面向6G多载波多模态融合组网及关键技术探究

摘 要

【关键词】 6G；多载波；多模态组网；元小区；资源和服务动态编排

0 5G NR系统总体回顾

5G NR系统标准化之前的一段时间内业界已认识到：单纯追求网络KPI性能提升已不再是主要目标，在面对相关行业蓬勃发展的同时5G网络需要具备灵活高效的多样性支持能力。当时业界就统一形成了共识并提出了eMBB（Enhanced Mobile Broadband）URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication）以及mMTC（Massive Machine Type Communication）三大典型应用场景。这些不同场景对性能指标的要求存在明显差异例如虚拟现实领域更加注重时延与峰值速率但对网络连接密度与移动性则要求相对较低；物联网领域则更加重视可靠性连接密度与能耗指标但对峰值速率与移动性却要求不高。为了更好地支持这三大差异化应用场景5G NR系统在架构设计上引入了控制面与用户面分离核心网与接入网分离以及网络切片等技术手段使运营商能够在基础硬件设施上通过软件手段划分出多个独立的端到端网络每个切片都能满足特定业务需求从接入网到传输网再到核心网均实现了逻辑层面的独立分治以适应不同业务的具体需求同时5G NR系统还支持五个子载波间隔共254种上下行子帧配置并且原生地支持了CA（Carrier Aggregation）RAT制式双连接DC（Dual Connectivity）MR-DC（异RAT制式双连接）[3]以及SUL（Supplemental UL）[4]等功能显著提升了跨载波频段之间的联合互操作能力

尽管5G NR系统的设计在4G基础上实现了质的飞跃，在功能上也带来了大量新增的功能模块。然而，在总体架构上可以看出其设计理念主要围绕eMBB展开。值得注意的是，在这一框架下实施的URLLC与mMTC的功能是基于现有eMBB架构进行增删优化的尝试。然而这种调整却导致URLLC与mMTC核心负担过重，并且使得该技术难以适应除三大典型应用场景外的其他新增需求。

1 痛点弊端和发展需求趋势分析

本节将深入探讨传统多载波多频段组网技术的不足之处、行业发展现状以及其未来发展趋势与应用前景等方面

1.1 5G痛点弊端分析

从资源利用的角度出发，在应对不同场景需求时需要灵活运用多种载波与频段组合。尽管5G系统设计天然支持CA/DC/SUL等多载波技术[1]（注：此处应根据上下文补充具体定义），但CA与SUL之间存在一定程度的技术重叠性（注：此处应根据上下文补充具体定义），这在面对未来新型组网场景时会引入额外的协议复杂性（注：此处应根据上下文补充具体定义）。随着5G-A技术和未来6G网络引入更多新频段（如毫米波微波[5]）和更大带宽资源（注：此处应根据上下文补充具体定义），传统设计理念和技术模式已无法适应日益复杂的动态组网需求以及新型业务应用（注：此处应根据上下文补充具体定义）。例如，在To B场景下以机器视觉为代表的大上行传输需求下（注：此处应根据上下文补充具体定义），现有上行CA技术需进一步拓展和完善；在面对更大的网络节能需求时（注：此处应根据上下文补充具体定义），跨小区消息发送机制也需要相应优化；而在空天地一体化组网场景下（注：此处应根据上下文补充具体定义），还需要综合考虑MR-DC技术的提升空间[6]）。鉴于5G NR系统当初缺乏对多载波多频段智能融合组网的整体规划[7]（注：此处应根据上下文补充具体定义），上述各项技术优化措施将会给未来网络发展带来越来越多的技术更新与系统复杂性（注：此处应根据上下文补充具体定义）。

