从历史上看，移动通信大约每十年就会出现一次更新换代，通过引入新兴技术实现频谱效率和容量的提升，为新业务、新业态培育提供基础。5G新无线电（NR）的第一个版本已于2018年准备就绪，在诸多领域已展现出提高生产力的潜能，且有望成为引领许多领域长期发展、融合发展和自主应用的关键技术。与5G相比，6G会采用新技术、新模式，能满足并超越5G所需的通信要求，加速经济和社会的数字化。从之前移动通信技术更新换代的时间、路径来看，现在是研究6G的通信需求、性能要求、系统和传输面临的挑战以及技术路线选择等核心问题的最佳时机。第一届6G无线峰会于2019年3月在芬兰列维举行，来自29个国家的近300名与会者参加了会议，包括了主要基础设施制造商、运营商、监管机构和学术界的核心人员。该活动的6G愿景宣言抓住了6G的本质，即“无处不在的无线智能”。“无处不在”指服务与用户随时随地进行无缝对接；“无线”指出无线连接是关键基础设施的一部分；“智能”指为人类和非人类用户提供情景感知的智能服务和应用程序。峰会结束后，组织者举办了研讨会并起草了第一份6G白皮书《无处不在的无线智能——6G的关键驱动与研究挑战》（以下简称“白皮书”），白皮书确定了与6G相关的主要驱动因素、研究要求、挑战和基本研究问题，并指出了6G的主要驱动力：可持续发展、社会、生产力和技术。此白皮书每年都会在年度6G无线峰会结束后进行更新。

说“从5G工程到6G人文”是天真的，还是势在必行?

2016年，联合国发布了2030年议程的17个可持续发展目标（SDG），有望推动政策并影响许多经济体的政府支出，从而创造出新的全球需求。到2030年，全球人口将增长到85亿，预计世界上将有43个人口超过1000万的特大城市，其中大多数位于发展中地区。城市化要求在整个社会范围内提供超高效、自动化、无时无刻、无处不在的信息与通讯技术服务，从而显提高生产率、减少碳排放、节省公共支出。同时，未来城市地区开发的服务需要转变为满足偏远地区、贫困地区的需要，以便实现联合国的可持续发展目标。在6G时代，随着社会与信息通讯技术的融合愈发紧密，将出现更多的数据安全问题，如何应对这一难题、做好风险防范将成为6G技术不容忽视的重点。白皮书确定了关键的研究领域，以便使6G愿景成为现实，白皮书的后继版本将会补充第一次峰会上未讨论的缺失领域。

6G的社会和商业驱动力

（一）来自社会的驱动力将塑造6G

从1G到5G，社会和商业驱动因素对移动通信网络的影响愈发深刻，对于6G而言，政治、经济、社会、技术、法律和环境等都是重要的驱动因素。一方面，为了确保智能城市服务和城市化的红利得到充分共享且具有包容性，政策要着重关注城市贫困人口和其他弱势群体对生活保障的需求。另一方面，无时无刻、无处不在的系统化、自动化的小工具和传感器将对网络的可靠性和鲁棒性提出更高要求。预计6G“无处不在”的特性将大大扩张信息与通信技术涵盖的范围，释放更多社会经济价值和机会。与此同时，高效节能也是6G的关键性需求在整个网络产品使用周期中，对材料进行选择、使用、重复使用和回收利用，可以降低网络建设、使用的成本，有助于将网络连接扩展到更多偏远地区，以持续、高效、绿色的方式提供无线网络。

（二）数据所有权和合同政策问题需要特别关注

数据访问和使用规则逐渐成为未来创造价值的重要要素，为此，对数据的限制也变成了一种管理手段。创建一个可以改变数据收集、优先级和共享方式的系统，可以为更大程度地发挥数据价值提供保障，但也可能导致在数据存储和使用等方面产生严重的隐私及伦理问题。在通信生态系统中，不同参与者对数据的使用权利和义务已有界定，但在6G时代，一个重大挑战是如何将这些权利和义务映射到高度智能的系统或设备中，以便使用数据创建更多未来服务。

