20190925-6G泛在无线智能的关键驱动因素和研究挑战

6G泛在无线智能的关键驱动因素和研究挑战——6G旗舰白皮书导读2019-09-25芬兰奥卢（Oulu）大学6G旗舰研究计划（6GFlagshipresearchprogram）2019年9月发布了6G白皮书《6G泛在无线智能的关键驱动因素及其研究挑战》（“KeyDriversandResearchChallengesfor6GUbiquitousWirelessIntelligence”）。发布者认为是“全球首个6G白皮书，为2030年无线智能奠定基础”，“为定义2030无线时代打下了基础”。2019年3月，由6G旗舰计划（6GFlagshipProgramme）组织的6G无线峰会在芬兰召开，300名与会者来自29个国家，涉及关键基础设施制造商、运营商、监管机构以及学术界。这次活动，6G愿景宣言抓住了许多关键信息的精髓：泛在无线智能。“泛在”——能在任何地方为用户提供无缝服务；“无线”——无线连接是关键基础设施的组成部分；“智能”——面向人类和非人类用户的上下文感知智能服务和应用。峰会之后，组织了一个由70名受邀专家参与的研讨会，分享了关于6G的观点，白皮书就是基于这些观点完成。今后将在每年的峰会后更新白皮书。白皮书主要关注6G的关键驱动因素、研究需求、挑战和研究问题等，愿景表述为：“Ubiquitouswirelessintelligence”，即，无处不在的无线智能，或：泛在无线智能。图1.从5G到6G——推动6G研究的四个领域图2.新的无线硬件和物理层技术图3.用户接口和服务使能的可能技术白皮书的内容分为7个部分。1、6G的社会和商业驱动力包括联合国可持续发展目标在内的社会驱动因素将塑造6G。迈向数据共享/数据市场经济，将引发数据所有权和合同政策方面的问题，这点需要特别关注。向小覆盖范围的更高频率过渡和增强室内网络作用，将促进城市和室内空间的网络共享，尤其是推动“本地运营商”模式的发展。与当前的移动业务生态系统相比，6G中的利益相关者角色将有所变化，并将出现新的角色。图4.6GPESTLE分析结果强调了包容性、可持续性和透明度PESTLE：Political,Economic,Social,Technological,LegalandEnvironmental（政治、经济、社会、技术、法律和环境）。图5.本地运营商模式的驱动因素图6.未来6G生态系统中的利益相关者研究问题：问题1：6G的主要社会需求是什么？问题2：如何在6G中对生态系统利益相关者、角色及其生态系统配置进行分类？问题3：在6G共享经济中，基于平台的生态系统商业模式将如何出现？为什么出现？会出现什么样的模式？问题4：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、业务模型和服务？问题5：6G适应社会需求所需的最低可行法规是什么？问题6：如何开发新颖的机制和商业模式来支持包容性和偏远地区的访问？2、6G用例和新设备形态智能手机有可能会被普及的XR所取代，通过轻巧的眼镜可以提供无与伦比的分辨率，帧速率和动态范围。高分辨率成像和感知、可穿戴显示器、移动机器人和无人机、专用处理器和下一代无线网络，将使远程呈现成为可能。无线网络、分布式人工智能（AI）和传感技术的进步，将使得用于生态可持续运输和物流的自动驾驶车辆成为可能。研究问题：问题1：下一代XR系统的功能、性能和人体工程学需求是什么？问题2：在未来XR系统中，如何在不同组件之间分配计算和数据？问题3：如何为下一代XR设备定义和测量基于人类感知的体验质量(QoE)标准?问题4：下一代网络和设备能为人们之间的互动提供哪些新的机会?问题5：自动驾驶汽车的通信可靠性和交通安全有哪些考虑因素？3、6G频谱和关键绩效指标（KPI）6G研究应包括为每个用户提供高达1Tbps传输带来的挑战。需要根据吸收和反射特性来考虑THz频谱的利用。除了技术指标，我们还需要其他关键绩效指标——由于全球面临严峻挑战，联合国可持续发展目标不能再被忽视。图7.学术界和工业界在不同论坛上提出的通用6g目标图8.初始6GKPI图9.频谱窗口，距离为10m的自由空间损失和水汽吸收表1.5G和6G频段研究问题：问题1：如何评估和量化联合国可持续发展目标关键绩效指标？问题2：什么样的无线信道模型合适6G通信？是否可以统一从GHz到THz整个范围的模型？问题3：可行的频段？