全球6G研发概览

01概述

移动通信技术现已发展到第五代（5G）。在其发展历程中，2G/3G实现了基本的移动连接，而部署最广泛的4G则通过智能终端的普及带来了巨大的数据吞吐量，并改变了用户的生活方式。5G在全面商用之前就已备受关注。其目标不仅在于提升传统用户的商业体验，更在于将移动通信与垂直行业相结合，从而极大地拓展移动通信业务领域。尽管5G在全球范围内仍处于部署初期，与垂直行业的合作也刚刚起步，但未来随着部署和服务的不断成熟，它必将为移动通信市场带来繁荣，并加速各行业乃至整个社会的数字化进程。

尽管5G的系统指标和能力已大幅提升，应用场景也日益多元化，但仍存在一些局限性。展望未来，推动移动通信网络持续演进的动力依然强大。一方面，人工智能、区块链、云计算等新兴ICT技术以及新材料、新天线等新工艺的出现，推动了这一进程；另一方面，随着终端多样化发展和各行业数字化水平的提升，全息、沉浸式XR、触觉互联网、智能工厂等服务不断涌现，不仅对速度、延迟、连接数、覆盖范围等传统性能指标提出了更高的要求，也对感知、定位、安全等方面提出了新的需求。因此，对下一代移动通信的愿景、需求和技术的研究正在逐步展开。鉴于5G给社会带来的巨大变革和新增经济价值，世界各国和产业链都高度重视移动通信技术。不仅主要的标准组织、学术界，甚至许多相关的国家机构和行业都已开始进行前期研究，目标是在未来 10 年内，也就是 2030 年，建立一个成熟的技术体系，以便能够拥有一个成熟的技术体系来满足新的业务需求，同时提高自身的竞争力。

本文以下一代移动通信技术——6G系统为重点，梳理了主要全球标准组织、区域和国家组织以及大学研究机构的研究背景和相关进展，分析了当前无线侧和网络侧的潜在技术方向及其带来的技术优势，最后总结了6G的发展历程，并对6G的愿景和总体发展方向提出了思考。

02全球6G研究现状

2.1 国际和区域组织

2.1.1 国际电信联盟（ITU）

国际电信联盟电信标准化部门第13研究组（ITU-T SG13）致力于未来网络研究，并于2018年7月成立了NET-2030网络焦点小组，旨在探索2030年及以后的网络服务需求。该焦点小组下设三个小组，分别负责应用场景和需求、网络服务和技术以及架构和基础设施。2019年，该小组发布了两份白皮书，重点关注2030年网络的应用场景和新服务能力。白皮书提出了全息互联网、触觉互联网等多种新应用场景，并指出了当前网络存在的不足以及未来网络发展中需要重点关注的服务。

此外，国际电信联盟（ITU）无线电通信部门5D工作组（ITU-R WP5D）于2020年2月在瑞士日内瓦召开会议，启动了203​​0年及未来（6G）的研究工作。会议制定了6G研究初步计划，包括未来技术趋势研究报告、未来技术愿景提案和其他重要规划节点。在本次会议上，ITU启动了《未来技术趋势报告》的编写工作，该报告计划于2022年6月完成。报告阐述了5G之后IMT系统的技术演进方向，包括IMT演进技术、高频谱效率技术和部署。此外，ITU还计划于2021年上半年启动《未来技术愿景提案》，并于2023年6月完成。该提案包含2030年及未来IMT系统的总体目标，例如应用场景、主要系统能力等。目前，ITU尚未确定6G标准的制定计划。

2.1.2 电气与电子工程师协会 (IEEE)

2018年8月，IEEE启动了以“实现5G及未来”为目标的未来网络研究。2019年3月25日，由IEEE主办的首届全球6G无线峰会在芬兰举行。众多来自产业界和学术界的代表齐聚一堂，分享了6G领域的最新见解和创新成果，并探讨了实现6G愿景所需应对的理论和实践挑战。会议论文和报告涵盖了诸多技术领域，例如6G场景构想、毫米波和太赫兹频段、智能连接、边缘人工智能、机器无线通信等。第二届6G无线峰会于2020年在线举行，汇聚了来自产业界、运营商、科研机构学者和利益相关者的主题演讲、技术会议及相关演示。6G峰会是一项全球性技术盛会，旨在通过各行业的共同努力，明确6G的愿景和发展方向。

