6G网络潜在关键技术研究综述

6G网络潜在关键技术研究综述

林奕琳，陈思柏，单雨威，刘玉芹，唐凌

（中国电信股份有限公司研究院，广东 广州 510630）

【摘  要】当前6G的研究还处于初步阶段，标准化工作尚未正式开始，业界对6G展开了丰富的想象。首先简要介绍了移动网络演进历程，并对演进特点做了分析，然后介绍了当前业界对6G网络驱动力、愿景和新型业务场景的研究情况，基于上述分析结果选择并介绍了最有可能影响6G网络架构的几项潜在关键技术，分析了业界研究进展，提出需要解决的关键问题或后续的研究方向，最后对6G关键技术研究进行了展望，为下一步的研究工作提供借鉴和参考。

【关键词】6G；网络架构；网络智能；数字孪生；区块链

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2021.04.020        

中图分类号：TN929.5        文献标志码：A        

文章编号：1006-1010(2021)04-0120-08

引用格式：林奕琳,陈思柏,单雨威,等. 6G网络潜在关键技术研究综述[J]. 移动通信, 2021,45(4): 120-127.

0   引言

2019年是6G研究相当重要的一年。国内，在2019年11月，科技部会同相关部委召开了6G技术研发工作启动会，并宣布成立国家6G技术研发推进工作组和总体专家组^[1]。同年，工信部也牵头成立了6G研究组，2020年更名为IMT2030（6G）推进组^[2]。国内相关研究机构、设备厂商和运营商等也陆续投入6G研究，相继发布6G白皮书^[3-10]。国际上，欧盟、美国、日本和韩国等也积极投入6G研究^{[2, 5]}，2019年9月芬兰奥卢大学便发布了全球第一份6G白皮书^[11]。此后，全球相关组织连续发布多份6G白皮书和研究报告^[12-16]，展示各自对6G的设想及研究成果。

本文基于对历代移动网络演进的特点分析，以及当前人们对6G网络的愿景研究进展，从最有可能影响6G网络架构的角度出发，挑选当前业界关注度较高的6G网络潜在技术，分析业界研究进展，提出需要解决的关键问题或研究方向，为后续6G的进一步研究提供参考。

1   移动通信网络架构发展路线

自上世纪80年代第一代蜂窝移动通信系统规模应用以来，全球便进入了每十年发展一代的移动通信网络发展史。社会发展所带来的人们对新应用的期待、信息通信技术的发展，不断推动着移动网络的发展以及网络架构的演进。

第一代移动通信为用户提供模拟话音业务，而2G/3G网络引入了数字语音服务，同时支持短信及上网业务，在架构上，2G/3G核心网在电路域之外引入了分组域，以支持上网业务。到了4G网络，核心网移除了电路域，此外，还支持3GPP和3GPP2无线系统的统一接入，使得3G网络两大阵营统一演进到3GPP的4G框架。

5G网络借鉴了IT技术，架构发生了较大变化。首先，控制与转发进一步分离，以支持边缘计算；其次，网元支持虚拟化，可软硬分离、灵活编排，从而支持网络切片；此外，引入SBA服务化架构，采用基于HTTP的服务化接口；最后，还引入了NWDAF网络数据分析功能，基于智能数据分析协助优化服务。

从移动网络演进过程可以看到，除了业务需求的驱动，交叉领域技术的进步也是推动网络发展的强大动力，从1G到5G的演进过程，也是从CT向ICT和DICT融合的演进过程。

2   影响未来6G网络架构演进的潜在技术

2.1  概述

当前业界对6G的驱动力研究显示，6G发展将由社会需求、业务与商业、技术发展三方面共同驱动。芬兰奥卢大学研究者认为，6G将需要更全面的方式、更广泛的参与方来确定未来的通信需求，这包括确定未来社会所面临的趋势、需求和挑战，以及塑造我们未来世界的全球力量^[11]。

基于社会需求、业务和技术发展趋势的判断，人们纷纷展开了对未来6G愿景的设想，智能、泛在、绿色、融合、可信和数字孪生等成为了6G重要的关键词^{[7, 9-10]}。而在6G网络时代将会涌现的全新应用，可能包括了全息通信、多感官通信、时间敏感类应用、数字孪生^{[3, 15, 17-20]}等。在架构方面，业界普遍认为6G网络将会是空天地海一体化、固移融合、云网边端协同、智能内生的网络^{[3, 21-24]}。

