中国信科陈山枝谈6G的三大挑战与三大突破

6G到底应该是什么？进而，6G必须要有哪些突破？再进而，6G将会有哪些独特标志及其核心技术是什么？相应地，最新取得了哪些重大突破？对于这些全球高度关注的热点方向，IEEE Fellow，中国信息通信科技集团有限公司副总经理、总工程师、科技委主任，无线移动通信全国重点实验室主任陈山枝博士在上海MWC大会 “6G愿景及关键推动力”专题会议上，作了最新深度、精彩阐释，5G公众号观察到获得了在场全球业内大咖以及资深专业人士的高度点赞。

6G到底应该是什么？

笔者观察到，业内提及6G时，基本上讨论的都是2030年及其以后的新需求，而陈山枝博士在业内首次系统性地提出6G除了要解决2030年及其以后的新需求，更要解决5G的行业应用挑战问题。

在央地的大力支持、通信行业产业链上下游的共同努力下，我国在5G技术、产业、应用、市场方面持续取得全球引领，截至4月末，5G行业应用案例累计超过5万个，5G应用融入97个国民经济大类中的60个。

在5G与云、AI等融合赋能下，我国全社会的信息化和数字化步伐不断快速加大，经济发展和社会治理的质量和效率得到大幅提升。2022年我国5G直接带动经济总产出1.45万亿元，间接带动总产出约3.49万亿元，间接带动经济增加值约1.27万亿元（中国信通院测算数据），发挥出巨大效益，成为拉动经济增长的重要引擎。

另一方面随着5G商业化逐渐走入“深水区”，业界也普遍发现了5G赋能行业数智化转型的一些痛点和难点，5G公众号观察到主要表现为5G基本尚未进入行业核心生产环节，还没有打开toB市场规模性、价值型的空间，改变社会基本形态的行业智能化尚未达到社会期待的基本水平。

当然，我们深信，我国在5GtoB突破方面有望实现超越，同时通过在5G-A全球领先的能力，结合国内市场的行业资源与OT技术优势，将在工业、能源、交通领域不断实现价值型突破和全球引领。

然而，上述潜在的突破仅能在5G的范围内尽可能实现，而行业应用的“分散性”已经“命中注定”般地决定了5G无法“一蹴而就”、“一劳永逸”地解决行业万物互联/智联这一“史诗级”难题。对于5G面临的这一“结构性”挑战，笔者注意到陈山枝博士将其非常形象地形容为“移动通信代际演进‘首次’进入行业应用的‘成长烦恼’”，这一形容，在现场的业内大咖和资深专家有着深深的共鸣。

陈山枝博士进一步阐释，行业应用的“分散性”一共带来了三大挑战，而这些挑战在5G时代均无法得到解决或者得到很好解决。

01

第一大挑战是，受限于地面移动通信建网经济性和商业模式等，到目前移动通信网络（含4G和5G）仅能覆盖约20%的陆地面积（仅占地球表面积的约6%），且主要是经济发达、人口密集的陆地区域，流量也主要分布于室内区域（约占80%），室外流量仅占约20%。5G网络的覆盖优势仅对于在接入点密集的陆地适用。然而垂直行业的广域稀疏覆盖与人口密度和经济发展程度不一定正相关，万物互联的巨大需求将更多地来源于各行各业在海洋、空间、山川、森林、沙漠、偏远地区等的稀疏接入和数智化。这是一大不可调和的矛盾。

02

第二大挑战是，万物互联仅是手段，推动生产效率、产品质量和竞争力的提升才是行业/企业信息化的目的。基于5G与其他ICT技术融合的“有用的物联”要想成为行业中不可分割的核心生产要素，必须采取“定制化设计、按需服务”的模式，5G虽然通过网络能力提升、产品和解决方案定制有可能满足一些/少数个性化需求，但是时间成本和经济成本很高，而且很难具备可复制性，难以规模推广。

03

第三大挑战是，行业信息化是行业生产要素的信息获取、传输、处理、反馈控制与智能生产的一体化，5G仅是其中一环。5G能否成为行业信息化的基础设施，取决于能否与行业深度融合，共同建立技术链、应用链和生态链。任何一个规模化行业要实现万物智联都取决于上述三链的巨大进步，但是跨界融合应用下，互为关联的系统要素很多，“无缝”关联起来就非常的复杂，三链的发展就将会很漫长，在5G时代或许可取得长足进步，但离目标仍将相当遥远。

