面向物联网应用的6G技术

摘要

在物联网(Internet of Things, IoT)快速发展的大背景下及5G已实现大规模商业化部署的情况下，在不久之后5G的技术参数将难以支撑大规模IoT的实际应用需求。相比之下6G技术凭借其卓越的高传输率低时延等显著性能特点受到了学界与产业界的广泛关注。鉴于此为了推动IoT网络的更好发展并基于IoT应用场景的需求我们进行了针对IoT应用领域的6G相关候选技术的研究重点阐述了边缘智能海陆空天一体化通信以及区块链技术这三大核心技术

内容目录

1 6G技术应用

1.1 6G的定义

1.2 6G的优势

2 边缘智能

2.1 边缘智能技术

2.2 面向IoT应用的边缘智能技术

3 海陆空天一体化通信

3.1 海陆空天一体化通信

3.2 海陆空天通信网络架构及其相关应用

4 区块链

4.1 区块链技术体系

4.2 面向IoT应用的6G区块链

5 结 语

近年来，物联网(Internet of Things, IoT)相关技术逐渐完善并取得长足发展，在这一领域内所产生的应用正以快速增长的趋势不断扩展。从个人智能设备到车联网智慧交通系统、医疗服务再到金融行业等多个行业都可看到物联网及其垂直领域的身影。因此，在信息与通信技术领域中，物联网网络的相关研究和应用已经引起了学术界和工业界的广泛关注，并被视为不可或缺的重要组成部分。尽管5G技术也在不断加速发展并扩大商用规模，在此过程中提出了更高的技术和性能要求。然而随着智能化设备数量急剧增加以及物联网网络的快速扩张需求在多个关键领域如自动化控制、超大型规模集成化、高动态服务和全智能化等方向上对5G相关技术和性能指标提出了更高要求。特别是在不久的将来这些日益增长的自动化与智能化物联网网络的需求可能会超过现有的5G无线网络的最大承载能力以应对快速发展的智能化服务和应用需求包括远程机器人手术载人飞行器无人机农业等新型服务类型这些新型服务不仅需要提供持续提升的服务质量和效率还需要能够满足大规模商业化应用的需求从而对当前的5G技术和产业都带来了严峻挑战

随着我国在基础信息网络层面的持续强化投入不断深化，在5G时代实现了跨越式发展，并已初步建成全球规模最大的5G移动通信网络。与此同时，在全球范围内尤其是领先国家如日本、韩国、美国和芬兰等对6G技术的关注度显著提高。特别是在美日等国看来，在全球新一轮科技竞争中占据先机具有战略意义。其中最为引人注目的是美国已开始进行前期规划并已占据轨道位置、卫星位置以及有限的卫星频率资源等关键领域的技术优势地位。因此必须清醒地认识到，在这一关键时期我国应当未雨绸缪就着手推进6G技术研发工作以期通过这一前沿技术获得快速发展的新机遇尽管当前相关研究课题数量庞大但就整个行业而言仍处于探索初期阶段缺乏明确的技术路线指引关键性能指标和发展应用领域尚未形成统一的标准体系特别是面向物联网应用端的6G技术研发成果极为匮乏基于现有公开论文和课题研究情况相关领域的深入探索仍然存在较大空白

在上述背景下，笔者针对物联网（IoT）领域的6G技术研究工作进行了深入探索。由于6G及其相关技术能够提供“无处不在的无线智能”服务，在当前科研机构和科技人员中引起了广泛关注。相较于5G技术而言，6G技术的独特优势体现在其超低时延通信能力、显著提升的传输速率以及基于卫星平台的服务模式等方面，并且还具备大规模自动化网络的支持特性。这些显著特性将加速物联网网络在数据采集感知、多端设备互联、无线通信覆盖以及网络管理优化等关键领域的广泛应用，并为用户提供更加丰富多样的智能化服务体验。因此，在分析现有6G候选技术应用特点的基础上，本文旨在通过系统探讨能够促进物联网网络发展的三种关键技术——边缘智能、海陆空天一体化通信以及区块链——来推动该领域的发展进程。

1 6G技术应用

1.1 6G的定义

可被称作第六代移动通信技术的研究正处在一个概念性阶段。相较于5G技术而言, 6G网络系统将朝着一个集成了地面无线与卫星通信在内的全方位互联方向发展, 其整体架构将呈现出一种前所未有的完整性特征。为了更好地实现这一目标, 应通过整合卫星通讯设备至现有的6G移动通讯系统架构中, 这一过程旨在确保整个系统的高效运行和稳定性提升。经过这一系列优化后, 该系统的技术指标将显著超越现有标准, 达成超大容量、低延迟、高可靠性等关键性能指标的要求, 最终使得该系统具备了在各种复杂环境下稳定运行的能力, 包括在极端天气条件下的持续稳定工作状态以及在高动态变化环境下的快速响应能力等核心优势特征