基于当前业界对6G网络的设想，本节从最有可能影响6G网络架构的角度出发，挑选当前关注度较高的数个6G潜在技术，分析业界研究进展，提出需要解决的关键问题或后续的研究方向。

2.2  网络智能化及人工智能技术

AI人工智能技术近十年在自动驾驶、医疗、智慧城市建设等领域得到广泛应用。在通信领域，AI技术也备受关注，奥卢大学6G白皮书^[11]认为AI将在6G网络中扮演重要角色，ITU-T报告^[25]也认为未来复杂网络架构有必要引入AI技术，6GANA认为除了网络自身智能化，还需探索如何将6G网络构建成一个原生支持AI训练和推理的平台，并对外提供AIaaS服务^[4]。国内众多6G白皮书^[8-10]也相继提到了6G网络需具备智慧内生、原生AI的概念，智能成为6G网络的重要愿景之一。

ITU-T将网络智能化分成了6个等级，并给出了评估网络智能等级的基本方法^[25]，如表1所示，为后续6G网络智能化功能设计及评估提供了重要参考标准。

3GPP在无线、核心网和网管等领域都有与AI相关的项目。在无线领域，开展了自组织网络SON的研究；在核心网领域，在5G中引入NWDAF核心智能化网元^[26]，通过收集并分析网元、应用、终端数据，按需提供各类统计或预测服务，辅助其他网元进行网络及业务决策；在网管领域，通过与AI/ML技术结合，增强MDA管理数据分析服务。

ETSI的ENI经验式网络智能工作组定义了一种感知网络管理架构^[27]，利用AI技术和上下文感知策略，基于用户需求、环境条件和业务目标的变化调整网络所提供的服务。

当前不同域的智能相对独立，网元智能也集中在单一网元，未来6G网络的内生智能，需要一个全网统一、分布式协同的智能体系。GSMA提出了一种三层的智能自治网络架构^[28]，跨域协同层将专家经验转换成AI模型，提供AIaaS新型智能服务，单域自治层可以是核心网、无线网或专网，基于管控融合的智能引擎，实现域内的自治和闭环，网元层则主要提供场景化AI模型库和结构化数据。

智能作为6G的主要特征，业界对其展开了大量的研究。文献^[29]提出一种支持AI的6G网络智能架构，以实现知识发现、智能资源管理、自动网络调整和智能服务提供。面向6G的网络智能还有不少问题有待解决：如6G网络对在线学习能力和所学习系统的高可解释性有更严格的要求，但深度学习经常被视为“黑匣子”，文献[30]提出一种方法，利用从GBDT梯度提升决策树中学到的重要特征对GBDT2NN的个体预测进行解释性的实证研究，然后进一步探讨该解释是否可以改善学习过程。对于资源分配调度的问题，文献[31]设计了支持6G的大规模IoT架构，该架构支持动态资源分配，构建动态嵌套神经网络，使之可以在线调整嵌套学习模型的结构，以满足动态资源分配的训练要求；文献[32]将深度学习集成到边缘计算框架中构建用于动态维护和管理的智能边缘，让深度学习和边缘计算彼此受益。

如上所述，网络智能化及人工智能与6G的结合，将是6G研究和标准化的重要方向，以下课题或方向尤其值得进一步关注：（1）6G智能化，需要一个更加柔性、极简的网络架构；（2）网络数据将被广泛用于机器学习等人工智能技术，为网络创造更多价值；（3）人工智能在通信的应用将由普通机器学习方法（如聚类、降维分析）满足数据的分析和单一任务的实施，过渡到借助GAN、知识图谱、强化学习等技术实现自主网络管控和决策；（4）网络数据交互的安全性非常重要，6G网络的数据交互将更加频繁，需要借助联邦学习、区块链等技术解决安全隐患，保护用户数据隐私，使整个网络更安全可靠。

2.3  分布式异构网络技术

6G异构网络的一个特点，是空天地海一体化。奥卢大学白皮书^[12]指出6G可能是第一个真正实现网络公平接入、消除数字鸿沟的移动通信网络。ITU-T则认为Network-2030需要通过共存的异构网络设施实现全球连接，包括卫星接入^[17]。此外，ITU-T还将空天地一体网络架构列为6G的七大关键网络需求之一，并描述了未来无缝覆盖的卫星和地面网络融合的场景，如图1所示^[19]。NTN非地面网络系统包括不同轨道的卫星、高空平台、无人机和气球等，长期以来NTN和地面网络相对独立发展，而当前3GPP正在促使5G系统支持卫星接入，并实现5G接入与卫星接入之间的服务连续性。5G兼容卫星通信，6G将实现真正融合，以TN与NTN融合组网为基本特征的三维连接技术，将成为6G的关键使能技术^[33]。文献[34]给出了一种以服务为中心的、随需应变的自适应分层6G网络架构。文献[22]则讨论了从平面蜂窝网络到未来空天地一体化融合通信的网络建模方法，并提出了一种含无人机、平流层以及低轨卫星的多层异构3D网络架构。文献[35]则为6G物联网设想了一个敏捷、智能、安全的混合星地网络。

