综述：6G 无线通信网络的关键技术与应用探索

本文全面探讨了 6G 无线通信网络，涵盖其架构框架、15 项关键技术（如太赫兹通信（THz）、可见光通信（VLC）等）、应用场景、用例及面临的挑战。通过分析，为 6G 网络的发展提供了多方面的参考，助力该领域的研究与实践。

　　

6G 网络架构与关键技术

6G 网络架构

6G 网络致力于实现虚拟与现实世界的便捷接入，达成无处不在的智能化，为全球用户提供无缝覆盖。其网络架构是实现这一愿景和满足 6G 需求的基石。6G 旨在整合地面和非地面网络，优化空天地海网络基础设施，构建覆盖无死角的综合空天地海一体化网络（SAGSIN）。不过，这种高度集成也带来了复杂的安全难题，在设计和部署时需要深入进行安全影响分析。空天地海网络由空间网络、空中网络、地面网络和海洋网络这四个部分组成。它们既能独立处理数据，也能相互协作传输信息，以此实现高质量的数据通信，为用户提供灵活的端到端服务。

• 空间网络：由各类卫星、卫星星座以及对应的地面基础设施（像地面站和控制中心）构成。其中，低轨道卫星凭借低延迟、低链路损耗、高带宽和高性能等优势，成为空间网络的重要组成部分。但空间网络面临着诸多安全威胁，例如卫星信号易受干扰，信道易遭窃听。通过结合大规模 MIMO 技术深入分析卫星信道特性，能为低轨道卫星信道提供低复杂度的信道估计方法，同时还需制定相应的安全机制，保障通信的保密性和完整性。
• 空中网络：通信系统由高海拔平台（HAP）和低海拔平台（LAP）组成，包括飞艇、氢气球、飞机和无人机等。由于处于低海拔范围，空中网络比高海拔的卫星网络更具灵活性，信息通信响应时间更短，基站搭建成本更低，还能作为中继站辅助地面站和海洋站进行通信。利用无人机平台上的天线基站，可实现与多个地面用户的高效信息交互。无人机通信网络具有响应时间短、吞吐量高、视距传输可靠性高、机动性强和灵活性大等特点，被广泛应用于地面目标检测、救援搜索行动和灾害监测等军事和民用领域。但由于无人机机动性较高，网络拓扑结构频繁变化，因此需要设计有效的协调机制，确保网络安全，为地面用户提供高吞吐量和低延迟的网络接入。
• 地面网络：包含蜂窝无线网络、卫星地面站、地面数据处理中心、地面站和地面车联网等组件。地面网络容易受到自然灾害和人为破坏的影响，而且基站部署成本高、覆盖范围有限。为解决天地融合网络中的信道干扰问题，研究人员开展了干扰抑制通信技术的研究，并提出了资源最小化分配方案，以实现高效的资源利用。同时，还需考虑地面网络的安全措施，如入侵检测、防火墙和加密技术等，保障端到端通信的安全。
• 海洋网络：主要由船只、浮标、无人水面舰艇（USVs）和水下固定传感器构成。海洋网络面临着水下通信信号衰落和海洋环境不确定等独特挑战。为此，人们开发了适用于海洋网络的通信模型，以应对海上通信中大量用户和复杂多变的环境。此外，海洋网络的安全问题也不容忽视，需要采取相应的安全措施，如水下加密通信和节点认证等。

