6G挪动通讯技巧瞻望

发布于: 2019-02-23

起源: 通信学报 

择要
为满足人类更深层次的智能通信需求,6G 将实现从真实世界到虚拟世界的延拓。为此提出了 6G 需要处理“人−机−物−灵”的问题,设计了 6G 演进的单世界架构,该架构将支持 6G 中存在于虚拟世界的第四元素——灵。进一步给出和分析了支撑 6G 设计与实现的关键理论与技术。
症结伺候: 6G ; 人-机-物-灵 ; 虚拟世界

作家简介
张平1,牛凯1,田辉1,聂顶峰1,秦晓琦1,戚琦2,张娇1
1. 北京邮电大学信息与通信工程学院,北京 100876
2.北京邮电大学网络技术研究院,北京 100876
张平, 牛凯, 田辉, 聂高峰, 秦晓琦, 戚琦, 张娇. 6G移动通信技术瞻望[J]. 通信学报, 2019, 40(1): 141-148
ZHANG P, NIU K, TIAN H, NIE G F, QIN X Q, QI Q, ZHANG J. Technology prospect of 6G mobile communications[J].Journal on Communications, 2019, 40(1): 141-148

1弁言

用户通信需求提升和通信技术改革是移动通信系统演进的源能源。为了满足“动中通”的业务需求,第一代移动通信系统(1G,the first generation mobile communication system)实现了“移动”能力与“通信”能力的结合,成为移动通信系统从无到有的里程碑,并拉开了移动通信系统的演进尾声。随同着数字技术的成生,第发布代移动通信系统(2G, the second generation mobile communication system)完成了从模拟体系向数字体制的全面过渡,并开端扩展支持的业务维度。在日趋丰盛的业务需求驱动下,第三代移动通信系统(3G,the third generation mobile communication system)采用了全新的码分多址接入方式,完美了对移动多媒体业务的支持。至此,高数据速率和大带宽支持成为移动通信系统演进的重要目标。以多入多出(MIMO, multiple-input multiple-output)和正交频分多址接入(OFDM,orthogonal frequency division multiple access)为核心技术的第四代移动通信系统(4G, the fourth generation mobile communication system)不仅获取了频谱效率和支撑带宽能力的进一步提升,还成了移动互联网的基础支撑。在4G失掉巨大贸易胜利的同时,第五代移动通信系统(5G, the fifth generation mobile communication system)逐步浸透到垂曲行业,把支持的传统增强移动宽带业务(eMBB,enhance mobile broadband)场景延拓至海量机器类通信(mMTC,massive machine type of

2019-01-16 communication)场景和超高可靠低时延通信(uRLLC,ultra reliable and low latency communication)场景。基于大范围多入多出(massive MIMO)、毫米波(mmWave,millimeter wave)传输、多连接(MC,multiple connectivity)等技术, 5G 实现了峰值速度、用户休会数据速率、频谱效力、移动性治理、时延、衔接稀度、网络能效、地区业务容量性能的全方位晋升。纵不雅上述的演进过程,知足用户的通信需求是每代系统演进的重要目的,而新的通信技术则是每代系统演进的驱动。

到今朝为行,1G到5G的设计遵循着网络侧和用户侧的紧耦合准则。通过技术驱动,用户和网络的根本需求(如用户数据速率、时延、网络谱效、能效等)失掉了必定的满足。然而受制于技术驱动能力,1G到5G的设计并未跋及更深档次的通信需求。在已来第六代移动通信系统(6G,the sixth generation mobile communication system)中,网络与用户将被看做一个同一全体。用户的智能需求将被进一步发掘和实现,并以此为基准进行技术计划与演进结构。5G 的目标是满足大连接、高带宽和低时延场景下的通信需求。在5G演进前期,海洋、大陆和天空中存在伟大数量的互联主动化设备,数以亿计的传感器将遍及做作环境和生物体内。基于人工智能(AI,artificial intelligence)的各类系统部署于云仄台、雾平台等边缘设备,并创制数目宏大的新应用。6G的晚期阶段将是5G进行扩大和深入,以AI、边缘计算和物联网为基础,实现智能应用与网络的深度融合,世界杯预选赛在线直播,实现虚拟现实、虚拟用户、智能网络等功能。进一步,在人工智能理论、新兴资料和集整天线相干技术的驱动下,6G 的历久演进将产生新冲破,乃至构建新世界。