听了陈山枝博士的精彩报告，5G公众号深感移动通信从“连接任何人”到“连接任何人与物”的愿景跃升，虽然增加一个字显得很轻松，但愿景的最终实现却将是异常艰巨且漫长的，面向新需求，需要不断地开拓新技术、新业务、新模式并建立新的生态链，需要更多代技术与应用的变革，所以5G的重大意义就不仅仅局限于“在各代移动通信中第一次把重点转向对垂直行业市场需求的支持”，更在于敲开垂直行业市场的大门，入局简单、低阶的场景并实现突破，戒骄戒躁，一步一个脚印，打好长期探索与开拓的“持久战”，探好路、造好势、展示出移动通信巨系统助力行业的坚定决心及不凡能力、展现好移动通信赋能行业的巨大可挖掘潜力，以此蓄势，待到6G时代“一飞冲天”释放toB更大价值。

所以我们可以看到，陈山枝博士指出5G将为行业应用奠定一定的基础，同时给6G带来更广阔和更有前景的应用。他进一步提出，6G要解决好5G时代由行业应用“分散性”带来的无法解决或不能很好解决的广域稀疏覆盖、灵活定制需求、跨界融合应用这三大难题。

这就是陈山枝博士对“6G到底应该是什么？”的精彩回答之一。

当然，未来的2030年及其以后，还将有很多我们目前预测不到的新需求需要届时的6G系统去解决。那么这样的6G将是什么呢？陈山枝博士阐释，6G以“全域覆盖，场景智联”为愿景，在5G发展的基础上得到进一步的升级和拓展，形成既有广度、又有深度的多层立体覆盖，以及多网络融合的智能泛在网络体系，构建人类社会和物理世界紧密连接的网络空间，实现全域深度覆盖，服务场景智慧互联，完成由万物互联到万物智联的跃迁——面向人实现生物世界（触觉、视觉、听觉及情感等）与虚拟世界（元宇宙）深度交互，面向物/机实现物理世界及其数字孪生的及时更新与交互，全面支撑2030年代智慧生活、智慧行业的高质量发展。

6G必须要有哪些突破？

解决了“到底何为6G”的问题，须在6G实现的突破，就有了明晰的方向。陈山枝博士指出，6G须实现三大突破。

016G要突破从1G到5G的传统陆地移动通信系统

突破传统的陆地移动通信系统，5G公众号回顾，业界此前在讨论3G标准和4G标准时都曾提出过发展天地一体化通信系统以扩展覆盖范围，但均未实现，因为在当时无法实现，而根因是当时不具备进行这种移动通信体系结构重大变革的驱动力——迫切的市场应用需求、变革所需的技术经济能力。

从上文看，5G也没有进行上述的架构重大变革。但是从陈山枝博士所分析的看来，驱动力已经很明显了。

第一需求侧是，面向2030年及未来，航空、渔业、林业、能源、环保、应急、户外、军事等重要行业/领域对于实现空间、海洋、山川、森林、沙漠、偏远地区等的基础设施数智化的稀疏无线接入，需求甚为强劲。

第二供给侧是，随着集成电路、软件、AI、移动通信、卫星通信、卫星制造与发射技术的高速发展，以及信息通信技术的深度融合，通信网络开始走向软件化、智能化、天地一体化，移动通信体系结构重大变革所需的技术经济条件正快速走向成熟。

由此，6G将能突破从1G到5G的传统陆地移动通信系统，实现移动通信体系结构的重大变革。

026G要突破从1G到5G的传统的传统蜂窝通信架构

6G要达到的移动通信“极端”，从陈山枝博士的报告看来，除了上述的“广域全域覆盖”，还有“极致体验”。就是要解决在移动通信体系结构在重大变革后提供极致体验的问题。

ToB方面，基于5G在垂直行业应用的深厚积累，6G将进一步朝着数字孪生、高级智能体联网、上行超大视频更广阔的特殊行业应用领域拓展，由此6G服务小区和其相关部署组网必将体现出异构化、定制化、轻量化和本地化等特征，从而“去蜂窝化”述求将会很强烈。

