面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的6G技術(shù)

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IoT)相關(guān)技術(shù)日趨成熟，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從個(gè)人穿戴、車聯(lián)網(wǎng)智慧交通系統(tǒng)、醫(yī)療服務(wù)到金融行業(yè)等各行各業(yè)都有物聯(lián)網(wǎng)及其垂直行業(yè)應(yīng)用的身影。因此，IoT網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究和應(yīng)用越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的青睞，IoT網(wǎng)絡(luò)勢(shì)必在未來(lái)的信息與通信技術(shù)中扮演不可或缺的角色。雖然5G技術(shù)目前也得到了快速發(fā)展，商用規(guī)模不斷擴(kuò)大，但是隨著智能化設(shè)備數(shù)量的井噴式增長(zhǎng)和IoT網(wǎng)絡(luò)的快速擴(kuò)展，5G相關(guān)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)不能完全滿足IoT網(wǎng)絡(luò)持續(xù)增長(zhǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，例如自動(dòng)化控制、超大型規(guī)模集成化、高動(dòng)態(tài)和全智能化服務(wù)等領(lǐng)域的要求。在不久的將來(lái)，快速增長(zhǎng)的自動(dòng)化和智能化IoT網(wǎng)絡(luò)的性能需求很有可能超過(guò)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的最大承載量。與此同時(shí)，新型IoT服務(wù)和應(yīng)用的出現(xiàn)，例如遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)、載人飛行器、無(wú)人機(jī)農(nóng)業(yè)等，需要持續(xù)增長(zhǎng)的服務(wù)質(zhì)量和規(guī)?；纳虡I(yè)應(yīng)用，也為當(dāng)前的5G技術(shù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。隨著我國(guó)在基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)層面的不斷強(qiáng)化投入，移動(dòng)通信技術(shù)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。尤其在5G時(shí)代，我國(guó)率先布局，在多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)上取得了重要突破，已經(jīng)初步建成了全球最大規(guī)模的5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。在5G落后于我國(guó)的日本、韓國(guó)、美國(guó)、芬蘭等國(guó)對(duì)6G技術(shù)格外重視，希望能夠借助6G實(shí)現(xiàn)技術(shù)反超。尤其是美國(guó)，目前已經(jīng)在6G技術(shù)創(chuàng)新方面進(jìn)行了提前布局，并占據(jù)了軌道位置、衛(wèi)星位置、衛(wèi)星頻率等有限通信資源，這會(huì)讓其在6G技術(shù)的大國(guó)博弈中更有優(yōu)勢(shì)。因此，我國(guó)絕不能掉以輕心，針對(duì)6G技術(shù)的研究工作可能為我國(guó)提供一種快速發(fā)展的技術(shù)途徑。盡管當(dāng)前我國(guó)關(guān)于6G技術(shù)的研究課題很多，但是總體來(lái)說(shuō)，關(guān)于6G的技術(shù)研究仍處于探索起步階段，技術(shù)路線尚不明確，關(guān)鍵指標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)景還未有統(tǒng)一的定義，尤其是面向IoT應(yīng)用的6G技術(shù)研究更是少之又少。在已公開的論文和課題研究中，針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、星聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等方面的研究仍然比較匱乏?；谏鲜霰尘?，筆者展開了面向IoT應(yīng)用的6G技術(shù)研究工作。6G及其相關(guān)技術(shù)由于可以提供“無(wú)處不在的無(wú)線智能”服務(wù)，受到越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)和科研人員的熱切關(guān)注。對(duì)比5G技術(shù)，6G技術(shù)具備超低時(shí)延通信、超高吞吐量、基于衛(wèi)星的用戶服務(wù)、大規(guī)模自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)等非凡特性。毫無(wú)疑問(wèn)，這些特性將加速IoT網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)感知、設(shè)備連接、無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)管理等領(lǐng)域的應(yīng)用部署，并為用戶提供非同尋常的全新服務(wù)體驗(yàn)。因此，本文從6G的技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)出發(fā)，以促使IoT網(wǎng)絡(luò)能夠更好地發(fā)展為目的，對(duì)邊緣智能、海陸空天一體化通信以及區(qū)塊鏈這3種能夠促進(jìn)IoT網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的6G候選技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究介紹。