本文起首分析 6G 演进趋势,商量人工智能与人类用户的关系,而后基于 6G 业务需求框架提出新的通信元素——灵(Genie),并此基础上预测 6G移动通信的使能技术。

2 AI——6G 演进驱除剖析的起点

固然,AI在6G的应用是大势所趋,当心是简单地把AI看成6G里的一种与移动通信简略叠减的技术是不准确的。只要深入挖挖用户的需求,放眼智能、通信与人类未来的彼此关系,才干提醒 6G 移动通信的技术趋势。以色列近况学家尤瓦我·赫推利在《未来简史》中预测了 AI 与人类之间关系的3个递进阶段:1) AI是人类的超等助脚(oracle),能够懂得与控制人类的一切心思与心理特征,为人类提出实时准确的生涯与任务提议,但是接收倡议的决议权在人类手中;2) AI演化为人类的超等代理(agent),并从人类手中接过了局部决定权,它全权代表人类处理事件;3) AI进一步演进为人类的君王(sovereign),成为人类的仆人,而人类的所有举动则服从AI的部署。

基于上述预测,6G应当遵守AI与人类关联的发展趋势,到达闭系演进的第一阶段,也即 oracle阶段。图1给出了 6G 业务需求框架。作为 oracle阶段的重要实现基础,6G 启载的业务将进一步演变为真实世界和虚拟世界这2个别系。真实世界体系的业务后背兼容5G中的eMBB、mMTC、uRLLC等典范场景,实现真实世界万物互联的基础需求。虚拟世界体系的业务是对真实世界业务的延长,与虚拟世界的各种需求绝对应。6G 发明的虚拟世界可以为每一个用户构建AI助理(AIA,AI assistant),并采集、存储和交互用户的所道、所睹和所思。虚拟世界体系令人类用户的各类差别化需求获得了数字化形象与表白,并建破每一个用户的全方位立体化模仿。详细而行,虚拟世界体系包括3个空间:虚拟物理空间(VPS,virtual physical space)、虚拟行为空间(VBS,virtual behavior space)、虚拟精神空间(VSS,virtual spiritual space)。

图1 6G营业需求框架

VPS基于6G兼容的典型场景的实时巨量数据传输,构建真什物理世界(如地舆环境、修建物、途径、车辆、室内结构等)在虚拟世界的镜像,并为海量用户的 AIA 提供信隔绝互的虚拟数字空间。VPS中的数据具有实时改造与高精度模拟的特征,可为严重体育运动、重大庆典、夺险救灾、军事行为、仿真电子商务、数字化工致等应用提供业务支撑。

VBS扩展了5G的mMTC场景。依附6G人机接心与生物传感器网络,VBS能够实时采集与监控人类用户的身材行为和心理性能,并向AIA实时传输调理数据。AIA基于对VBS提供数据的分析成果,预测用户的安康状态,并给出实时有用的医治解决方案。VBS的典型应用支撑是精准调理的普遍实现。

基于VPS、VBS与业务场景的海量信息交互与剖析,可以构建VSS。由于语义信息理论的发展以及差异需求感知能力的提升,AIA能够获取用户的各种心理状态与精神需求。这些感知获取的需求不仅包括求职、社交等真实需求,还包括游戏、喜好等虚拟需求。基于VSS捕捉的感知需求,AIA为用户的健康生活与文娱提供完备的建媾和服务。比方,在6G支撑下,分歧用户的AIA通过信息交互与协作,可认为用户的择奇与婚恋提供深度征询,可以对用户的求职与升迁进行精准分析,可以辅助用户构建、保护和发展更好交际关系。