ToC方面，6G需要满足元宇宙、虚拟现实等业务需求，为用户提供极致通信体验，此处“极致”包括“泛在”——无论是在小区中心抑或在小区边缘，频繁小区切换亦不会造成业务中断。然而，为提升系统容量以及向高频段扩展，5G时代随着蜂窝小区持续致密化，小区间干扰和频繁越区切换等问题将愈发严重，用户在小区边缘处以及在切换时的性能由此会显著下降，面向商城、车站、体育场馆、写字楼、密集住宅、密集街区、大学校园、景区、大型集会、地铁、医院、工厂数字孪生等场景的6G超密集无线接入网若继续沿用蜂窝架构，将无法保障用户极致体验。

而从技术进步来看，“全频谱”下的6G无线网，一方面，服务小区必将以更窄的波束（亚太赫兹甚至太赫兹）和光束（可见光频段）形式体现，服务指向性更强更准；另一方面，通过波束赋型可以减少干扰，且无线侧引入AI甚至AI原生后实现网络系统多维度联合优化不但能提升干扰预测及控制能力还可提升基站/无线接入节点（AP）间协同能力。

上述的6G极致体验需求挑战以及技术进步，共同驱动6G无线“去蜂窝”，转向以用户为中心的网络架构。“去蜂窝”就是取消传统蜂窝系统中以基站为中心的小区概念，代之以大量随机分布的AP在相同的时频资源相互协作和多天线增益为同一终端服务，使得终端突破了小区边界的束缚，感觉到好像有一个网络一直跟随自己移动，实现“以用户为中心”的电波覆盖、信号处理和资源管理等，具有可观的宏分集和覆盖率、极高的信道容量和链路可靠性，频繁越区切换和边缘覆盖率差将不复存在，在全区域提供均匀、稳定、可靠的用户服务质量。

当然，未来ToB和ToC对于6G都有“强安全”的诉求，5G公众号认为“去蜂窝”的理念和技术手段将能更好地满足用户按需的物理/逻辑隔离性、连接可信性、隐私性等安全需求。

036G要突破从1G到5G只提供通信服务

从上述第二大要实现的6G突破看来，去管道化、轻量化是6G网络的必然趋势，从而6G无线接入网必然是一个以用户为中心的网络，而且原生AI于其中将起到不可或缺之作用。

再进一步细看，上文第②部分所述的原生AI之于实现“以用户为中心的网络”的不可或缺之作用，将是实现对用户业务场景和需求的感知、对用户的定位并基于定位结果做出用户移动性/路线预测，从而在感知、定位的基础之上，进行6G全频谱无线网络资源高效智能调配，“按需”（带宽、移动性等）提供以该用户为中心的无线资源和网络服务，智能构建用户为中心的无线网络架构，因而用户感受不到因网络部署等情况造成的业务体验变化，获得了体验始终一致的服务。

可见在上述过程中，需要智能地调配所需要的感知能力、定位能力和算力能力。从而6G要突破从1G到5G只提供通信服务，还须提供感知服务和定位服务。所以我们还可以看到陈山枝博士在报告中提及“同时6G的超大算力、孪生平台等能力，将加快数字孪生和虚拟世界的发展”。

6G将会有哪些独特标志？中国信科陈山枝博士及其团队成果很好地体现在了ITU的6G愿景文件之中分析到此处，5G公众号深感未来在实现陈山枝博士所论述的“6G三大突破”后，系统能力将得到质的飞跃提升，应用场景将得到极大程度乃至可谓“无限”的丰富，从而6G将能更好地服务于产业升级、社会治理和智慧生活等千行百业的需求。

而要实现“6G三大突破”（从陆地覆盖到全域覆盖、从通信到通信与感知融合、从蜂窝小区架构到去蜂窝架构），就需要采取相应的手段，从而就有了相应的“6G三大标志”——星地融合、以用户为中心的弹性可定制网络、通信与感知融合。

ITU-R刚刚完成了面向IMT-2030（6G）的愿景建议，场景方面，在IMT-2020（5G）“铁三角”（eM、URLLC、mMTC）的基础上，IMT-2030（6G）延伸拓展出了一个六边形，对应6G的六大场景——泛在连接，这需要实现陈山枝博士所述的星地融合突破。