（三）6G将推动城市和室内空间的网络共享，“本地运营商”模式将得到推广

在6G时代，定位服务于超高效短距离传输的网络新频段将会开放，各个参与者将在新频段上以垂直行业为目标进行网络部署，以吸引新的参与者、投资者等共同打开市场。以往重叠的超密集网络将不再可行，不同的参与者在一个设施内只部署单个网络来满足多个用户组和服务的需求，参与者将借助软件化、网络功能的虚拟化以及接口的开放来共享网络连接层和数据层。在此背景下，频谱接入权、网络、网络资源、设施和客户的所有权变更将导致多种技术要求和技术架构组合，大大增加网络接入的复杂性。同时，频谱使用的全球协调也需要各方共同努力去推进解决。

（四）6G中的利益方将发生变化，并且将出现新的角色

6G作为共享经济体将改变现有角色，并引入新的利益相关方角色，从而形成更加复杂的生态系统（图）。图中的利益方代表了来自人和机器用户的不同需求，也包括不同垂直领域的公共部门或企业。满足需求范围所需的资源和资产将由提供物理基础设施(生产设施、场地)、装备(设备、网络架构)和数据(内容、场景)的不同参与者在政策制定者制定的监管框架下(八边形最外层)提供。需求和资源将通过匹配/共享利益方而整合在一起。这些利益方既包括不同类型的运营商（本地或垂直特定运营商、固定运营商、移动网络运营商、卫星运营商），也包括资源代理以及各种服务/应用程序提供商，例如信任/安全提供商。

总体而言，与当前的移动业务生态系统相比，6G中的参与角色将发生变化，同时还会出现全新的角色。尤其是前文提到的驱动因素，它们将从根本上改变生态系统，并为6G中的各种利益相关者带来新的机遇。

（五）6G在社会和商业驱动力方面需要研究的问题

·6G的主要社会要求是什么？

·如何在6G中对生态系统各利益方及其生态系统配置进行分类？

·6G共享经济中，基于平台的生态系统商业模式是什么，为什么以及如何出现？

·人工智能（AI）和机器学习（ML）如何在未来的6G系统中改变基于平台的生态系统、商业模型和服务？

·6G要满足社会要求，至少需要什么可行的法规?

·如何开发新的机制和商业模型来提高无线网络包容性，支持偏远地区访问？

6G应用场景和新设备

智能手机已成为我们生活中不可或缺的一部分，但随着新的显示技术、传感和成像设备以及低功耗专用处理器的飞速发展，硬件设备将进入一个新时代。该时代，设备将与感官和运动控制无缝结合在一起。虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）这些技术正在融合到交叉现实（XR）中，该技术包含可穿戴的显示装置以及产生并保持感知错觉的交互机制，提供了更多的可能。

（一）智能手机很有可能被XR眼镜所替代

未来，轻巧的XR眼镜能以前所未有的分辨率、刷新率和动态范围将图像投射到眼睛上，并通过耳机和触觉界面把反馈提供给其他感官系统。

（二）新的技术将使远程呈现成为可能

随着高分辨率成像和传感设备、可穿戴显示装置、移动机器人和无人机、专用处理器以及下一代无线网络等辅助技术的发展，远程呈现最终将成为现实。人物模型可以通过实时捕获、传输和渲染会议中每个参与者的三维全息再现，或者通过图形组合表示(如化身)和传感器捕获的移动数据来实现。XR设备等可以创造感知上的错觉，使地理上分散的一群人相信他们出现在同一个位置。

（三）自动驾驶汽车将成为可能

在6G网络中，每辆车都将配备许多传感器，包括相机、激光扫描仪、可能用于三维成像的太赫兹宽带阵列成像设备、里程表和惯性测量单元。在算法上，自动驾驶必须快速融合多来源数据来决定如何控制车辆，并具有专用的交互界面以提醒乘客或监督员注意潜在风险。在网络上，无线网络除了具有低延迟和高带宽外，还必须有超高可靠性。

