北美6G目标及关键技术

基于通信与传感技术的进步、通信与计算深度融合的新趋势、更高的硬件密度与数据吞吐量目标以及借助自动化与原生AI实现更快捷决策等因素共同作用下，
6G标志着一种新范式的出现。
在元宇宙相关技术（如增强现实XR、全息通信等）以及服务机器人等应用领域，
6G将带来对无线网络数据速率、容量、时延、谱效、可靠性、移动性覆盖范围连接密度及能源效率等方面更为严格的技术挑战，
相较于5G无线网络，
这些方面的需求将会更加苛刻。

到本世纪末，在从研究到商业化这一完整周期内（参见图1），北美将在多个行业、政府机构与学术界之间建立更加紧密的合作关系；同时构建一个强大的生态系统（Ecosystem），通过创新的应用程序与技术实现社会数字化转型；最后实现对先进技术和设备所有权的全面掌控并推动6G愿景的达成。北美6G联盟已制定了六个关键方向（参考图2），这些方向聚焦于未来全球标准制定、技术部署优化、产品创新、运营效率提升以及服务保障能力建设等最优先关注的领域。这些核心方向均综合考量了整个北美地区的社会发展需求以及该地区在全球范围内的技术竞争优势

图1 Next G Alliance六大目标

北美6G联盟于2022年2月发布《Next G Alliance Report: Roadmap to 6G》报告,该报告明确了6G核心技术包含组件技术、无线电技术、系统与网络架构(SNA)、运营/管理/维护(OAM)/服务支持(SE)以及可信度等关键要素

一、组件技术半导体技术

硅与III-V型半导体被视为候选方案。随着SiGe与InP材料的进步有望实现超过1THz的频率性能水平。该电路系统及其组成部分涵盖了用于6G通信的收发器模块，包括前端放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）等关键组件；上转换器与下转换器；模拟基带处理器；数据转换芯片组；电源管理单元；以及所有6G频段所需的数字电路模块。为了满足未来需求，在新型接收-发送架构方案的基础上探索创新设计方法将至关重要——这些设计需特别关注CMOS型集成电路以及非CMOS型（如III-V型）材料中的新解决方案以实现高速率通信的同时兼顾更低的成本及更高的可持续性要求。此外还需要考察新型天线模块及其相关封装与测试方案——这些组件包括无源器件中的滤波器、电感、电容、匹配元件及调谐开关等关键子组件——它们必须紧密集成到相应的子组件或模组中才能满足未来6G技术标准的需求。对于这一目标而言评估新型封装技术和互连方案将是必要的步骤

二、无线电技术

1、能实现频谱扩展和谱效提升的6G无线技术

太赫兹/亚太赫兹：该频段中大量的可用千兆赫频率带宽将支持开发众多 sixth-generation ultra-high throughput capabilities的新应用。

5G主要采用毫米波无线技术。预计该技术在6G时代将进一步发展；通过提升波束赋型效率、实施动态波束跟踪以及构建低成本的毫米波密集组网网络等手段来增强覆盖范围、提升系统稳定性和扩大功能范围

③频谱共享：以缓解带宽可用性方面的限制。

高级MIMO技术：作为提升频谱效率的关键技术之一,MIMO在6G通信系统中,高端MIMO技术可能涵盖包括优化提升低频段性能在内的多项创新方向,其中大规模阵列、分布式架构、可重构智能反射面（RIS）以及基于全息原理的波束赋型技术和基于轨道角动量的新型调制方法均值得关注

⑤高级双工方案：全面采用的高阶双工技术将有助于显著提升6G网络中的系统性能指标

波形、编码、调制和多址接入：这些技术有望进一步发展其演进，在6G无线系统中显著提升覆盖率与数据传输速率，并带来频率效率（频效）、能效（功效）以及系统成本效率的提升

2、基于人工智能和分布式云的6G无线技术

人工智能和分布式云技术有望在6G通信系统中发挥关键作用：

AI原生之空口：人工智能能够无缝集成到6G网络的设计中，在与5G相比时可能带来性能提升的同时还能够降低运营成本。通过实时生成的大规模数据资源可支持AI驱动型6G空口的模型训练与测试工作。

在多端场景下的分布式架构与智能化接入能力：该研究其高效特性与协议设计，并在无线电信道条件不完善的情况下实现最佳通信性能。

3、绿色6G通信无线技术

“节能通信”是6G系统的一个关键目标。

绿色网络：绿色通信网络将涵盖时间域、频率域以及信道端口（Tx/Rx链路）的灵活动态适应，并通过提升功率放大器效率以及引入人工智能和机器学习技术辅助实现节能信号优化与改进相关的协议设计。

设备节电：The power-saving measures for devices incorporate a balance between power consumption and performance, coupled with joint power optimization across devices and base stations, as well as hierarchical power optimization across different layers.