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第二类是通信增强扩展场景，包括沉浸式通信、超大规模连接、超可靠低时延通信，对ITU 6G愿景中IMT-2030（6G）的数据速率、区域流量容量、连接密度、时延和可靠性等能力要求很高，这需要变革无线网架构、扩展服务维度，陈山枝博士所述的三大突破都正是很好的方向。

第三类是业务扩展新增场景，包括通信感知融合、通信智能融合，正好，陈山枝博士所述的通信与感知融合（涉及原生AI）突破可赋能这两大场景。

ITU 6G愿景之发布，意味着全球6G愿景的达成，此里程碑开启了6G标准化之旅。在6G愿景和技术方面，自2019年以来，中国信科及旗下中信科移动一直在开展大量深入的研究工作，紧密围绕“6G三大标志”展开全力攻关，面向提升覆盖研究星地融合通信、面向提升容量研究无线与网络架构、面向提升谱效/能效研究超大规模天线和智能超表面、面向连接场景研究通感融合/通智融合/高精度定位、面向内生安全研究自适应网络安全架构等，不断取得可喜的阶段性成果，连续四年发布年度“全域覆盖，场景智联”6G系列白皮书，为全球一致6G愿景的形成及面向后续6G标准化的前期核心技术储备作出了重要贡献。

取得一系列重大突破性成果

对于上述的“6G三大突破”方向，中国信科及旗下中信科移动分别均取得了不少重要的突破性成果。

突破6G星地融合通信

陈山枝博士表示，6G将实现全域覆盖，支持任何人和任何物在任何时间、任何地点及空间通过地面通信或卫星通信按需接入，并在两者之间无感知的切换与漫游，实现人机物场景智联及沉浸式交互体验。

由此可以想见，星地融合通信将使移动通信体系结构重大变革，将无法一蹴而就，是我国再次引领6G发展的一个历史性机遇。技术路径上，陈山枝博士从2018年开始就建议，星地融合应该以“5G兼容、6G融合”来推进。其于2020年6月在《电信科学》发表的《关于低轨卫星通信的分析及我国的发展建议》由于对我国在加快发展低轨卫星通信时面临的技术路径和产业路径选择问题以及如何发挥我国在商业航天、5G移动通信和集成电路产业的综合优势的独到深刻思考以及切合实际且具战略远见的建议获得了业界极大认可。于2020年12月在China Communications发表的“System Integration of Terrestrial Mobile Communication and Satellite Communication——The Trends, Challenges and Key Technologies in B5G and 6G”首次指出了星地融合融合两个发展阶段的趋势——与5G兼容和在6G内融合，在分析两个阶段面临的挑战的基础上，详细分析关键技术（包括在3GPP中讨论的B5G空口以及面向未来 6G的新型网络架构和相关传输技术）。

核心技术探索上，陈山枝博士及其团队持续取得重要成果并获得广泛高度认可，比如影响因子高达12.9的通信领域顶级刊物《IEEE无线通信》2020年4月刊发的“Vision, Requirements, and Technology Trend of 6G ---- How to Tackle the Challenges of System Coverage Capacity, User Data-rate and Movement Speed”（陈山枝博士为第一作者和通信作者）一文对6G进行了全面的讨论，涵盖了愿景和需求、技术趋势和挑战，以解决移动通信系统的覆盖（基于星地融合的全球及深度覆盖）、容量、用户数据速率和终端移动速度的挑战，截至2023年7月1日谷歌学术被引高达430次，很早就获“ESI高被引论文”（排名前1%的顶尖论文）；此外中国工程院院刊主刊“Engineering”邀请陈山枝博士及其团队撰写“Dual Iconic Features and Key Enabling Technologies for 6G”。

核心技术研究和国际标准制定上，中国信科陈山枝博士及其团队为全球星地融合核心技术的发展贡献了中国力量，于星地融合的网络架构、空口传输、组网方式以及频率管理四大关键方面不断实现核心技术突破。在2023年3月ITU-T SG13全会上，陈山枝博士团队牵头和主导制定的2项星地融合国际标准获批结项，实现了星地融合通信关键技术在标准化方面的突破，为星地融合通信的技术研究和标准体系构建奠定了坚实基础，标志着中国信科在星地融合“5G兼容、6G融合”取得的又一重大成果。