6G异构网络的另一个特点是固定与移动融合FMC。FMC这一概念由来已久，但4G FMC主要聚焦移动终端如何通过固定网络接入4G核心网，是交互而非真正的融合。在这基础上，3GPP在5G Rel-16阶段引入两个特性，其中5WWC^[36]实现不同类型的有线网络通过适配转换后接入融合的5GC核心网，而ATSSS^[37]可以使终端同时接入Wi-Fi和5G，并根据接入网络情况和业务需求为业务流灵活选择不同接入网络。长期以来固网和移动网由不同的标准组织设计并使用互不相同的协议栈，融合多个网络是6G时代一大极富挑战性的方向^[21]。现有网络的固网和移动网分立导致维护成本高，为了适应未来新的数字基础设施要求，现阶段重新思考固移融合极为重要^[23]。

除支持异构接入，6G网络另一个特点是分布式^[10]。如上文所述，为满足多样化场景的网络要求，6G需实现空、天、地、海多维立体覆盖以及多种异构接入网络的融合共存，因此，6G网络架构将进一步向集中与分布式相结合的方式演进。文献[38]提出了一种名为“Ubiquitous-X”的6G网络架构，旨在实现网络架构的有序演进，从集中式、分布式、去中心逐渐演进至多层次去中心结构。用户面的分布式部署已经在5G网络实现，而6G除了用户面分布式部署更为灵活之外，控制面相关功能也可能进一步下沉以提升网络运行效率，甚至有可能是多个分布式边缘网络协同形成的一个集中与分布结合的融合架构。

对于6G来说，分布式异构融合通信网络架构的实现和其依赖的技术在实际研究中还存在一些挑战，如卫星通信集成进手机还需要克服卫星成本、卫星系统的容量以及卫星信号的牌照许可的问题，以及从设计上解决多个接入网如何融合、固网接入移动网协议栈互不相通等问题^[21]。若这些问题都能有效地解决，未来的6G网络将真正意义上的“泛在连接”，包括对分布式边缘计算资源的灵活调配、边缘网络与中心网络协同、地面与非地面网络的深度融合以及固定网络和移动网络等各种异构网络的深度融合，实现多维度立体化的无缝通信覆盖，满足全球范围内终端无差别随时随地接入的需求，实现万物智联的未来愿景。

2.4  数字孪生技术

数字孪生近几年成为了业界关注的热点，ITU-T报告^[19]也将数字孪生技术列为未来网络的代表性应用。数字孪生对于移动通信领域来说则仍然是一个相对较新的理念，近两年来，业界尝试将数字孪生的理念引入通信领域，将网络看做数字孪生概念中的物理实体，构建一个实时地、精确地反应实体网络全部细节，并能对实体网络提供反馈的数字孪生体-虚拟网络，进而实现网络的数字化、智能化。

文献[39]提出了如图2所示的5G网络数字孪生概念，包含真实5G网络、虚拟5G数字孪生体以及两者之间的双向互动三部分。构建5G网络数字孪生时可以结合AI技术，让其从简单的形式开始，演变为更全面的模型。文献认为数字孪生在5G系统研发中有两种用途：一是使用数字孪生代替实体部件进行测试；二是使用数字孪生为5G进行持续验证和优化。

文献[40]提出了DTN（Digital Twin Network，数字孪生网络）的概念，将其定义为一个具有物理网络实体及虚拟孪生体，且二者可进行实时交互映射的网络系统，认为通过DTN可以低成本、高效部署网络应用，同时减少对现网的影响，实现网络的极简化和智慧化。

文献[41]提出了一种面向6G的基于网络孪生（Cybertwin）的网络结构，文献[42]提出了一种将专家知识、强化学习和数字孪生相结合的移动网络自优化方法，文献[43]提出了一种数字孪生边缘网络（DITEN），文献[44]则提出一种数字孪生无线网络（DTWN）和基于区块链的联合学习框架。