从服务端的角度出发，在现有标准中使用网络切片作为逻辑网络以支持不同类型业务时，默认情况下核心网可设置专用网元以支持切片功能。接入网则负责资源隔离与调度区分处理，并随着功能需求变化而产生影响：首先，在算力任务与智能任务发起者的业务流程及交互方式上存在差异——前者可能由非UE或核心网发起；其次，在具体业务流程上也会出现差异；第三，在交互方式上由传统的点对点变为多点交互模式。这些变化导致接入网络中的业务流程相应发生调整，在原有烟囱式架构设计中主要出发点在于高效利用无线空口资源，并非为了追求空口连接的灵活性与开放性。鉴于未来系统架构需满足数据面、智能面融合的新要求以及接口对接需求，在原有系统基础上内生地支持计算能力、智能计算、训练传输等功能成为必然趋势。

就开发运维而言，在实现5G系统内核时

1.2 5G-A发展新需求特征分析

针对5G-A时代潜在的新业务新场景，在频谱灵活使用领域，3CPP RAN1正在研究以下几项增强措施：在空闲状态下优化多载波系统消息发送方式，在下行锚点端仅部署系统消息；在连接状态下支持多载波的灵活配置——一个服务小区可支持多个载波池，在用户体验上避免辅载波搜索、时间和频率同步及RSRP测量等流程及延迟影响；通过智能化手段完善NWDAF（Network Data Analytics Function）的功能定义及其相关机制流程；进一步完善N2接口的服务化延伸——增加了接入网与核心网间的直接接口以及网络功能交互路径

5G-A已就新场景展开标准化规划,但受限于现有NR架构及由此带来的复杂性,全面变革仍具较大难度。6G接入网将全面整合资源与服务,并在此过程中寻求编排与开放的技术创新,将其作为基础架构的一部分,在设计时充分整合多载波融合技术以及灵活配置的服务组件

接下来本文将展望6G发展趋势、6G架构潜在特点以及关键技术。

1.3 6G时代融合趋势展望

（1）丰富的业务场景和极致的需求

6G时代的业务场景相较于5G时代将向更高频段发展，并将引入更多新增场景不断涌现。这些新场景包括全息通信业务（高吞吐量低时延）以及虚拟现实应用等新兴领域。此外，在工业互联网领域将实现超低时延与确定性指标的结合应用，并通过通感融合业务实现感知能力的显著提升（包括超可靠与超灵敏特性），同时兼顾安全隐私保护功能。普惠智能服务方面，则将在行业子网层面提供敏捷定制服务，并推动绿色低碳集约通信技术的发展。6G移动新网络不仅在数据功能与感知功能方面有所拓展，在智能功能与安全可信能力方面也将迎来全面升级[7-9]。相较于现有5G网络而言，6G还需要整合更多前沿技术和创新功能以满足复杂需求

（2）差异化定制化服务

基于第一点所涵盖的丰富业务场景，在6G时代网络发展过程中会出现两大核心方向：差异化发展与定制化服务[11]。由于用户需求、服务参数以及运行环境之间的复杂组合关系，在面对不同业务场景时必须具备灵活应变的能力；移动通信网系统则需要预留充足资源以应对各种可能出现的情况。

（3）绿色可持续

移动通信网络的投资呈逐年攀升趋势，在一定程度上影响了网络设备升级换代进程；与此同时绿色双碳战略已成为横亘在6G发展道路上的一道不可逾越的障碍。这一要求体现在6G需在降低运营成本方面取得突破并在可持续发展路径上实现创新同时需满足多系统兼容性需求。

（4）内生数字智能

6G网络面临的复杂多样需求功能与显著差异性使其学习成本与管理成本显著上升 这一情况阻碍了其在垂直行业中的推广 由此可见 网络自身数字化智能化是其发展的必然要求

2 面向6G多载波多频段新智能组网

2.1 新理念范式

鉴于前述5G-A与6G时代的融合发展新趋势与前景, 预计会呈现6G组网服务的新范式特征:

（1）网络性能空间从预设确定向自适应弹性转变

基于通感算智等新兴技术的融合与绿色可持续理念的基础上

（2）网络架构逐步呈现“柔融信智简”的特征

为了适应自适应弹性性能空间的需求, 6G系统架构必须从四个维度进行全面升级:多维度不确定性的支撑、新功能融合、内生智能发展以及整体安全优化.其中, 多维度不确定性的支撑主要聚焦于'多样化性和不确定性';而新功能融合则涉及通感算智等技术.