2.1.3 第三代合作伙伴计划（3GPP）

3GPP目前正在开发的R17版本仍是对5G功能的演进和增强，但需求组SA1已启动了与未来服务相关的项目，包括智能电网、触觉通信等，这有望实现向下一代移动通信系统的平稳过渡。根据目前的进展和计划，3GPP很可能在R19（2023年）启动6G愿景、技术和需求方面的工作，并在R21或之后启动6G标准化工作。

2.1.4 6G旗舰版

由芬兰财团赞助、奥卢大学牵头的6G旗舰项目于2019年启动，致力于提供“近乎瞬时、无限无线连接”的标准化通信技术。2019年9月，该项目发布白皮书《6G普适无线智能的关键驱动因素和研究挑战》，初步解答了6G将如何改变人们的生活、其技术特性以及需要解决的技术难题等问题。白皮书内容涵盖6G愿景、驱动力、应用和服务。无线研究方向侧重于人工智能、新型免授权接入、信号整形、模拟调制、大规模智能表面等，并分析了无线硬件的进展和难点。网络研究方向则侧重于信任链的构建。

2.2 国家视角和布局

2.2.1 欧盟

欧盟于2017年启动了第六代移动通信（6G）技术研发项目的磋商，目标是在2030年实现6G技术的商业化。与此同时，欧盟还启动了一项为期三年的6G基础技术研究项目。该项目的主要任务是研究可用于6G通信网络的下一代前向纠错编码技术、先进信道编码和信道调制技术。此外，欧盟“地平线2020”计划还将启动一项关于“智能网络和服务”的6G研究项目，该项目目前正处于初步演示和预研究阶段。此外，欧盟积极资助大学和研究机构，包括芬兰国家技术研究中心和奥卢大学，重点关注太赫兹、无线宽带接入、边缘智能和编解码器等未来应用场景和技术方向。

2.2.2 美国

美国政府高度重视6G技术，并持续在太赫兹和空地融合技术领域投入研发。2019年3月，美国联邦通信委员会（FCC）公布了美国太赫兹频段的频谱分配方案：95GHz至3THz。FCC认为6G将迈向太赫兹时代。随着网络密度的不断提高，基于太赫兹和区块链的动态频谱共享技术和空间复用技术正成为新的技术趋势。美国纽约大学、加州大学和弗吉尼亚理工大学等高校均已开展太赫兹及其他6G相关方向的预研工作。此外，SpaceX、OneWeb、亚马逊等公司也已启动卫星互联网计划，将其作为后续6G技术的潜在使能技术。

2.2.3 日本

日本政府计划通过公私合作制定未来6G的综合发展战略。经济产业省已设立总额达220亿元人民币的专项基金，用于启动国家重点项目，推进6G研发。该基金由东京大学校长担任主席，东芝等科技巨头提供技术支持。日本目前在太赫兹领域拥有独特优势，并将太赫兹技术列为“国家支柱技术十大战略目标”之首。NTT集团积极推进太赫兹和轨道角动量这两项B5G和6G相关技术的研发。此外，日本还将采用“光半导体”作为6G的信息处理技术。NTT表示，将与65家公司合作，力争在2030年前实现6G光半导体的量产。

2.2.4 韩国

韩国的6G研究主要集中在企业和大学研究机构，包括三星、SK、LG电子、韩国科学技术院（KAIST）等。其中，LG电子与KAIST合作建立了6G研究中心；韩国电子通信研究院（IET）与芬兰奥卢大学签署了合作备忘录，共同开发6G网络技术。SK电信与芬兰诺基亚和瑞典爱立信签署了协议，加强在6G网络研发领域的合作。2019年6月，三星成立了先进通信研究中心，并开始进行6G网络研究。2020年7月，三星发布了题为《6G：面向所有人的下一代超连接体验》的6G愿景白皮书，阐述了三星的6G愿景、演进趋势、应用场景、指标要求、候选技术以及预期标准化时间表。

2.2.5 中国

2019年2019月，科技部召开6G技术研发工作启动会，宣布成立国家6G技术研发推进工作组和总体专家组。其中，推进工作组负责推动6G技术研发工作的落实；总体专家组负责提出6G技术研发布局建议和技术示范方案，并为重大决策提供咨询和建议。同年，工业和信息化部也成立了6G研究组（后更名为IMT-2030），该研究组汇集了产业界和高校的力量，涵盖需求、无线和网络技术等领域，并加强了前瞻性愿景要求和技术研究，旨在明确6G推进思路和重点方向。