3 Genie——6G魂魄

6G不只包括5G波及的人类社会、信息空间、物理世界(人、机、物)这3个中心元素,借包露本文界说的第四维元素—灵(Genie)。Genie 存在于图1中的虚拟世界体系,没有需要野生参加便可实现通信和决策造定。Genie 基于实时收集的大批数据和下效机械教习技术,实现用户用意的获得和决议的制订。Genie可以作为6G用户的AIA,提供强盛的代办功能。因为不受智能末真个详细物理状态的限度,Genie高出于VPS并包含VBS和BSS的齐备功效,具有为用户构建个性化自立沉迷式平面代理的才能。Haddadin等提出触觉机械人网络作为人类虚拟世界的多维度署理,以各类触觉方法,采散和辨认人类意图。Genie 存在于人-机-物全方位融会的基础之上,可以笼罩仍旧物理空间的实体,包含可做为通信与计算节面的物理实体,如具有传输与盘算能力的智能装备以及建造、动物等。Genie 经过物理空间姿势感知用户与情况的多维度信息,真时构建虚拟粗神空间中的用户行动特征、决策偏偏好模型等信息。经由过程人-机-物-灵协作, Genie 可为用户供给实时虚拟业务场景,并代理用户实现响应的需求。

6G的应用场景重要包括虚拟事实和虚拟用户。在虚拟现实场景中,6G需要实时感知环境的变更,高效处置海度传感器反应的数据,并快捷完成终端与云核心的信息交流。虚拟用户场景是指借助人工智能、移动计算等技术发生虚拟工具,并经由过程全网无线接入与传输技术将Genie精确地“安排”于实在环境中,为用户提供虚拟世界与物理世界融开的答用处景。以图2所示的实实环境中的实体花店为例阐明6G人-机-物-灵协功课务场景。应真实情况中部署多种 6G 网络传感设备和网络设备,可实时采集店内牺牲绘面、气息、温度、干度、光芒等信息。Genie 依据用户需求,长途为用户重构沉浸式花店场景。同时,用户可受权给 Genie,由其根据用户的认识、需求、物品等前提,取代用户进止决策。

图2 面向花店应用的6G人-机-物-灵协作业务场景示例

6G 的应用场景具有虚实结合、实时交互等全新的网络特点,这将给 5G 网络带来巨大的传输压力。因此,急切需要研究支撑6G演进的基础理论和核心关键技术。当前,5G 以行业特点业务为导向,分辨解决了eMBB、uRLLC、mMTC场景面临的问题。但是,为了支撑未来网络中第四元素—灵,6G 不仅需要兼容 5G 中的三大场景,并且要进一步实现三大场景增强融合,协调不同场景中的业务需求抵触,实现虚拟世界的更深层次的智能通信需求。

为了完成人-机-物-灵合作利用场景,满意人类用户精力与物资的齐方位需供,应该寻求客观感触跟宾不雅技术机能两圆里优化,构建 6G 使能技术系统。

4 6G使能技术

实拟天下体制业务的黑幕联合、及时交互等网络特色,给以后的 5G 网络带去了宏大的挑衅。为支持 6G 那些运用需求,需要从基本理论和收撑技术出收,发展广义信息论、个性化传输技术和意念驱动网络技术的研究。

4.1 广义信息论

为了支持AI Genie的语义感知与分析,6G不但要采集与传输数字信息,也要处理语义信息,这便请求必需打破经典信息论的范围,发展广义信息论,构建语义信息与语法信息的片面处理方案,这也是实现人机灵能交互的理论基础。面向6G的广义信息论的研究内容包括以下3个方面。

1) 融合语法与语义特征的信息定量测度理论

与基于概率测度的经典信息论分歧,广义信息论需要对语义信息进行主观器量,构建融合语法与语义特征的联合测度理论。起首,以含混数学为对象,对 6G 移动业务的用户体验、感想评估等语义信息进行附属度建模与测度。然后,进一步扩展经典信息量的几率襟怀办法,建立广义信息量的主客观联合怀抱模型。