关于数字孪生与6G的结合，一方面，数字孪生技术在6G移动通信领域的应用将会带来诸多好处。首先，在空天海地一体化的大趋势下，6G将面临多种异构网络混合部署的艰巨挑战，多厂商场景和安全风险带来了令人望而却步的复杂性，数字孪生技术将为全球运营商6G建设提供一种低成本的试错空间，譬如通过该技术提前准确预测方案的结果，避免代价高昂、不可逆转的投资错误。其次，运营商可以依靠数字孪生技术加快产品开发，开拓新一代的商业模式。试设想，利用数字孪生技术将新的6G用例（例如新的网络切片）的验证、测试和优化时间从几个月缩短至几分钟，这将充分适应市场需求，极大提高运营商的竞争力。最后，数字孪生结合AI技术，能够为6G网络提供自动优化、主动保障、提前预测的能力，降低网络运维复杂度，减少网络故障几率，节省网络维护和故障排除成本并改善用户体验。

另一方面，数字孪生技术在6G时代的应用研究也面临许多挑战。首先，这依赖于数字孪生技术本身的成熟度。另外，从现有研究来看，AI技术将是在6G中引入数字孪生时至关重要的元素，毕竟数字孪生并非实体过往历史的单纯记录，其必须在已有数据的基础上，不加以人工干预即为实体带来预测性的结果。最后，数字孪生技术涉及海量的结构多样的数据的实时采集、存储和高速使用，对底层承载网络的带宽、时延和可靠性等方面提出了极高要求，数据的隐私和可信问题也有待解决，这可能需要考虑区块链等技术的协助。

2.5  通信与计算融合技术

ITU-T报告^[19]中提及，未来的网络可能需要多个分布式节点相互连接和协作，网络需要支持与计算相关的编排功能，因此在6G中，通信与计算融合是一个十分重要的研究方向。

6G网络支持空天地海一体化、多种形态终端的接入，同时网络功能将进一步下沉，从而形成中心与分布式相结合的网络架构，因此6G时代所需的网络算力是一种“云-边-端”协同的算力架构。而业界对通信和计算融合的一个目标是希望基于上层应用的需求，实现全体资源的最优化配置。实现这一目标需要是制定一个合理的体系架构，因此驱动了CPN算力网络和CAN算力感知网络等概念的出现^[45-46]。

CPN或CAN的研究重点之一是网络如何获取算力节点的信息，确定算力路由的方案。网络只有获得了算力节点的资源状态，才能联合网络信息进行路由决策。文献[47]认为，算力路由可分集中、分布和混合三种方案。IETF研究了一种分布式技术方案——CFN（Computing First Networking，计算优先网络）^[48]，其典型架构如图3所示。CFN将当前的计算能力和网络状况结合作为路由信息发布到网络中，并将计算任务路由到相应的计算节点，以实现整体系统最优和用户体验最优。此外，文献[49]提出了一种基于云、网、边深度融合的集中式方案，而文献[50]则分别提出了集中式和分布式两种控制方案。

算力的度量是CPN或CAN另一个需要解决的难题。文献[51]、[52]对异构的IT算力资源进行归一化建模，提出算力的分级标准；文献[53]研究了算力需求与资源映射机制、算力度量及算力建模技术，探索泛在异构算力的统一化标识方式；文献[54]则研究了异构算力统一标识技术。

6G时代，应用的速率和时延要求会越来越高，新型业务更带来计算轻量化、动态化的需求，因此迫切需要构建一张云、网、边、端、用深度协同融合，信息传输和应用需求紧密联系的通信、计算一体化网络，实现全频域、全场景、全业务的灵活适配与资源协同^[20]。整合泛在、异构的算力，实现资源统一供给，结合用户需求和网络信息，联合编排调度，实现整网资源的最优化配置，这将成为实现6G网络智能化、数字化、安全化的重要手段。算力网络很可能成为6G的资源底座，成为6G网络对内部署网络功能及开展人工智能计算、对外提供强算力型服务的基础。但是，当前仍有很多难题需要突破。首先，算力网络技术还不成熟，仍需大力推动。其次，6G网络架构将是一个分布式异构网络，将向应用提供更高于5G的性能体验，因此，在架构设计时，应充分考虑与算力资源底座的协同调度，并可考虑基于AI技术，使得算力网络向网络功能实体和应用提供服务更高效、节能的服务。最后，未来6G时代，算力的异构、分布等特性，使得算力的多方共享成为可能，可考虑纳入区块链技术，提高算力安全，支持算力交易。