（3）网络架构范式从面向场景设计转变为面向组网的设计

"柔融"理念作为应对"易变性、不确定性、复杂性、模糊性"的有效方案，在提升系统灵活性的同时带来了高度复杂的问题。基于国家碳中和战略目标 对于网络架构而言 需要在简化与柔韧之间找到平衡点：不仅要支持灵活多样的场景配置 还需具备至简化的架构体系及协议栈设计。为了实现这一双重目标 6G网络体系必须具备以下六项核心特性：

系统采用资源池化与解耦机制，并根据终端类型自动匹配其所需业务功能，在实现资源共享的同时也便于系统的功能复用

系统中的功能采用服务组件化的模式进行划分，并将其分解为最小化的原子化组件，在零组合约束状态下的初始配置下具备灵活按需编排的能力。这种设计使得编排能够灵活应对多种使用场景的需求。

3）内生智能，智能“黑盒化”，降低系统复杂度。

4）基站功能配置需差异化：基站在配置上并非追求大而全的功能集合；而是通过明确的服务分工实现功能划分；从传输类型出发进行分类：一部分基站专注于数据传输服务；而另一些则专注于广播与信令发送；从业务场景角度划分：有些仅服务于垂直网络；有些则用于覆盖范围扩展；还有些专门用于提升承载容量；从功能定位来看：一些配备算力支持、AI算法以及资源编排与服务编排能力；还有一些则通过高度定制化设计满足特定业务需求。经过此类划分后可使极简型基站突出"简"的特点；多功能型基站则彰显"柔"的优势。

5）网络之间建立资源共享平台实现资源共享能力，并将网络能力作为服务提供者进行开放交易模式。一方面能够显著提高网络资源的利用效率；另一方面能够促进运营商在业务质量和经济效益方面取得双重提升。去除不必要的功能模块可以有效优化网络运行效率；通过功能编排为不同第三方用户提供定制化服务模式，并采取阶梯式收费策略有助于实现差异化运营的同时也能有效控制成本费用支出。

网络之间形成一个小型闭环生态系统，并以此实现行业的自主运营能力，在此过程中打造一套高质量且获得广泛认可的商业模式

这些关键特性不仅支持基站间通过组件原子化实现服务协作与资源共享，并且能够共享编排结果从而形成可交易化的生态系统，在架构设计上实现了由基于单一场景的规划转向基于组网单元的多级化构建（实现了从静态单一业务场景向动态多层次业务组合的转变）。

本文接下来将深入阐述上述理念的技术支撑体系：元小区模型设计与智能融合组网方案。其中元小区设计聚焦于基于资源优化配置和个性化服务方案的角度来探讨6G时代新型小区形态的发展方向；而智能融合组网则主要侧重于通过新型组网架构构建新的商业模式

2.2 元小区模型设计

如图1所示

（1）载波池

元小区内集成了多个通信载波构成承载库，在射频层面上实现多路共享机制；当系统处于高密度数据传输需求时，在射频域整合多路通信链路以满足终端接入要求；这种设计无需额外控制机制影响即可实现高效的资源分配；通过这种机制有效规避现有系统架构因引入辅助加载而产生的信号传输开销及管理维护负担；在多任务并行运行状态下，则可以根据不同业务类型选择最优匹配的承载特性；将深入探讨多路通信协同运行或动态分离的技术方案

载波级联：将多路射频信号进行聚合处理形成基带端口（聚合点设于射频）。射频层面对多路信号进行级联处理后，在基带端口处呈现合成后的虚拟连续载波。该合成大载波能够提供更大的连续频谱资源范围，在统一管理资源配置、调度安排以及反馈机制方面具有显著优势。与传统的CA技术相比，在射频层面实现信号聚合可有效减少高层信道间的控制信息量。