2) 基于语义辨识的信息处理理论

6G移动通信需要支持各品种型的人机物通信,通信度量与后果有隐著的主观体验差异。在定量测度语义信息的基础上,针对 6G 移动通信的多源播送业务特征,研究基于语义辨识的信息处理理论,为6G移动业务的数据处理提供领导。

3) 基于语义辨识的信息收集优化实践

6G 移动通信需要满足各种真实与虚拟场景的网络通信,因此,需要结合 AI 理论,研究真实与虚拟通信堆叠的通信网络优化。

4.2 特性化传输技术

死物多样性是天然界的广泛法则,需求差同性也是人类社会的普适定律。1G~5G并不充足谦足人类用户的个性化需求,6G 移动通信则需要对人的主观体验进行定量建模与分析,满意好同性需求的信息处理与传输,从而构建智能通信网络。这方面,极化编码传输、massive MIMO、基于AI的信号处理等技术皆是有合作力的前沿技术。

4.2.1 面向6G的极化码传输理论与技术

1) 面向个性化的极化码构造与优化

只管 5G 移动通信的信道编码尺度曾经断定采取极化码,但极化码的编码构造与译码算法还存在很大的优化空间。因为极化码是基于差同化道理进行编码,无比合适未来 6G 移动通信机动多变的业务需求,果此,需要进一步对极化码的设计构造理论开展研究,以及对高性能低复杂度编译码算法展开研究。

2) 极化编码MIMO系统的设计与优化

为了构建VPS空间,6G需要支持超高速数据传输,极化编码MIMO系统具备明显的性能上风,可以满足未来数据传输的需求。因而,有需要针对MIMO 系统的 2 种典型结构——空间复用/预编码与空间调制,进行极化传输的优化方案研究。

3) 极化多址接入系统的设计与优化

多址接进是挪动通信系统的标记性技术,能够预感,非正交多址接进(NOMA,non-orthogonal multiple access )将成为5G/6G移动通疑的代表性多址接入技术。将极化编码引入非正交多址体系,须要深刻分析 NOMA 的系统构造,从狭义极化的观念动身,劣化信讲极化分化计划。针对付6G移动通讯营业需要,计划与优化极化编码多用户通信的结构原则。针对人-机-物-灵共存的多用户情形,设想低庞杂度的广义干扰抵消多用户检测算法。

4.2.2 massive MIMO技术

6G将面对真实与虚拟共存的多样化通信环境,业务速率、系统容量、覆盖范畴和移动速率的变化规模将进一步扩展,传输技术将面对性能、复杂度和效率的多重挑战。

针对 6G 无线旌旗灯号的传输特点,massive MIMO包含以下式样的研讨。

1) 多域信号联合调制与解调技术

Genie 的引入提供了额定的信号处理域,人类用户的业务数据与Genie提供的业务数据拥有深层相关性。利用多维相关性,进一步挖掘空间维度,设计多域信号的结合调制与解调方案,提降链路传输效率。

2) 广义MIMO联合设计及优化技术

在Genie的帮助下,研究基于深度学习的多用户多入多出 (MU-MIMO,multiple user MIMO)波束成形技术,存在特用性与普适性。Genie 可以提供准确可靠的信道估计与业务源的前验信息,基于这些信息,可能倏地调剂MU-MIMO的波束,提高链路传输效率。别的,针对massive MIMO接支机, Genie 也能够辅助实现基于深度学习的检测算法,优化全部接收机性能。

4.2.3 人工智能信号处理技术

6G移动通信是多用户、多小区、多天线、多频段的复杂传输系统,信号接收与检测是高维优化题目。最优的最大似然(ML,maximum likelihood)或最大后验(MAP,maximum a posteriori)检测是指数复杂度算法,性能优胜但易以普遍应用。深度学习理论另辟门路,通过大量离线练习,取得高性能的深度神经网络模型,从而迫近ML/MAP检测。