经过上述优化设计后, 该系统的实际应用能力得到了显著提升: 其信号传播范围能够延伸至全球任何角落, 从而确保了偏远地区居民的基本生活需求得到满足; 同时还能够在偏远山区为医疗工作者提供远程会诊服务, 并为教育工作者提供优质的在线教学支持服务

此外，在环绕地球的多个卫星系统（如全球卫星定位系统、电信卫星系统、地球图像卫星系统）以及6G地面网络的协同工作下，在这种多维度网络的支持下，“海陆空天全覆盖”的能力不仅能够帮助人类预测天气并迅速应对自然灾害等突发情况；而6G通信技术也不再仅仅是提升网络容量和传输速率的能力；相反地它已经成为缩小数字鸿沟并推动万物互联朝着“终极目标”迈进的重要工具

相较于现有技术而言

1.2 6G的优势

鉴于5G技术已被经验证明能够提高服务质量（QoS），然而其技术参数不足以支撑2030年后物联网服务的需求。无线通信技术在物联网领域的演进趋势如图1所示。随着近年来视频应用普及并推动视频分辨率提升以及机器互联（M2M）通信的发展与推广……未来五年内预计将达到10万亿的数据量增长趋势

图 1 面向 IoT 应用的无线通信技术演进

研究数据显示，在未来十年中（至2030年），全球移动流量的整体规模将从约62 EB月度数据显著提升至5 016 EB月度水平。目前而言，在线视频作为主要消费形态之一，在总移动流量中占据了三分之二的份额，并呈现出持续增长的趋势。值得注意的是，在面向物联网（IoT）领域的 sixth-generation （6G）通信技术已展现出显著的技术优势与创新潜力，在关键性能指标方面明显优于第五代（5G）通信系统（具体数据可参考表1）。

表 1 5G 技术与 6G 技术性能对比

综合而言，在物联网网络中的应用领域中6G主要展现出四个显著的技术优势：高速率、低时延、大连接和高可靠性等关键特征得到了充分体现。

最高可达1 Tbit/s的数据传输速率，在无缝移动性和频谱有效性的基础上，能够支持大规模IoT网络中的多种移动流量应用场景。

该系统可达到1 Gbit/s/m2的移动流量密度，并能同时满足高吞吐量需求以及IoT设备部署密度的应用需求

(3)极高的设备连接密度，可达到107个/km2，满足大规模IoT网络设备的部署要求。

(4)低时延可达10~100μs，完全满足触觉应用需求，例如自动驾驶、远程手术等。

2 边缘智能

2.1 边缘智能技术

在智能6G时代背景下，在线计算能力显著提升的条件下，人工智能技术逐渐向网络边缘延伸发展。随着这一趋势的推进，在这种环境下应运而生的边缘智能技术被广泛认为是人工智能、通信技术和边缘计算等领域的创新性结合体。具体而言，在这种模式下，“边缘智能”特指终端侧的智能计算服务系统，在这个平台上集成了网络通信、计算处理、数据存储以及业务应用等功能模块，并能够提供智能化的服务方案来满足各行业数字化转型需求中的敏捷连接、实时响应、优化效率等方面的关键诉求。

边缘智能系统中的资源主要集中在从终端设备到云计算中心之间的全链路传输路径上，并整合了所有的计算能力和网络传输介质。这种设计架构能够实现对数据源端单元的实时采集、分析评估以及决策支持功能。与传统模式相比，在未来的发展趋势中，云计算中心内的存储能力、计算资源以及智能应用服务会逐步延伸至网络边缘层，并以此为基础推动智能化应用生态向边缘场景迁移。通过引入边缘智能技术，在物联网（IoT）环境下能够有效满足多维度的应用需求：首先是基于实时响应能力的数据处理；其次是具备智能化感知与快速反应能力；再次是通过隐私保护机制确保数据安全；最后是应对海量异构数据处理带来的挑战。

2.2 面向IoT应用的边缘智能技术

边缘智能技术作为物联网（IoT）设备实现复杂化、智能化及安全性运用的关键支撑手段，在采用基于边缘计算能力的物联网设备后，能够使得人机交互进入一个新的发展阶段。针对物联网（IoT）应用场景的边缘计算技术而言，则主要展现出两大方面的显著优势。