（四）6G在应用场景和新设备方面需要研究的问题

·下一代XR系统的功能、性能和人体工程学要求是什么？

·如何在未来的XR系统中的不同组件之间分配算力和数据？

·如何为下一代XR设备定义和衡量基于人类感知的体验质量（QoE）标准？

·下一代网络和设备可以为人与人之间的互动提供哪些新的机会？

·自动驾驶汽车在通信可靠性和交通安全性方面需要考虑哪些因素？

6G关键技术指标和频谱

6G的技术指标与先前的移动蜂窝网络升级一致，将5G已有指标提高10-100倍。除了已有指标，新的6G指标大致可以分为两类，一类是技术和生产力驱动的指标（包括延迟、抖动、链路预算、扩展范围/覆盖范围、三维地图保真度、位置精度和更新的速度、成本和能源等），另一类是可持续发展和社会驱动的指标（包括在定义需求和标准化中包含垂直参与者、透明度、隐私/安全/信任、面向应用程序接口的全球用例、联合国可持续发展目标激励、开源以及道德指标等），部分指标类别目前很难定义，在未来的白皮书版本中将会改进。

（一）6G研究应突破最高传输速率1Tb/S的瓶颈

6G有望成为第一个要求超快速链接的无线标准，其每个链接的峰值吞吐量将超过Tb/S(Tbps)。6G的使用场景（例如无线工厂自动化）的需要非常苛刻。6G的可靠性和延迟要求非常多样化，且视具体情况而异。可以预见，6G时代数据流量和连接物的数量将大大增加，设备密度可能会增长到每立方米数百个，这对面积或空间频谱效率，以及连接所需的频段都提出了严格的要求。安全性、隐私性和可靠性也是重要的新指标，6G必须要有极高的安全等级，以满足工业和高端用户的极高要求。

（二）太赫兹中频谱的利用需要根据吸收和反射特性来制定

当前，许多物联网场景都受到范围、成本和电池的限制，无法轻易扩展到更高的频率，且目前毫米波也无法满足部分新带宽场景。在太赫兹体系中，频谱的利用需要根据子带的吸收和反射特性来安排，以优化通信和其他应用使用和重用。具体而言，在支持多个应用场景中，必须通过严谨的频率规划防止谐波叠加。

（三）应用场景和新设备需要研究的问题

·如何评估和量化针对联合国可持续发展目标的指标？

·对于6G通信应用，合适的无线信道模型是什么？是否可以统一从GHz到THz整个范围的模型？

·什么是可行频段？在100GHz以上的商用频段需要哪些技术？

·什么是数据隐私和安全性的适当指标？

·未来频谱分配和相关政策的实际需要和需求什么？

无线硬件的进步与挑战

当载波频率提高到1Tb/S时，网络的定向传输和接收作用就变得更加明显，CMOS晶体管的性能也很难满足高于100GHz频率要求，硬件的瓶颈可能会减慢6G推进速度。从已有技术路线上，一方面，继续探索CMOS技术在100GHz以上频率的潜能仍然有意义。另一方面，硅锗（SiGe）或磷化铟（InP）等新材料在高频环境下工作也值得期待。

（一）太赫兹频谱可以将通信系统和新应用相融合

太赫兹频谱不仅能提高传输速度，同时还能提高成像和雷达定位、三维成像和传感的角度和测距精度。因此，研究超高速低成本通信和先进传感系统的硬件需求、范围和机会具有非常高的理论和实践价值。波束收发方面，天线的大小将随着频率增加而大大减少。在250GHz频率下，一个包含1000个天线的天线阵列将可以放进一个不到4平方厘米的区域，笔形波束异常狭窄，这样更安全但也容易发生对齐错误。

电池管理方面，在低速率传感应用中，需要具有能量收集功能的零能耗、独立式无电池解决方案，但在需要宽带处理的极端预设场景和难以意料应用情形下，将要求电力效率有巨大改进。