突破以用户为中心智能接入网架构

以用户为中心的网络在架构上的重要特点，是控制平面和用户平面的解耦以及上下行解耦，从而在降低部署成本、提高网络覆盖范围、提升谱效和能效等方面具有显著优势。但是由于突破了传统的蜂窝架构，其在移动性管理、用户接入、资源管理、无线节点（AP）管理等就不再适用，存在诸多痛点和难点，需要重新研究。

我们观察到陈山枝博士及其团队在这方面同样有着深厚的研究积累，早在数年前就提出了以用户为中心的超密集网络（UDNN）架构，指出了UDNN的挑战，并提出了移动管理、资源管理、干扰控制、安全控制的新方法，指出这些功能需要被联合设计和同步优化以保证系统整体可以保证系统在资源利用、用户体验、功耗上性能优异。相关成果被《IEEE无线通信》在2016年4月以“User-Centric Ultra-Dense Networks (UUDN)for 5G: Challenges, Methodologies and Directions”一文刊发，持续产生高价值效应——截至2023年7月1日谷歌学术被引高达368次，很早就获“ESI高被引论文”。

最近又有新的重大进展。影响因子高达9.3的业内顶级刊物《IEEE网络》已录用陈山枝博士及其团队撰写的《User-Centric Access Network (UCAN) for 6G: Motivation, Concept, Challenges and Key Technologies》（Early Access），提出了以用户为中心的弹性可定制网络，其可充分发挥分布式超大规模天线传输技术优势，解决分布式架构下用户接入和连接管理难题，实现智能化动态网络节点管理，保证用户QoS要求及网络传输质量和业务服务均匀。

突破通信感知融合关键技术

在助力6G突破“从1G到5G只提供通信服务”方面，同样已经走得很扎实。从陈山枝博士在报告中的介绍看来，中国信科及旗下中信科移动对环境感知与辅助通信技术、基于蜂窝架构的协作感知、大时空尺度资源调度的具体方法进行深入研究并持续形成技术突破，确保无线频谱利用率的有效提升，不断为解决通感空口融合于技术突破、硬件实现和标准化方面面临的诸多挑战作出重要贡献。

突破RIS新型大规模天线传输

虽然此前业界的众多测试结果表明智能超表面（RIS）对于提升移动通信系统的性能有显著效果，但是要实现在实际工程应用中落地仍存在诸多挑战。中信科移动在2023年4月重磅发布的基于RIS的新型大规模天线传输系统，是向解决上述挑战迈出的令业界惊喜的重要一步。

该系统在业界首次实现了RIS作为基站发射机场景下的多流波束赋形高效数据传输，首次实现RIS天线阵列高效传输，达到业界领先水平，为解决6G超大规模天线技术性能提升、功耗降低等技术挑战以及天线阵列体积、重量、复杂度、成本等工程化难题提出了新的技术路线，也为未来大规模天线系统的低成本、低功耗与轻量化发展指引了新的技术方向。

成功完成6G关键技术试验

从陈山枝博士所介绍的看来，中国信科及旗下中信科移动积极开展6G愿景、需求、能力与关键技术的系列研究工作，在6G星地融合通信、以用户为中心智能接入网架构、通信感知融合关键技术、RIS新型大规模天线传输等关键技术上实现一系列重大突破性成果，同时顺利完成IMT-2030（6G）推进组组织的2022年度6G关键技术验证，智能超表面、通信感知一体化、分布式自治网络、算力网络等关键技术得到了全面验证。

实现“空天地海一体化”全连接的美好图景

面向未来，6G将实现6G地面基站和地面光通信构成的地基网络，与6G卫星基站和星间光链路构成的天基网络，以及海底光缆通信网络三大基本子网通过星间链路、测控链路、馈电链路等实现空天地海一体化有机全面联通。

进一步通过网络管理系统、运营支撑系统和信关站、测控站，及信令、业务网管的联合作用，可以满足天空用户、空基用户、海基用户和地基用户的全方位覆盖和业务需求。通过对网络架构和高效传输技术、移动性管理技术等关键技术的研究，空天地海一体化网络将实现包括业务、体制、架构、空口、终端和系统的全方位融合，满足6G网络的智能、极简和按需定制的要求，最终实现Tbps级别峰值速率、Gbps级别用户体验速率、超低用户面时延、流量密度10-1000倍提升、连接数密度10-1000倍提升。

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