(1) 更为卓越的用户体验。人类进行交流的方式不仅限于语言表达，在现代物联网设备中引入智能化边缘计算技术，则能够使声音、面部表情以及肢体动作等多种非语言手段实现信息传递并得到有效解读。借助智能边缘计算技术的应用，在IoT设备中实现数据的有效传输与处理，并以此为基础优化用户体验。

(2)增强安全性。边缘智能技术通过深度学习和训练智能家居以识别潜在危险信号,如警报声响起、有人跌倒、玻璃窗破碎等,以及水龙头滴水等常见状况。此外,该技术实时监测设备运行状态并及时发出警示,促使使用者采取相应措施。

在物联网（IoT）应用领域的6G边缘智能技术研究方面，近年来已取得一定研究进展。具体而言：文献[9]构建了基于分布式架构的6G云边协同计算框架，并开发了一种基于雅可比交替方向乘子法（JADMM）的任务近似调度算法。该算法将云边协同计算任务的调度问题建模为综合权衡时延、能耗、带宽成本及服务质量损失等多因素下的系统开销最小化问题，并通过高效的分布式并行计算策略进行求解。仿真实验表明该方法能够在保证用户服务质量的前提下显著提升收敛速度与执行效率，并有效降低网络运营成本相关的开销。文献[10]深入探讨了6G技术在物联网网络中的应用前景，并重点分析了边缘智能技术在自动驾驶领域的关键作用地位：该技术可为道路行驶中的车辆、路侧单元、路侧平台边缘设备提供快速可靠的AI数据处理服务。研究结果表明：边缘智能技术是动态频谱接入的核心支撑技术之一，并能有效提升街道路缘设施感知与决策能力等相关指标的表现水平。文献[11]进一步提出：针对无处不在的边缘设备节点，在大数据分析支撑下可实现大规模边缘智能服务的提供机制与服务模式设计：通过融合大规模超可靠低时延通信（URLLC）技术和多维度一体化通信方式（如海陆空天一体化通信），能够显著增强大规模数据传输能力和数据处理速率的表现水平

3 海陆空天一体化通信

3.1 海陆空天一体化通信

6G技术在5G的基础上实现了网络范围的拓展和能力提升，在空中领域实现了对地面移动通信网络的延伸与融合。该系统通过技术创新形成了一个天地互通、陆海空一体且覆盖全面的超宽频移动通信网络体系，并整合了卫星通信网络、无人机辅助通信网络、密集型地面站网络、水下通信设施以及海洋深处的专门通信网络等多领域技术要素。

基于海陆空天一体化通信系统构建的全时空信息网络具备持续支撑特性，在全球范围内不同类型的用户提供包括随意接入、信息安全在内的可靠服务能力，并成为实现国家网络主权的战略性基础设施。

3.2 海陆空天通信网络架构及其相关应用

文献[12]针对物联网（IoT）应用提出了一种海、陆、空以及天一体化的通信网络架构方案。该方案主要包含有空间、大气、陆地和水下四个子系统层次结构组成, 共分为四层结构。

在空间通信层中,该层主要采用近地轨道、中地球轨道以及同步轨道等,通过这些不同类型的轨道运行的卫星之间的协作,从而实现无线通信网络的全面覆盖.该技术能在不同高度的区域灵活运用,以满足高吞吐量的空间网络进行星地通信的应用需求.

(2) 大气通信层。无人机与热气球在大气层中承担飞行基站功能，在保障大气层区域的有效覆盖与通信连通性方面发挥重要作用。该通信层次借助6G网络技术提供的超高的可靠性与极低的延迟特性，在受灾区域实现高效的通信管理，并以应对公共安全保障任务及突发事件应急通信需求。此外，在特定条件下，无人机还可以转换为地面基站天线用户身份接入地面基站网络，在确保连续性和实时性的同时构建直接的空地链路系统用于合作感知与数据传输

(3) 陆地通信层。物理基站与移动设备通过网络互联完成无线覆盖与连接任务。在物联网支持的6G应用场景中，太赫兹频段将得到充分利用以显著提升频谱效率和通信速率，在面对千万级用户规模下的复杂异构网络时具有广泛的应用前景。

该层次主要承担水下物联网设备的数据传输功能，并通过网络节点实现与其他相关系统的信息交互。其中，在军事用途的潜水器等远海作业设备中应用较多。此外，在确保稳定通信的同时，该层次还能够支持与地面控制中心的数据交互机制