架构设计与优化

• 安全设计：在 SAGSIN 中，各网络层对数据传输的安全性和一致性要求迫切，这就需要开发兼容且有效的安全协议。卫星通信覆盖范围广、连接性强，但其开放的环境使信息传输面临严重的窃听和干扰风险。为减少对卫星用户的干扰，可以通过信息交换和波束成形技术来实现。同时，星地频谱共享技术能利用地面网络的安全机制，增强卫星通信的安全性。人工噪声技术则为强化 6G 星地融合网络的安全提供了新途径，它在信息传输过程中添加噪声，恶化窃听者的信道环境，同时控制对合法用户的干扰。这些技术和策略共同为 SAGSIN 实现端到端的安全保障。
• 简化设计：5G 的经验表明，复杂的核心网络、大量的基站以及单一形式的基站会导致成本高昂和管理困难，严重制约网络的演进。因此，在 6G 设计中，需要梳理这些问题，构建更简化的系统。首先，针对空天地海的三维覆盖需求，要统一管理同构和异构网络，实现级联全方位一体化网络。通过大幅简化信令、协议和架构，构建轻量级无线网络，既能提供一致的用户体验，又能最大程度地利用网络资源，确保服务的连续性。传统上，使用不同网络并引入互操作性以支持不同场景，会因协议和接入机制的差异导致服务质量（QoS）难以保证，用户在跨网络移动时可能会出现服务丢失或降级的情况。未来的网络架构应集成统一的核心网络（CN），使单个 CN 能够同时连接多种无线接入技术（RATs），实现无缝切换。其次，简化后的网络还需通过统一的信令控制，提高移动性管理和服务接入的效率。按需开启数据库站能有效减少并发服务基站的数量，降低网络成本和能耗，同时提升用户体验和数据传输性能。借助基于云的基带处理技术，实现基带资源的动态共享和按需调度，进一步降低网络的整体部署成本。此外，基站的即插即用部署能力至关重要，它能根据需求灵活扩展网络，尤其是在服务需求突然增加的区域，可快速提供覆盖。在设计和部署这些新基础设施时，还要考虑对生态系统的影响，如运营过程中的废物管理、能源消耗及其碳足迹等。可以通过使用更环保的材料和可再生能源，在一定程度上减轻这些影响。同时，建立完善的环境评估机制，有助于在项目早期识别潜在的环境风险，推动更负责任的决策。

6G 关键技术

6G 的目标是融合通信、感知、计算和安全功能，提升通信系统性能，在全球范围内提供智能服务。为实现这一宏伟愿景，将一系列具有突破性的新技术融入 6G 框架势在必行。基于现有研究和相关领域的最新进展，可将 6G 的 16 项潜在关键技术归纳为四个发展方向。