虚频部分（Bandwidth Part）：其区别在于，在前者中资源的整合点位于射频端而非基带端。在多频段场景下，同一小区内的一个虚频部分可能对应多个物理频段（physical BWP），其中每个对应的物理 BWP 负责一个特定的频段。虚频部分总宽度等于所有对应的物理 B WP宽度之总和。UE设备能够同时管理多个这样的虚频信道以实现多连接支持。小区内的所有物理信道及信号配置均基于该虚频部分处理，并结合相应的调度机制及资源分配策略实现高效的信道管理。

上下行载波灵活配置：一种实现小区无线资源优化管理的方法。该小区内设置有一个上行链路库和一个下行链路库。该小区内的无线接入点按照承载能力划分成若干个独立的分组单元，在该单元内设有多个独立的上行载波分组以及对应的下变频器设备；每个分组对应着一组完整的无线传输通道及相关的同步信息；类似地，在该单元内还设有多个独立的下行载波分组以及对应的下变频器设备；每个分组同样拥有完整的无线传输通道及相应的同步信息

（2）信道池

伴随着 XR 业务的增长发展，在这一领域内出现的各种新应用不断涌现。由于 XR 领域的应用日益丰富多样，在同一个数据流量中可能出现多种不同优先级及高传输需求的数据分流量。当多个不同性质的数据分流量需要在一个 TB 中发送时，则会导致无法充分满足各子流量之间的多样需求（因为它们都将使用相同的 MCS 进行编码）。这样一来，在接收端就很难保证每个原始数据分流量都能获得良好的时延保障或可靠性。

为区分不同QoS服务的数据流类型，在同一时间分片中同一用户协调管理多个传输块。每个传输块分别承载不同子业务的数据流，并采用独立信道池实现资源分配时隙分配策略，并结合动态MCS切换机制与智能频谱选择技术实现资源优化。对于关键业务流程则被赋予更高调度优先权；而对于高可靠性业务，则采用较低MCS配置并选择低干擾频段以确保稳定传输。

（3）组件池

将接入网功能划分为多个组件并整合到组件池中进行编排。该编排系统由三个层级构成：首先是行业级模块化配置中心作为基础管理平台；其次是面向特定业务的工作流配置中心；最后是针对个性化需求的定制化配置平台。其中行业级模块化配置中心主要供垂直行业使用，在更新周期较长的情况下应用广泛；而针对特定业务的工作流配置中心则会根据业务流程的不同特点建立相应的模版文件；针对个性化需求的定制化配置平台则会根据不同业务场景自动生成相应的模版文件并完成相关参数设置以实现精准服务。

（4）服务池

未来通信系统能够提供的各项服务范围广泛且具体，主要包括但不限于以下几类：系统消息服务、接入服务、寻呼类业务、移动性支持类功能以及相关的信令传输与数据处理等基础业务；同时还包括AI辅助感知技术和可信交易支持功能等特色业务类型。在这一过程中体现了 service pooling 的概念：即通过不同网络间的资源整合与开放共享机制，在统一管理平台下实现各类业务要素的有效配置与灵活调配；其中涉及的资源主要包括载波资源和信道资源，并且这些关键要素经过功能组件化处理后能够在同一个 service pool 中形成完整的功能集合；具体而言，在针对数据传输与控制信息/系统消息发送类型的服务进行设计时需要遵循以下基本原则：首先需完成对相关关键资源的选择；其次需实现 service 与其 supporting resources 的解耦关系建立；只有这样才能保证在底层关键 resource 发生变更时仍能维持传输过程中的连续性和按需控制能力；最后还需通过功能组件化的合理编排来实现对不同传输场景下的差异化处理效果；类似地，在构建新能力相关业务体系时也需要采用统一的技术架构框架——即 carrier-centric 和 component-based 的联合编排模式；这种架构模式能够支持不同业务类型采用多样化的 resource 配置策略以及灵活分配各自所需的信道集合和功能组件组合；值得注意的是引入元小区模型后，在未来的 network slicing 应用中不仅保留了原有 5G 网络切片中所具备的核心区分特性（如基于核心网的差异化调度机制），同时还在接入网层面上增加了新的功能维度——即为各个 network slice 提供更加精细粒度的支持能力；具体而言，在 5G 网络切片中主要体现为核心网层面的能力差异化设计；而在 6G 网络切片架构中则进一步强化了接入网层面对 slice 定制化能力的支持水平——这种改进使得各网络切片能够提供更多样化的功能配置选项，并且能够更好地满足未来通信技术发展的多样化需求