2.6  网络安全与区块链技术

毫无疑问，安全是6G网络的关键需求和特性。奥卢大学6G白皮书^[11]指出，6G需要一个内生信任的网络，且区块链技术可能会在6G网络中扮演重要角色。应对各种各样复杂的新型隐私挑战，区块链是6G隐私保护潜在的解决方案^[13]，其具有去中心化、不可篡改、可追溯、匿名性和透明性五大特征，可以为构建分布式安全可信交易环境提供坚强保障。

文献[55]认为，区块链可应用于5G生态系统中的诸多领域，并按图4所示的分类对区块链在网络管理等多个方面的应用进行了详细的分析。

根据目前已有的研究，区块链在6G时代可能在以下应用中发挥重要作用：

（1）频谱和基础设施等资源共享^[56-57]。美国FCC提出6G可以采用更智能、分布更强的基于区块链的动态频谱共享接入技术。此外，通过区块链将赋能网络基础设施的灵活共享按需分配，可降低运营商的成本以及节约能源。

（2）身份验证^[58]。随着6G网络中终端设备的增加，完全集中的身份验证可能会导致网络的瓶颈和时延增加，可借助区块链技术实现集中与分布式相结合的身份认证、授权和记账。

（3）数据共享。文献[59]提出了一种基于区块链的分布式、透明、安全的数据共享方案，用于6G网络中的人工智能应用，证明了区块链在数据安全方面的有效性。

（4）网络安全。文献[60]认为传统的“外挂式”“补丁式”网络安全防护机制已无法对抗未来6G网络潜在的泛在攻击与不定性安全隐患，区块链与通信技术结合可望成为未来实现6G网络内生安全的有效途径。文献[61]指出区块链将为6G提供多种安全服务，包括访问控制、数据完整性、认证和隐私保护等。

（5）应用安全。文献[62]表明，区块链等技术可以为应用程序安全和隐私提供解决方案。

6G的安全体系和架构将很大限度上取决于未来5G网络的变化以及相关新型技术的研究和发展^[63]，5G网络在规模使用过程中，也可能会遭遇不同于传统的攻击方式，这将成为6G制定安全策略的重要参考标准，同时区块链、人工智能等新技术也将在未来的6G安全解决方案中发挥重要作用。为解决这些问题，需要在6G网络架构设计之初融入安全方案和相对完整的安全体系，以保证6G网络具有更高的安全性和可信度，实现6G网络的内生安全。

3   6G技术研究展望

如何结合人们和社会对6G网络的期待以及业务需求、DICT技术的发展，打造6G网络架构和技术标准，是未来几年6G领域的重要课题。基于上一节的分析，我们对6G关键技术的研究可做如下展望。

首先，网络智能化并不一定依赖于AI，但有了AI的加持，网络智能化等级将会实现质的突破。AI技术在移动网络核心架构的应用目前还较少，人工智能算法如何适配移动网络需求场景，如何将AI技术与网络架构深度融合，是一个重要的研究方向。

其次，未来6G网络将是一个综合空天地海接入需求、支持固定移动融合、集中与分布式结合的异构网络。传统的移动网络基本功能，如移动性管理、接入认证、会话管理等如何在这个复杂网络中实现，如何基于复杂网络架构为上层应用提供无处不在的智能泛在连接服务，是一个亟待解决的问题。

再者，需要关注DICT交叉领域技术发展对6G网络带来的推动作用。除了人工智能和机器学习，数字孪生、区块链、云原生、可编程网络、确定性网络等交叉领域理念和技术发展很可能影响网络架构的设计。

最后，6G网络架构的设计需要统筹考虑相关技术的协同。例如，智能化将是6G网络的一个核心基础，需要着重考虑人工智能技术与网络的核心功能、数字孪生或区块链等技术相互协同。

4   结束语

当前，5G演进版本5G-Advanced的标准化工作刚刚启动，6G的前期研究工作也已经展开，在两代网络标准及研究工作并行开展阶段，需要区分哪些需求归于5G增强，哪些需要留待6G解决。但从网络架构及相关关键技术的角度看，5G增强不会对架构做重大变动，新技术的引入也需考虑对架构的影响，因此，DICT新技术创新在移动网络的应用重点将主要在6G中实现突破。基于当前业界对6G愿景、业务及应用场景的想象，6G网络将发生革命性的技术和架构创新。4G改变生活、5G改变社会，6G将重塑智慧未来，当前迫切需要产业界各方携手，一起推动6G时代的到来。本文对当前网络架构潜在技术的研究进展做了分析和展望，希望对后续的6G研究起到一定的参考借鉴意义。