• 新频谱资源技术
  • 太赫兹（THz）：THz 波是电磁频谱中频率较高的一段，通常介于1011Hz到1013Hz之间，位于毫米波和红外线辐射之间，常被称为 “亚毫米波”。THz 波具有频率高、带宽宽、路径损耗大、分子吸收显著、漫散射普遍和波束极窄等特点。与毫米波相比，它能提供更大的传输带宽，传播特性也优于红外线辐射。尽管目前尚未实现大规模实际应用，但因其有望有力支持超高速数据率服务，THz 技术被誉为 6G 最具前景的创新技术之一。THz 通信系统具备在多种环境（从室内到室外）中实现高速数据通信服务的潜力，涵盖高清全息视频会议、虚拟现实（VR）技术、车对车（V2V）通信、无线前传和回传链路以及卫星间通信等应用。由于其波长短、链路方向性强、天线孔径小，THz 技术受自由空间衍射效应的影响较小，在通信安全方面具有潜在优势。
  • 可见光通信（VLC）：VLC 通过调制可见光频谱（波长通常在 360 - 760nm 之间，常用于照明）来传输信息，将信息信号叠加在发光二极管（LED）灯光上。该技术能在提供照明的同时实现通信服务，还可作为能源来源，比如利用太阳能电池实现能量收集和高速数据接收。这种一体化的方式符合 “绿色” 原则，无需为照明和通信网络连接分别设置独立的能源。VLC 在室内、水下、车辆通信以及定位系统等多个领域都具有巨大的应用潜力。研究表明，超快速有机发光二极管（OLEDs）的带宽能力可达数百兆赫兹，将其应用于 VLC 系统可实现超过 1Gbps 的数据传输速率。在 VLC - V2V 系统中，车辆间距为 70m 时，根据前照灯的位置，数据速率可达 50Mbps。此外，还有多种基于 VLC 的定位技术，如接收信号强度、到达角度、到达时间和到达时间差等。
  • 动态频谱共享（DSS）：为应对频谱资源的稀缺问题，一方面需要提高有限频谱的利用效率，另一方面要探索更高频率的未开发频谱。DSS 采用包含主要用户（PUs）和次要用户（SUs）的分层接入结构，提供了一种更灵活的策略。在 PUs 能承受一定干扰的情况下，SUs 可接入授权频谱。DSS 被视为提高 6G 通信系统频谱效率（SE）和能量效率（EE）的关键方法。近年来，DSS 成为研究热点，有研究表明它在提高频谱利用效率方面具有潜力，也有学者提出了基于深度 Q 学习原理的分布式动态频谱接入技术。此外，将区块链技术融入 DSS 有望提升其分布式、安全性和自动化程度，人工智能（AI）则能提高 DSS 中模式识别和决策过程的效率。
• 无线接入技术
  • 超大规模多输入多输出（UM - MIMO）：当为每个用户分配的天线数量达到数百甚至数千时，就属于 UM - MIMO，它是大规模 MIMO 的进阶版本。UM - MIMO 有望实现更高的 SE 和 EE，提供更广泛、更灵活的网络覆盖，在更宽的频谱范围内提高定位精度。预计 UM - MIMO 将使 6G 系统的频谱效率提升 10 倍。通过使用数千根天线动态操控无线环境，可重构智能表面（RIS）能显著增强网络覆盖、多用户容量和信号强度。此外，扩大天线阵列规模有助于实现极高的空间分辨率，从而实现精确的三维（3D）定位。
  • 轨道角动量（OAM）：OAM 是电磁波固有的一种角动量，源于微观粒子沿传播轴的圆周运动，这种运动取决于粒子的空间排列，在宏观上表现为携带波前相位因子 exp (ilf)（其中 l 表示 OAM 模式，? 表示发射相位角）的涡旋光束。理论上，相同频率的电磁波具有无限种模式，不同 OAM 模式的光束相互正交。利用这一正交特性，有望在不增加额外频段的情况下，提高频谱效率，增加信道容量。OAM 技术在自由空间光通信、光纤通信、无线电通信和声学通信系统等多种通信方式中，都有望实现高速数据率服务。将 OAM 与 MIMO 通信相结合，还能进一步提升容量和频谱效率。不过，OAM 系统目前缺乏有效的信道测量和建模方法，对信道特性的了解不足限制了其进一步发展。
  • 可重构智能表面（RIS）：RIS 基于人工合成的二维电磁超材料（即超表面）实现，超表面由大量被称为超原子的反射元件组成。通过调整超原子的几何属性（如尺寸、方向、排列等），可以调制超表面的电磁特性，从而对入射信号进行动态、智能、独立的操控，实现预期的反射或透射信号，提高无线传输速率。与有源中继技术相比，RIS 具有成本低、能耗低、易于部署、可实时控制反射系数以确保无反射和无干扰信号、扩大信号覆盖范围以及提高频率、能量和成本效率等优势。这些优点促使众多研究人员将 RIS 融入传统无线网络，以提升通信性能。
  • 信道编码：信道编码，又称纠错码（ECCs），其发展可追溯到香农的开创性贡献。在过去的七十年里，涌现出了许多种 ECCs，如 Turbo 码、低密度奇偶校验（LDPC）码和极化码等，它们都以强大的纠错能力和高效的解码算法而闻名。在电路层面实现 ECCs 的统一设计是 6G 的关键技术之一，如 Turbo/LDPC 解码器和 LDPC / 极化解码器等。鉴于 6G 通信系统对超低延迟和超高可靠性的严格要求，预计 ECCs 将采用更短的码长。但短码长会降低可靠性，给实现无差错传输带来挑战。因此，优化最小码长、提高对传输错误的鲁棒性至关重要。为此，新的编码策略必须融入前向纠错技术，包括新的迭代重传方案和基于近最大似然原理的方法等。