当前已有研究表明,海陆空天一体化通信因其便捷性显著,已在6G物联网技术领域展现出广泛的应用前景。具体而言,文献[13]提出了一种基于低轨道地球卫星(LEO)通信的多用户卫星物联网系统架构,其中移动边缘计算服务器与全双工接入点通过协作构建卫星链路,有效提升了关键任务中物联网设备通信时延性能。此外,在卫星与地面终端之间提供大规模区域网络连接的应用场景下,文献[13]将同步无线信息传输与功率转换(SWIPT)技术和混合能量存储方法相结合,构建了高效的星地通信模型,从而实现了IoT终端的高CPU频率、繁重计算任务处理及增强型发射功率等理想数据传输速率目标。研究[14]则探索了利用无人机(UAV)实现万物互联的新方法论,该方法支持多样化的数据传输方案应用于物联网数据感知、紧急搜索与监测以及视频数据流等多个物联网应用场景中。

4 区块链

4.1 区块链技术体系

当前数据中心对中心化的网络运营存在高昂的成本支出，并且在面对快速发展的万物互联时代时也表现出明显的局限性。基于此，在6G物联网应用场景下可以通过区块链技术搭建去中心化的网络架构体系来有效解决物联网设备的安全性和隐私防护问题。

具体来说，在区块链技术架构中整合了来自不同归属的分布式数据库，在其结构中按照时间序列组织数据区块构成链式结构。该系统通过应用密码学算法实现了透明可信的数据治理目标，并保证数据及其行为记录既具有安全性又具备可追溯性以及不可篡改性。此外，在区块链系统中采用共识机制用于交易验证环节，并有效防范恶意攻击、篡改行为以及来自网络节点欺骗攻击和外部环境干扰等风险。

4.2 面向IoT应用的6G区块链

就IoT应用场景而言，6G区块链系统主要分为两类：一类是公有区块链系统；另一类则是私用区块链系统。其中公用型 blockchain 系统的核心特征在于任何人（包括个人和机构）都可以自由访问、提交交易记录并获得有效的验证机制。最具代表性的就是比特币与以太坊这两种数字货币平台在实际应用中的广泛推广与采用。而私用 blockchain 系统则仅面向特定组织或个人开放，并由相关机构掌握对系统的访问权限。这种类型的应用场景主要包括两个方面：一是用于验证公共 blockchain 的基本功能；二是为企业内部进行审计管理提供支持。

由于区块链技术因其具有去中心化特征、高度可靠性和不可篡改性等显著优势，在面向IoT的6G生态系统中展现出广泛的应用潜力。例如，在研究文献[15]中，则展示了如何利用区块链技术的去中心化特性和不可篡改性来构建一种基于IoT环境的安全资源接入控制机制，并有效保障了用户隐私权的安全。在6G无人机应用领域，则研究文献[16]提出了一种基于区块链技术的安全自动化通信系统架构：在该系统中，无人机不仅承担着与地面基站通信载体的角色，在线用户与网络操作者均可通过系统提供的透明日志表实现数据的安全交换与共享机制设计，并在此基础上提升了任务执行效率。此外，在6G智能健康领域，则研究文献[17]提出了一个基于IoT平台的区块链康复系统设计方案：该方案通过区块链技术建立了一个无需第三方信任的康复信任体系，并在此基础上降低了相应的康复费用水平。

5 结 语

浅层次的IoT连接时代即将到来的尽头，在未来将会由6G技术来完成对复杂物联网网络的搭建，并在此基础上实现智能与泛在连接的人类共同体的构建。

首先，本文探讨了当前物联网网络的应用需求以及针对物联网应用的6G技术研究意义。其次，阐述了针对物联网应用的6G技术的技术优势。最后，重点分析了物联网应用中具有较大发展潜力的边缘智能技术和三种类型的候选方案：即海陆空天一体化通信系统和区块链技术和边缘智能协同优化方案。

总体而言，目前针对物联网网络的6G技术研发相对不足，在相关技术体系和手段尚不完善的情况下，整体研究仍处于初期探索阶段。不容忽视的是，在物联网网络的应用与发展领域中，6G技术将会发挥着至关重要的作用。
坚信研究者们将紧密跟随信息技术发展的前沿动态，在攻克关键技术的过程中不断突破自我，在推动我国物联网应用领域的6G技术和产业化发展方面取得显著进展。