2.3 智能融合组网

传统网络和组网主要由专业的运营商运营和管理一种固定规划模式且相对封闭的静态结构，在功能上全面但在规划优化、运维管理等方面存在复杂性和耗时性问题。此外该方案还对工程师的专业技能要求较高且无法满足垂直行业家庭及用户需求精准匹配的需求同时涉及成本高能耗大的挑战。6G时代下的组网方案则需要一种基于增强功能的多模态生态架构其中运营商提供的基础层或元网络框架将被用于赋能垂直行业家庭及用户端设备构建更加灵活智能的网络架构以实现服务与技术融合的新模式

（1）开放多元化网络平台

开放多元化的网络平台侧重于赋能功能，在组网过程中主要体现为单元间的相互赋能。内部各单元拥有不同的功能特性，在传统观念下将整个网络视为一个整体进行耦合设计时会面临诸多局限性：首先这种模式下各单元的能力表现较为固定，在面对波动时仅能通过提高系统冗余度来抵消能力不足带来的影响；其次由于系统的规模较大导致成本高昂且难以适应外界需求的变化频率；最后当系统发生变化并转化为平台性质时能够实现更加灵活多样的资源整合机制：例如在接入边缘侧通过多频段协作可以让一个基站发送多个基站的系统消息从而延长休眠时间显著提升能效水平；同时还可以对现有功能架构进行优化重新分配资源如将控制面及高层功能集中配置至低频基站简化高频基站的功能仅保留基础数据传输能力从而有效降低运营成本并实现基站的快速部署能力即插即用等优势

（2）多模态网络架构

由多种载波与频段融合构成的组网架构设计中包含有大网型网络安全保障体系、垂直专用型网络安全保障体系、功能型专用型网络安全保障体系以及用户专用型网络安全保障体系四个基本单元组合模式

1）大网（X-Net, meta-cell）

基于元小区meta-cell模型的大规模网格架构的大网系统按照标准划分可支持多端口（B端/用户端C端）组网能力。在频谱维度上，则是囊括了中、高以及低频等多种载波资源，并对这些频率范围内的丰富资源进行精细划分与分配管理。从功能层面来看，则整合了基础功能模块以及专用功能模块，并提供了包括计算服务在内的智能化编排解决方案。这种设计充分考虑到了不同应用场景需求，在感知引擎的基础上进行了相应的参数配置与优化，并通过对外接口向第三方开放平台提供了透明的服务接口文档。对于具体的业务场景，在经过充分评估后会自动匹配最合适的网络架构方案并完成切片部署相关的生命周期管理

2）垂直网络（Vertical-Net）

垂直网络是一种将通信功能与业务需求高度融合的架构，在该架构下, 网络使用的通信协议栈、网元设备及资源配置均根据业务特征实现动态调整, 从而实现服务化运营目标, 满足"低碳至简"的技术追求；该类网络主要服务于大型政企客户, 与大网之间实现了功能性上的相对独立性, 可以采用不同于大网的技术方案进行规划、演进及运行管理（如核心网可采用6G技术, 物联网领域可采用5G技术等）。同时, 垂直网络并非孤立存在, 在必要时可通过接入大网提供的算力服务（如云计算服务）、数字孪生服务及AI模型训练服务来降低自身建设及运维成本；值得注意的是, 垂直网络与大网之间的频谱资源配置非常灵活, 支持异频组网模式（不同频率带宽）以及同频共享部署方式（同一频率下的多系统共存）, 可根据业务波动需求动态调配使用频谱资源