  • 带内全双工（IBFD）：传统无线网络设计通常基于半双工（HD）通信，即在同一频段内发送和接收信号不能同时进行。而 IBFD 技术允许在同一频段内同时进行信号的发送和接收，理论上可使频谱效率翻倍，扩大无线传输容量，实现更灵活高效的网络接入。尽管此前人们对 IBFD 的可行性存在疑虑，但一系列开创性的概念验证实验表明，通过有效抑制自干扰，该技术已具备实际应用的可能。IBFD 技术最早应用于无线通信中的中继领域，通过带内中继器在同一频段内接收、放大和转发无线信号，增强无线通信系统的覆盖范围。此外，IBFD 在军事干扰系统、雷达通信系统等领域也展现出了潜在的应用价值。
• 智能网络技术
  • 集成感知与通信（ISAC）：ISAC 是实现 6G 集成网络的关键使能技术，旨在通过软件和硬件资源共享或信息交换，将通信和感知功能有机结合，以提高硬件效率、频谱利用率、时间管理能力和能源利用效率。随着 6G 技术的不断发展，ISAC 成为研究焦点，受到了国际电信联盟（ITU）、Hexa - X、电气和电子工程师协会（IEEE）以及第三代合作伙伴计划（3GPP）等标准化组织和研究机构的广泛关注。众多学者围绕 ISAC 开展了大量的理论设计和系统实现工作。
  • 软件定义网络（SDN）：2009 年，斯坦福大学提出了 SDN 的概念，这是一种全新的架构范式。在 6G 网络架构中，灵活性至关重要，SDN 技术能够使网络对各种场景做出灵活响应。在未来的 6G 网络中，SDN 将继续发挥关键作用，并有望随着边缘计算的发展进一步完善。SDN 的基本原理是将网络的控制平面与转发平面分离，便于对网络功能进行灵活配置和调度。通过集中控制器，网络管理员可以对整个网络进行集中管理和配置，从而使网络能够快速适应拓扑结构的变化。
  • 人工智能（AI）：随着通信系统的快速发展，对新技术的需求不断增加，数据量和网络复杂度也日益攀升。AI 凭借其强大的适应性学习能力和复杂推理能力，为通信系统赋予智能管理和优化功能提供了契机。通过应用 AI 技术，通信网络能够提升性能，增强服务质量（QoS）。AI 有望在 6G 网络的各个层面得到广泛应用，如在物理层用于无线信道的研究，借助大量传播环境参数数据集对复杂信道进行建模和预测；在介质访问控制层用于活跃用户检测和访问控制机制等任务。
  • 边缘人工智能（Edge AI）：考虑到新兴 6G 网络的需求，连接智能的重要性日益凸显，它将成为 6G 网络的重要组成部分。Edge AI 是一种新兴框架，致力于将通信网络、AI 能力和移动边缘计算（MEC）有机融合，为实现连接智能提供了一条极具前景的途径。该框架能够在网络边缘无缝协调数据的收集、处理、传输和使用。预计到 2030 年，当前的边缘计算模式将逐步演进为 Edge AI 技术。Edge AI 具有降低延迟、增强隐私保护、缓解网络拥塞和降低能耗等优势。例如，MEC 通过在网络边缘对数据密集型任务进行计算处理或缓存超高清（UHD）视频内容，能够确保超低传输延迟，支持流畅的 4K/8K 视频广播。此外，空中联邦学习（FL）提供了一种协作式机器学习（ML）框架，使无线网络能够在无需访问边缘设备原始隐私数据的情况下，训练全局统计模型。
• 更多通信技术
  • 量子通信（QC）：QC 是 6G 通信的重要组成部分，它利用量子物理学原理（如量子比特的叠加和纠缠）实现数据的安全编码和传输。其独特的量子态特性为通信系统提供了不可破解的安全性，确保信息的完整性和安全性。同时，QC 对干扰的敏感性使其具备更强的抵御外部攻击的能力，任何对量子系统的观测都会改变其状态，这一特性可被通信双方检测到。中国已建成超过 104km 的国家级量子骨干网络，覆盖京津冀、长三角、粤港澳和成渝等重要区域，推动了量子保密通信的大规模应用。在卫星 QC 方面，中国成功发射了世界上第一颗量子科学实验卫星 “墨子号”，实现了卫星到地面的 QC，并验证了基于卫星平台的全球 QC 的可行性。基于 “墨子号” 的成功经验，中国还发射了济南 - 1 量子纳米卫星，为构建低成本、实用的量子星座奠定了基础。
  • 分子通信（MC）：MC 从自然现象中获得灵感，是一种非传统的通信范式，它利用分子进行信息的编码、传输和接收。类似于生物体中的细胞间通信，MC 通过特定分子的调控释放来实现微观尺度的信息传输。这一概念因其在特定场景中提供独特通信解决方案的潜力而备受关注。
  • 无线能量传输（WET）：在能源效率方面，6G 旨在实现零能耗范式，这需要通过多种关键要素的整合来推进，包括高效的设备端智能硬件设计、超低功耗的接收器架构、精细的能量收集方法以及适用于大规模且灵活的机器类型通信（MTC）的零能耗通信框架。WET 作为一种极具潜力的技术，能够为物联网网络提供无线可持续能源，减少电池浪费，简化维护和服务操作，促进全网络的减排，增强部署稳定性。

6G 典型场景与用例

6G 典型场景