03潜在的研究方向

下一代移动通信的研究离不开对新技术和新网络架构的探讨。本章梳理了各大机构、高校和科研单位当前的研究重点，并将其分为三大类：新频谱、新的无线侧技术以及新的网络架构和网络能力。本章主要介绍了面向6G系统的技术特点和必要性，为后续更丰富、更系统的研究工作提供了基础参考。

3.1 新光谱
未来，业务类型和用户群体将更加多元化，对网络性能的要求也将越来越高。目前，低频段资源已逐渐被充分利用，因此，将频谱扩展到更高频段将成为6G的研究方向。目前业界关注度较高的频谱包括太赫兹频段和可见光频段。

太赫兹是指频率范围在100 GHz至10 THz之间，波长范围为0.03~3 mm的电磁辐射。它介于无线电波和光波之间，具有信息量丰富、脉冲宽度小于1皮秒、时空相干性高、光子能量低、穿透力强、使用安全性高、方向性好、带宽高等特点。根据覆盖距离，太赫兹通信应用可分为两类：远距离覆盖应用，例如大容量无线前传/回传、无线数据中心、空间应用等，覆盖距离可达数百米至数公里；近距离覆盖应用，例如短距离点对点通信、芯片通信、健康监测、纳米级物联网等，覆盖距离可达毫米至米。当前太赫兹研究的关键问题在于核心器件的开发以及灵活动态的空中接口设计。

可见光波段的频谱范围为420~780 THz，波长范围为380~780 nm，无需授权即可使用。可见光通信（VLC）具有照明与通信相结合、无电磁干扰、绿色环保等优点。因此，VLC是解决近距离干预问题的重要手段，被认为是未来通信系统的可选技术。VLC的主要应用场景包括室内无线接入、室内定位、室内导航、智能交通、航空领域应用、设备间数据共享、高速信息传输、水下通信、信息安全等。然而，目前可见光通信产业链尚不成熟，瓶颈在于移动终端的可见光收发器件。

3.2 新型无线侧技术

3.2.1 大型智能表面

在以往的移动通信系统中，许多无线技术致力于更好地适应不断变化的无线信道环境，并采用优化的收发器设计（例如波形方案、编码方案、时频和空域传输机制等）来提升系统容量。过去，对电磁波的控制仅限于发射机和接收机。然而，近年来，智能超表面的出现使得信道环境的电磁特性能够被灵活控制，这引起了学术界和工业界的广泛关注。智能超表面是一种具有可编程电磁特性的人工电磁表面结构，通常由新型可编程超材料构成。智能超表面可以通过数字编码主动、智能地调控电磁波，形成具有可控幅值、相位、极化和频率的电磁场。这种机制为智能超表面的物理电磁世界与信息科学的数字世界之间提供了一个接口。智能超表面技术的优势还包括低功耗、低硬件成本、无自干扰、配置灵活以及应用广泛。它能够根据不同的应用场景，通过反射、透射、散射等方式实时控制电磁波束，改变无线环境，提升有效信号质量，从而达到扩大覆盖范围、提高系统容量、简化设计的目的。这对于未来移动通信的发展尤为具有吸引力。

3.2.2 新的编码和波形

在移动通信系统从4G到5G的演进过程中，峰值速率提升了十倍以上。可以预见，在下一代移动通信系统中，速率增长的趋势将保持甚至加速。解码吞吐量需求将超过100Gbps，解码算法和纠错码需要重新设计以提高解码并行性。同时，可靠性要求也在逐步提高，这就要求编码具有更低的误码率并优化相关设计。目前研究较多的编码技术包括脊波编码技术、索引调制技术和非线性预编码。此外，人工智能在编码领域也逐渐受到关注。在5G系统中，波形设计可以灵活地适应不同的应用场景。未来，6G将支持更复杂的场景和服务，性能指标也将大幅提升。因此，设计和引入新的波形势在必行。目前的研究包括基于非正交波形的设计、变换域波形设计等。新的编码和波形将在未来的系统中发挥重要作用，是需要探索的技术方向。

3.3 新的网络架构和网络功能

3.3.1 空间、地面、空中和海洋的一体化

卫星通信在当今数字经济时代发挥着至关重要的作用，对提升人们的生活质量至关重要。与地面网络相比，卫星网络具有完整的地球表面覆盖、先进的移动性、高安全性和可靠性，以及远距离传输延迟保障等优势。将卫星、飞机和地面网络融合，实现三维异构网络互联，能够实现广域、大容量、海域海域信息分发与交互，满足农村地区连接受限、空域海域连接以及灾害管理等特殊场景的需求，实现全球无缝覆盖和无感切换，并为下一代移动通信的覆盖和连接需求提供保障。当前技术体系面临的技术挑战包括传输链路的高度动态变化、网络复杂的时空行为以及异构业务规模的巨大差异。同时实现空天地一体化组网、传输理论、优化调度以及智能协同等方面的技术突破也亟待实现。