信号传播方面，太赫兹（THz）频率下产生射频功率较为困难，且水吸收对信号的影响非常明显，信号穿透较为困难。但是，物体表面在短波长的情况下，其反射率会增高，因此信号穿透虽然是难题，但可以通过有效利用反射实现波束传输。

（二）6G需要新的收发器架构和计算范例实现1Tb/S的传输

进入太赫兹领域，CMOS以及基于BiCMOS的半导体技术是否依然有效将是一个问题。首先，由于接口的速度(即使在硅内部)已经成为了突破的难题，尤其是在CMOS中，要提高小型晶体管的速度技术难度很大。其次，在CMOS之上纳米技术只能提供有限的功率传输能力，极易导致信号处理的各个阶段并行性增加。最后，热效应、低击穿电压和有限的电池容量也是实现Tb/S通信方式的技术难点。然而，目前想要找到完全替代硅技术的新技术非常困难，要实现新技术的替代需要从设备到收发器架构等进行一系列的深度研究。

当频率达到太赫兹时，单个天线元件的尺寸将变小，即便是频率最低的太赫兹，天线阵列元件之间的半波长距离也将只有数百微米，这样的大小可以使得天线阵列集成到硅材料中。但当天线元件的尺寸变得比与其配套的电子元件还要小时，将可能出现成千上万带有天线元件的前端并行收发的情况。因此，6G必须采用新的收发器架构，而基于透镜天线阵列的先进通信系统很有可能在该方面发挥重要作用。

（三）在太赫兹应用中,半导体、光学和新材料有广阔前景

在半导体方面，材料属性和寄生效应通常会随着频率的增加而降低，硅锗异质结双极晶体管(HBT)、III-V半导体技术（例如磷化铟）由于性能优于CMOS，将很快得到更多关注。在光学方面，如何利用透镜技术、数字技术等进行集成是关键问题。在太赫兹领域，光子学将成为主导技术，随着太赫兹技术不断发展，电子学和光学器件的发展可以分别在超高速接口和可见光通信领域进行互补。

（四）6G在无线硬件方面需要研究的问题

·如何围绕“太赫兹空隙”将电气和光学技术融合并对不同应用进行细化？

·硅基技术在THz/Tbps系统中能否表现良好，还需要其他哪些技术？

·如何在高于100GHz的频率上实现10米以上的通信和传感？

·可调谐天线等解决方案能否在100GHz以上实现？机器学习能否解决此问题？

·在太赫兹区域，通信、传感、物质检测和成像的相互需求如何共存？

物理层和无线系统

没有任何一种解决方案可以满足所有垂直应用程序的需求。大规模的宽带（eMBB），超可靠的低延迟通信（URLLC），大规模的机器类通信（mMTC）和极高的用电效率，意味着需要更多的解决方案。解决方案的增多需要逐案优化系统，并且必须重新定义不同应用之间的兼容性。当前的5G新空口（NR）网络尚未能够满足所有苛刻设计需求。因此，我们认为未来物理层和无线系统除了地面网络以外，还需要基于卫星和无人机（或类似的空中平台）的基础设施来满足覆盖范围和能力的需求。此外，当越来越多的数据在微型设备中被存储和处理，能源和电力消耗的问题将会变得越发突出。

（一）人工智能将在6G的链路层和系统层解决方案中发挥重要作用

6G要满足所有已确定的性能要求，就需要具有可配置无线电的超灵活网络。人工智能和机器学习将与无线感测和定位结合，学习了解无线环境的静态和动态构成，用于预测高频下的链路丢失、主动确定密集城市网络中的最佳切换点并确定基站,以及为基站和用户确定最佳的无线资源分配等。

目前来看，开发新的空口需要广泛应用机器学习和人工智能算法，以便改善空中接口的时变性能，语义识别方案可能是重要的解决方向。值得注意的是，在给定环境和特定的需求下，人工智能是否可以被用来做这些设计，其真实使用效果仍值得研究。