100GHz以上商业用途需要的技术？问题4：数据隐私和安全的适当度量标准？问题5：未来频谱分配和相关政策的实际需求和要求是什么？4、无线硬件的进步与挑战频谱扩展到太赫兹，融合通信和新的应用，例如3D成像和传感。需要收发机体系结构和计算的新模式，以实现1Tbps传输速率。在太赫兹应用中，半导体、光学和新材料都有机会。开源平台——实现下一代硬件和软件解决方案，是梦想还是必须?图10.如何保持适当的成本和复杂性？研究问题：问题1：围绕所谓的“太赫兹间隙”，如何将电和光技术融合并针对不同应用进行专门研究？问题2：硅基技术在Thz/Tbps系统中能否表现良好？还需要哪些其它技术？问题3：对于频率高于100GHz、距离大于10m的通信和传感，如何实现足够的输出功率和可控天线阵列？问题4：在100GHz以上频率，能否实现可调谐天线和其它RF解决方案？机器学习是否可以帮助解决此问题？问题5：在太赫兹频段，通信、传感、物质检测和成像的相互需求如何共存？5、物理层与无线系统人工智能将在6G无线网络的链路级和系统级解决方案中扮演重要角色。新的免许可（grant-free）接入方法对于真正的大规模机器类通信至关重要。信号成形是实现创纪录高频谱效率的一种方法。6G中的模拟调制方案？在物理层获得最强的安全保护。使用射频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无线网络可以根据他们的喜好来形成无线电环境。图11.未来无线的挑战研究问题：问题1：如何设计高速率、低延迟、高可靠性、大带宽的信道编码、调制、检测和解码？问题2：如何解码Tbit/s通信？需要什么样的星座图？问题3：如何设计满足高能效和低成本要求的系统？如何实现真正的无电池操作？问题4：如何通过物理层技术增强信息安全性、隐私性和可靠性？用光学（或未来的微波）进行量子密钥分发是否可行？问题5：如何有效地设计毫米波/太赫兹链路、系统和收发器？如何补偿或维持相位噪声？相干、不相干、部分相干系统的作用是什么？如何实现移动定位、信道捕获和跟踪？问题6：如何利用有源天线阵列与透镜天线结合，实现大规模MIMO和智能波束控制？如何设计具有大型智能曲面的系统？问题7：如何在高性能计算平台和射频链之间设计高效的接口？问题8：如何应对列车和无人机的高速度，以支持连接？还可以而且还应该使用多载波技术吗？是否需要新的波形，例如基于特殊仿射傅里叶变换的波形？6、6G组网6G需要一个有嵌入信任的网络。6G采用ID/Locator分离的思想，主要依靠设备的专用地址。6G将创造数据市场——保护隐私将是关键的促成因素。6G需要升级的网络模式。人工智能和区块链可能在6G网络中发挥重要作用。图12.6G中的通信可以通过信任链进行研究问题：问题1：如何定义一种新的网络模式，平等地支持消费者、企业和生活以及关键任务的通信？为了实现这种创新，需要进行哪些法规方面的改革？问题2：如何在网络中嵌入信任和安全？如何利用虚拟化提供的隔离方式来保护端到端的连接和通信？问题3：什么样的数据市场商业模式是可行的，需要什么技术来支持？架构将是什么样子，非技术用户如何能轻松利用它？问题4：需要怎样的网络功能、接口和协议来支持广域和本地参与者之间、以及消费者和垂直市场参与者之间新的职责划分？问题5：如何增强和改进虚拟化，以低成本为非关键和关键通信提供最大可能的网络灵活性？问题6：在6G中可以利用哪些新的计算和软件技术？7、新服务使能6G不仅仅是关于移动数据，它将成为一个服务框架，包括通信服务。在6G中，所有特定于用户的计算和智能都可以移至边缘云。将传感、成像和高精度定位能力与移动性相结合，开启众多新应用。信任和隐私是成功实现6G服务平台的关键前提。图13.使用边缘技术的用户应用及其移动性图14.6G网络可以在边缘处理定位、三维点云映射和混合现实数据融合研究问题:问题1：如何为移动边缘服务和敏感服务（例如精确定位）构建信任、安全和隐私解决方案？问题2：室外、室内如何达到厘米级定位精度？问题3：如何为混合现实服务提供基于网络的3D传感/成像能力？问题4：哪些用户应用将从边缘服务极大受益？如何受益？问题5：如何提供低延迟、可访问本地信息且持续跟踪用户的边缘服务？问题6：边缘人工智能在服务管理和系统编排方面可以扮演什么角色？边缘本地环境对当前人工智能方法有哪些新的要求（例如源自隐私、安全、位置或分发的需要），当前人工智能方法如何满足这些要求？