖）就越差，损耗也就越大，并且这种损耗会随着传输距离的增加而增加，基站所能覆盖到的范围会随之降低。
6G信号的频率已经在太赫兹级别，而这个频率已经进入分子转动能级的光谱了，很容易被空气中的水分子吸收掉，所以在空间中传播的距离不像5G信号那么远，6G需要更多的基站“接力”。
5G使用的频段要高于4G，在不考虑其他因素的情况下，5G基站的覆盖范围自然要比4G的小。到了频段更高的6G，基站的覆盖范围会更小。因此，5G的基站密度要比4G高很多，而在6G时代，基站密集度将无以复加。