（二）新的无授权访问方式对大规模机器类通信至关重要

6G要扩展5G的性能，就必须灵活地开展大规模的机器类通信用例，在实现高频谱使用的同时，需要同时支持大量低功耗和低复杂度的设备。物联网因为设备偶尔会生成短数据包，并且资源分配时的消耗可能超过实际的信息交换量，对上述指标的要求更加苛刻。为解决这些问题，基于适当协议设计并依靠连续干扰抵消的“现在随机访问协议”可能会发挥作用，这些标准已经在某些卫星标准中被采用，且被证明可以达到预定的访问性能要求，同时真正实现了无授权访问。此外，现在随机访问协议可以利用物理层和MAC层的联合设计来提高数据吞吐量，这些对于短距离连接解决方案可能是有用的。

（三）信号成形是一种实现高频谱使用效率的方法

为了增强比特率的性能，需要使用非常高阶的星座调制。然而，这些高阶星座调制对传输介质中的非线性非常敏感，用于正交幅度调制（QAM）的信号成形可能可以克服其中一些困难。信号成形方式有两种：几何成形和概率成形，不论是基于几何成形还是概率成形的正交幅度调制，都有望在光学和太赫兹无线通信系统中实现创纪录的高比特/秒/赫兹/极化。

（四）强大的模拟调制方案对6G至关重要

事实证明，正交频分复用（OFDM）对于宽带连接非常有效。早前，也有人提出了在60GHz下具有大于500兆Hz带宽、超宽带（UWB）系统的多频带正交频分复用版本。当传输带宽达到极限，如在数百GHz频段上达到几GHz甚至几十GHz带宽使用率时，传统的收发器设计就会开始出错，并且多载波调制也无法正常工作。因此，6G需要更强大的模拟调制方案。

（五）使用射频功率进行连接和计算的反向散射通信可以实现超低功率通信

6G对能效比要求极高，这就需要通过以节能的方式进行编码、调制、发送和接收处理，以实现发射能量和所需处理能量之间的平衡。此外，终端、低功耗物联网节点对节能的要求更高。在设计的过程中，节能的大多数问题可以通过适当的射频和基带硬件设计来实现，但是在低功耗编码、调制和物理层（非正交频分复用）等层面需要更多解决方法。使用射频功率进行连接和计算的反向散射通信可能是实现超低功率通信的有效方法，反向散射通信可以从环境和射频波形中获取能量，这样能够让物联网节点的寿命延长。

（六）6G无线网络或许能自主搭建无线环境

在电磁可调表面（如基于特异材料）革命的推动下，6G将控制来自大型智能表面（LIS）的信号反射和折射。开放研究的问题涉及从无源反射器和超材料涂层智慧表面的优化部署到可重构大型智能表面的AI驱动操作。为了解大型智能表面和智慧表面在速率、延迟、可靠性和覆盖率方面的性能，需要对其进行基础分析。另一个重要的研究方向是环境AI，智能表面可以通过学习实现自主地重新配置其材料参数，现有挑战包括如何在大型超材料表面上聚焦具有不同入射角的信号，这就需要反射/折射系数的可控性。在移动环境中，由机器学习驱动的智能曲面可能需要连续的再训练，这就需要访问足够的训练数据、高计算能力和有保证的低训练收敛性。

通过使用大型智能表面和类似结构，6G可使全息成像成为可能，全息图像射频通过合成空间光谱全息技术和空间波场来控制整个物理空间和电磁场的完整闭环。这将大大提高频谱效率和网络容量，并有助于集成成像和无线通信。