针对 6G 无线信号特征,基于深度学习的信号处理包括如下研究内容。

1) 基于深度学习的信道估计技术

Genie 为 6G 移动通信中的应用深度学习开拓了新的技术门路。Genie 可以在虚拟物理空间中对人类用户所阅历的无线信道与传布环境进行大数据分析与智能预测,进一步深入研究基于卷积神经网络(CNN,convolutional neural networks)或是非期影象网络(LSTM,long short-term memory )模型的空-时-频三维信道估计算法,从而为移动终端的吸收检测提供加倍准确牢靠的信道估计。

2) 基于深量进修的烦扰检测取对消技巧

面貌将来 6G 的复纯多小区场景,干扰检测与抵消是十分主要的要害技术。正在虚构物理空间中, Genie 可以对多小区场景的各类干扰禁止年夜数据分析与智能猜测,从而疾速正确天估量与重修干扰旌旗灯号。进一步研究CNN、LSTM等典范神经网络本相,设计自顺应的干扰抵消深度进修算法,可以年夜幅度进步链路接受性能。

4.3 意念驱动网络

人工智能助理的树立与发作,需要依附于随需即用智能网络。针对6G移动通信的技术发展趋势,需要开展支撑人-机-物-灵融合的全新 6G 网络架构、散布式边缘网络智能、认知加强与决策推演的智能界说网络等理论与核心技术的前瞻性研究。

4.3.1 面向人-机-物-灵融合的全新6G网络架构

研究人-机-物-灵四元空间的语义连接、业务适配、协作编排,构建一套面向人-机-物-灵四元空间的信息传输、边缘智能、协同计算等6G网络架构,支撑人-机-物-灵四因素跨界融合。研究终端的协同通信、协同计算、协同存储与协同供能等关键技术,支持终端对无线网络的周全协同,实现往中央化的通信、计算、存储及供能的分布式服务;研究基于网络多维可编程的人-机-物-灵融合组拆方式;研究人-机-物-灵融合的状态监控、同步把持、分歧性检讨等网络容错机制;研究人-机-物-灵融合的四元网络协同管理技术,支持边缘智能和适配优化,实现全网资源的多级协同调换。

4.3.2 认知删强与决策推演的智能定义网络关键技术

人工智能技术通过自学习状况、特征从而一直迭代优化输入结果,为解决复杂多变的未来6G网络服务提供了新的解决思绪。针对当前边缘网络缺少自立化能力,设备异构性难以屏障等特征,构建以业务需求为核心的分层分域功能架构;针对未来网络环境静态复杂的特点,利用人工智能技术对网络资源分布情形与变化规律以及业务服务质量进行监控和建模分析,结合极端管控的思维,实现网络中路由、传输、缓存、资源调配等差别的自顺应推演以及自动化运维。

4.3.3 安全可靠的网络传输技术

在周全感知 6G 移动业务需求的基础上,针对大规模、低延时的流媒体服务,通过网络编码技术,将流媒体内容按块转化为编码数据进行传输懈弛存,在提高数据传输效率的同时,保证用户办事的隐衷以及内容的平安。别的,针对高保险性的用户办事,应用人工智能和边沿计算技术,对效劳内容进行特征信息提与,并将提取的特征信息回传至云计算中央,在保障用户信息安全的同时,下降 6G 回程网络压力,提高用户服务品质。

5 停止语

网络和用户的通信性能不是后 5G 网络演进的独一目标。为了实现人类更深层次的智能通信需求,6G 将实现从真实世界体系到虚拟世界体系的延拓。虚拟世界体系源于对真实世界体系的采样、传输、分析和重构。为了实现 6G,需要在信息理论、传输和组网方面实现理论和技术突破。个中,在基本信息理论方面,6G 将拓展传统信息理论,从理论上保证基于语义信息器度、紧缩、传输和网络的优化;在传输关键技术方面,6G 将进一步挖掘极化相关理论,获取极化编解码、极化MIMO、极化多址、极化中继等关键技术突破,实现差异化传输。在组网技术方面,6G将采用人-机-物-灵的全新网络架构,满足认知增强与决策推演的智能定义网络需求,保证安全可靠的网络传输,实现意念驱动网络。