3）功能性网络（Lean-Net）

功能性网络通常采用低成本或节能设计，在实际应用中可实现即时接入并可动态开启的数据小区。该技术方案不包括广播服务或信令发送功能，在服务范围和数据传输性能方面则展现出显著优势。作为一种在运营商节能降耗方面占据主导地位的技术方案，在实际应用中主要侧重于提升数据传输效率与扩大覆盖范围的能力，并以实现低碳发展的目标为核心理念

功能性网络可被视为大网的一个有益补充, 其既可以作为低成本型基站使用又可采用节能型设计, 同时具备即时接入与灵活启动的能力。其中的广播及signaling功能均可移交给主干网处理, 仅负责数据增强或扩大覆盖范围的服务。功能性网络基站可以仅支持上行数据传输, 或者结合主干网双向通信, 甚至可以选择不对等配置上下行链路, 在需要时与主干网协同工作以提升性能, 在不需要时则可关闭联结以节省资源。相较于传统方案具有更低的成本及能耗水平, 同时又具备易于管理和优化的特点, 将成为运营商实现节能降耗的核心选择, 同样符合"低碳至简"的发展理念

4）用户网络（User-Net）

由相互连接的用户所构成的网络通过轻量化组网策略实现多端点连接此类架构具有易于部署的特点可应用于如办公室或家庭等私有场所同时也可以设计成参与者型网络这种模式特别适合于 outdoor环境或紧急事件响应场景在现有网络安全架构下参与者间的互不信任状态可以通过区块链技术来解决具体而言所有参与方将共同维护一个统一的数据库并通过智能合约机制确保交易流程的安全性在这种情况下各参与方不仅可以进行基础通信还可以实现资源中继并可在服务提供方之间自由兑换感知计算等各类能力

图3展示了大网架构及其在垂直方向上的延伸布局：基于meta-cell小区模型的大网架构具备感知能力的同时具备智能化水平，并支持资源与组件的编排能力。该架构通过对外接口与垂直网络等其他各类网络建立连接，并能实现数据共享与协作功能，在提升服务质量的同时促进各类业务的发展。这种架构设计有助于构建开放的服务共享机制，并形成闭环小生态圈模式，在这种模式下用户可以获得独立的空间以满足个性化需求，并根据具体场景配置相应的参数设置从而打造真正受行业欢迎及认可的商业模式

3 总结和展望

本文对5G-NR的整体技术进行了系统梳理，并从资源分配、服务提供和组网模式三个方面探讨了其存在的痛点及未来5G-A发展所需满足的新需求。随着未来6G带来新的应用场景、业务类型及服务需求，在网络性能空间中实现了从固定预设到动态适应的变化。这种转变使新系统的独特特征得以显现——即通过灵活配置实现资源优化配置与智能服务集成能力的同时达到信道感知能力与网络资源高效利用的最佳平衡点。具体而言，在大网架构下可提供智能编排、感知优化及资源共享等高级服务功能；而垂直网络/功能性网络/用户网络则可直接继承并利用大网输出的结果来简化自身功能模块设计与实现流程。这种组网架构设计不仅在提升通信系统的灵活性方面表现突出，在低碳节能目标实现方面也展现出显著优势；此外还具备高度扩展性特点——可以在任意场景下灵活应用以满足复杂多变的实际需求

综上所述，在多载波多频段智能融合组网研究方面有一种适应未来应用需求的技术。其应用领域十分广泛，并且未来需要持续致力于研究提升与优化工作。