3.3.2 确定性网络

确定性网络（DetNet）最初是一项旨在实现IP网络从“尽力而为”向“准时、准确、快速”转型的技术，它控制并降低了端到端延迟。该技术最初面向工业、能源和车联网等对网络低延迟、可靠性和稳定性要求极高的垂直行业。目前由IEEE开发的TSN标准提供了以太网的确定性，而IETF成立的确定性网络工作组致力于将TSN技术扩展到路由器，并扩大网络规模。未来，随着移动终端及其承载的业务类型日益多样化，“确定性”需求，例如高精度时间同步、绝对端到端延迟上限以及超可靠的零丢包数据包传输，将成为下一代移动系统的基本要求。无线侧是实现移动系统端到端确定性的关键。无线传输易受环境影响，传输质量难以保证。在5G时代，3GPP标准制定了TSN与5G融合的方案。5G系统作为TSN桥梁，以黑盒方式进行架构集成。然而，两者仍然是独立的系统，难以完全保证TSN的性能。未来，在下一代移动通信系统中，将充分考虑业务特性，以实现对6G的确定性原生支持。相关的技术方案和架构体系需要进一步完善。

3.3.3 云原生

云原生是指应用程序部署在云服务器上，并具有容器化、微服务、持续交付和DevOps等特性。这些技术可以构建一个松耦合、容错、易管理、易监控的系统。在5G时代，核心网基于面向服务的架构，这使得使用通用服务器更容易实现网络功能，并在数据中心实现云化效果。然而，目前的5G核心网部署仍然缺乏容器化和微服务等特性。未来，为了构建灵活、可扩展、快速创新和在线的网络服务，云原生可能是一个合适的解决方案。虽然移动网络中的传统无线设备一直高度封闭，网络功能对实时性能的要求极高，但与云原生移动网络相关的研究和探索一直在推进。相信随着技术和行业的不断成熟，云原生的优势将在未来得到充分发挥，从而构建灵活、弹性的新型网络架构。

3.3.4 普适智能

人工智能的持续繁荣正在革新各个技术领域，而人工智能与下一代移动网络的融合已成为不可阻挡的趋势。目前，通信领域人工智能融合的主流方式是利用数据采集和人工智能算法在系统部署后进行业务优化，但其应用程度和范围仍然有限。未来，随着网络架构的不断演进和普适连接的不断发展，人工智能可以更紧密地融入网络的各个方面，不仅部署在云端，还将渗透到边缘和终端，不仅用于特定业务的智能优化，还将更广泛地融入系统设计的各个环节，包括网络部署、算法设计和算力分配。智能将更广泛地嵌入网络，实现真​​正的智能普适，全面提升未来移动网络的能力。

3.3.5 内生安全性

未来新的商业愿景和网络架构，包括沉浸式XR、全息成像、空地一体化普适连接、人工智能等，将带来更多攻击点，对安全构成更大挑战。传统的安全防御模式是补丁式的，即在系统建成后，通过孤立的安全设计、堆叠和加固来被动防御，效率低下且成本高昂。因此，未来的移动网络必须探索新的安全模式。内生安全基于内聚性、协作性和原生性等属性，使其具有原生生成和共生演化的特征。网络安全通过不同安全协议和安全机制的聚合来管理。同时，安全防护能力具有独立的驱动力，能够同步甚至前瞻性地适应网络变化，从而获得网络固有的强大防御能力。这不再是被动地应对安全威胁，将在未来的6G网络中发挥重要作用。

04总结

6G网络是面向2030年及以后的网络。虽然目前仍处于研究初期，但从商业和技术的演进趋势中已能初步窥见其雏形。6G网络需要支持更高的带宽、更严格的可靠性、更广更深覆盖的未来服务，同时还要考虑提供更智能、更安全、更灵活的网络服务。本文梳理了各研究机构在6G领域的研究进展和潜在技术方向。尽管目前6G的发展路径尚不明朗，潜在方向在理论、物理实现和网络化等方面也存在一些问题，但随着科研投入的不断增加和产业的持续进步，相信下一代移动通信系统必将带来更多维度的变革和更深层次的颠覆！

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