零能耗通信技术将导致基站点或终端设备通过极低或净零能耗实现通信

超低分辨率通信系统：具备宽广带宽、高采样频率以及多数量天线的系统性采用低分辨率通信技术能够实现功耗与组件成本的优化

4、具有先进拓扑和网络的6G无线技术

为了实现6G预期下的多样化与集成型网络架构设计需求，在相关领域内必须开展网状网络体系、设备到设备通信机制、协作式信息传递模式以及非地面空间中设备间的高效连接方式等多个方面的深入研究工作。此外，在推动工业领域的6G应用方面还需要加强相关的无线电技术开发力度

5、通-感一体化（JCS）的6G无线技术

在新的商业与工业领域中，在智能家居、工厂以及城市等不同环境中运行的6G无线系统开始发挥着越来越重要的作用。对于交互式游戏来说，在汽车安全以及医疗保健等方面的应用中都体现出其关键性的作用。

无线感知与定位涵盖了丰富的功能与技术方案。这些方案不仅涵盖了基本测量如距离、角度及速度的测定，在图像识别与三维空间构建等高级级联功能方面也取得了显著进展。基于现有数据通信技术和资源的优化整合已成为提升无线感知与定位能力的关键路径。为了进一步推动这一领域的发展，在深入分析现有技术创新的基础上提出了6G网络架构中的智能感知系统（JCS）这一全新概念，并致力于通过创新技术和协作机制推动无线通信效率的提升

三、系统和网络体系架构（SNA）

相较于现有蜂窝网络架构，在6G时代将呈现出全新的网络拓扑结构，并能够满足多种应用场景的需求。这种新型拓扑设计不仅具备强大的承载能力，在应对复杂的通信需求时也展现出显著优势。此外，在未来可预期范围内这一技术还将扩展至卫星通信领域。
在网络适应性方面提出了更高的要求，在这种环境下分布式云计算体系需要实现对计算能力与数据存储的有效整合。
在6G架构中，
将计算能力和数据存储视为通信系统的资源，
并在此基础上构建起新的处理框架。
在这一过程中，
不仅要关注传统的通信问题，
还要重点解决请求处理与响应处理之间的计算关联问题。
通过这种紧密集成的方式，
可以在全球范围内的大规模系统中实现分布式云计算的目标。
除了传统的通信服务功能外，
在6G体系中，
计算平面与数据平面也将成为支撑体系的关键组成部分。
特别是在智能终端领域，
人机交互技术已经发展到一个新阶段：
从简单的操作指令升级到基于人工智能的复杂交互方案；
从基础的数据访问升级到智能化的数据分析；
从单一的功能拓展发展到多维度的服务优化；
从简单的设备控制升级到智能化的系统管理。

四、运营、管理、维护（OAM）和服务支持（SE）

用于支持自动化服务管理与协调、数据处理以及AI/ML内置的智能网络架构的服务管理/协调平台，在6G环境下将实现传统手动网络操作向固态零接触智能操作的转变。该技术允许人工智能功能可整合到网络架构设计中，并在涉及本地端到端人工智能的应用场景中发挥重要作用。在突发事件与灾害响应场景中，则可实现节点、设施及客户端的安全检测与定位，并通过安全代理服务确保地理定位精度的同时保障网络安全与用户体验质量（QoE）。通过促进组织间协作的因素（如同步、集成、可视化等），使能技术能够推动数字转型并创造新的增值服务机会。未来的研究重点应放在安全通信与分布式云服务等公共服务领域的共享基础编排器技术上；同时，在节能绿色网络领域需配备监控能源消耗工具以降低整体能耗水平，并通过零接触自动化解决方案提升能效运行效能。

五、可信度通信安全

6G系统的规划与实施必须针对后量子安全时代的发展动向做好应对措施。
现有的大多数公钥基础设施需逐步转向基于后量子密码学的技术。
除了将潜在威胁归因于这一领域外，
它还能够借助包括QKD在内的多种技术和QC方法来提升安全性。
系统的可靠性和可用性必须能够持续应对来自软件故障、硬件故障以及各种意外攻击或自然灾害的影响。
为了保障数据的安全性与隐私性，
研究者们正在探索保密计算与存储技术，
旨在解决在分布式云环境下访问、存储以及保护数据、算法以及专用人工智能模型的问题。
这些技术的应用可能涉及区块链网络、信任链机制以及构建安全环境等方法。