（七）6G在物理层和无线系统方面需要研究的问题

·如何设计高速率、低延迟、高可靠性和大带宽的信道编码、调制、检测和解码？

·如何解码Tbit/S通信？需要什么样的星座成形？

·如何设计满足高效、低成本要求的系统？我们如何实现真正的无电池操作？

·如何通过物理层技术提高信息安全性、隐私性和可靠性？用光学（或未来用微波）来进行量子密钥分发是否可行？

·如何有效设计毫米波/太赫兹链路、系统和收发器？如何补偿或维持相位噪声？相干、非相干、部分相干系统的作用是什么？如何实现移动定位、频道获取和跟踪？

·如何在有源天线阵列与透镜天线 合并的情况下实现大规模MIMO（多输入多输出）和智能波束控制？如何设计具有大型智能表面的系统？

·如何设计高性能计算平台与射频链之间的高效接口？

·如何实现在高速火车和无人机上保持网络联通？是否仍可以使用多载波技术？是否需要新的波形，例如基于特殊仿射傅立叶变换的波形？

6G网络

（一）6G需要嵌入信任模型

到2030年，数字世界和现实世界将深度交织，人们的生活将依赖于网络的可靠运行，如果网络出现故障，重要的工业价值将会丧失。在网络物理世界中，有形资产可能会因数字攻击而被窃取、灭失或受到损害，恶意网络活动可能导致财产和生命的损失。

为了解决这个问题，信任模型应当嵌入到网络当中，以提高用户对网络通信的信任度。对于安全、信任和服务来说，网络应提供嵌入的分布式拒绝服务（DDoS）来实现缓解和保护功能，以使其免受其他人的攻击。

（二）6G采用身份与位置分离的方案，主要依靠设备的私有地址

从保障安全上看，将信任关系嵌入网络需要为设备和节点配备一个更稳定的ID，而不仅仅是可转换或动态的地址。每个设备至少应具有一个唯一的名称或多个可由网络随时转换为地址的名称，并且可以将这些名称转换为地址以及根据需要转换回ID，在设备连接后，设备应能够控制其自身的可达性。这种寻址原则的结果是端到端通信“层”与用户的数据包转发是分开的，如同软件定义的OpenFlow网络一样，该网络可以使用多种转发协议，例如IPv4、IPv6、以太网和多种隧道协议等。

（三）6G的隐私保护将是一个关键推动因素

未来，物联网、工业物联网等将产生大量前所未有的私人信息。互联网公司已经证明了私人信息具备使用价值，从现实世界中收集私人信息可能非常敏感，诸多场景私人信息的使用或多或少涉及侵犯私人利益。对于6G而言，要为社会所接受，对私人信息的保护是一个关键推动因素。

（四）6G需要进行网络模式升级

在6G中，5G范式将得到细化和扩展。一种可能性是虚拟化（关键）设备之间通过移动网络到分组数据网络并直达云端，实现端到端连接。在6G范式下，网络可以通过多种技术手段（智能流量管理、边缘计算、用户主动或流量编排设置等）来最大化用户体验，如通过将用户或运营商设置为一组订阅用户，每个订阅用户在该组中统一进行网络分配。在某种意义上说，网络是中立的，它平等地对待一个切片中的所有应用程序，并且平等对待具有相同订阅类型的所有用户。

（五）人工智能和区块链可能在6G网络中扮演重要角色

在6G时代，机器学习和人工智能越来越重要，依赖于挖掘大数据来训练学习，不断增强应对更高传输速率的计算能力，同时通过不断学习获得更多的灵活性。

区块链是另一个备受期待的新技术，该技术在没有中枢机构的情况下，以分布式方式存储和共享不经常更改的信息，但变更的完整记录也会被保存。这可能会导致数据市场组织方式的变更，也可能有助于运营商在相互设置网络架构时保持相互信任。

（六）6G在网络方面需要研究的问题

·如何定义一个新的网络范例，以平等地支持消费者、企业以及生活和关键通信场景？需要进行哪些法规更改才能进行此类创新？

·如何在网络中嵌入信任和安全模型？如何利用虚拟化提供的隔离服务来保护端到端连接和通信？

·什么样的数据市场商业模型是可行的，需要哪些技术来支持它们？需要什么样的机构？非技术型用户如何轻松使用它？

·需要哪种网络功能、接口和协议来支持广域和本地玩家之间以及消费者和垂直市场玩家之间进行职责划分？

·如何增强和改进虚拟化，使得6G网路以最低的成本实现网络的最大灵活性?

·6G可以利用哪些新的计算和软件技术？