16G技術(shù)應(yīng)用1.16G的定義6G技術(shù)，即第六代移動(dòng)通信技術(shù)，當(dāng)前屬于一個(gè)概念性的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信技術(shù)。與5G技術(shù)相比，6G網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)地面無(wú)線與衛(wèi)星通信集成的全連接世界。通過(guò)將衛(wèi)星通信整合到6G移動(dòng)通信，可以實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋。6G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)能夠抵達(dá)任何一個(gè)偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村，讓身處山區(qū)的病人能夠接受遠(yuǎn)程醫(yī)療，讓孩子接受遠(yuǎn)程教育。此外，在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、電信衛(wèi)星系統(tǒng)、地球圖像衛(wèi)星系統(tǒng)和6G地面網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動(dòng)支持下，海陸空天全覆蓋網(wǎng)絡(luò)還能幫助人類預(yù)測(cè)天氣、快速應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等。6G通信技術(shù)將不再是簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸速率的突破，更是縮小數(shù)字鴻溝，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)這一“終極目標(biāo)”的關(guān)鍵因素。對(duì)比5G技術(shù)，6G的數(shù)據(jù)傳輸速率可能達(dá)到5G的50倍，時(shí)延縮短到5G的十分之一，在峰值速率、時(shí)延、流量密度、連接數(shù)密度、移動(dòng)性、頻譜利用效率、定位能力等方面遠(yuǎn)優(yōu)于5G技術(shù)。1.26G的優(yōu)勢(shì)盡管5G技術(shù)已經(jīng)被證明可以提升服務(wù)質(zhì)量(Quality-of-Service，QoS)，但是5G的技術(shù)指標(biāo)將無(wú)法滿足2030年及以后IoT服務(wù)的技術(shù)需求。同時(shí)，由于近年來(lái)視頻應(yīng)用、視頻分辨率，以及機(jī)器互聯(lián)(machine-to-machnie，M2M)通信的流行推廣，移動(dòng)流量將呈指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)。據(jù)研究表明，對(duì)比2020年每月62EB全球移動(dòng)流量數(shù)據(jù)，在2030年，該數(shù)據(jù)將達(dá)到5016EB。當(dāng)前，視頻流量在所有移動(dòng)流量的占比已經(jīng)達(dá)到了2/3，且每年呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。6G在面向IoT的應(yīng)用上，許多性能指標(biāo)上強(qiáng)于5G?？偟膩?lái)說(shuō)，6G在IoT網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方面，主要在以下4個(gè)方面體現(xiàn)了突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：(1)高達(dá)1Tbit/s的高數(shù)據(jù)速率，可以同時(shí)滿足大規(guī)模IoT網(wǎng)絡(luò)連接在無(wú)縫移動(dòng)性、頻譜有效性以及移動(dòng)流量等方面的需求。(2)高達(dá)1Gbit/s/m2的移動(dòng)流量密度，可滿足高吞吐量需求和IoT設(shè)備部署密度的應(yīng)用需求。(3)極高的設(shè)備連接密度，可達(dá)到107個(gè)/km2，滿足大規(guī)模IoT網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的部署要求。(4)低時(shí)延可達(dá)10~100μs，完全滿足觸覺(jué)應(yīng)用需求，例如自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程手術(shù)等。2邊緣智能2.1邊緣智能技術(shù)在智能6G系統(tǒng)時(shí)代，由于邊緣節(jié)點(diǎn)強(qiáng)大的計(jì)算能力，人工智能(ArtificialIntelligence，AI)應(yīng)用趨向于向網(wǎng)絡(luò)邊界發(fā)展。在此背景下，邊緣智能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，被認(rèn)為是AI、通信以及邊緣計(jì)算等技術(shù)的交叉融合。具體來(lái)說(shuō)，邊緣智能是指終端智能，它是融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開放平臺(tái)，并提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。邊緣智能的資源主要包括從終端到云計(jì)算中心傳輸路徑上的所有計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因此能夠?yàn)閿?shù)據(jù)源側(cè)單元進(jìn)行收集、分析和決策任務(wù)。相比于傳統(tǒng)應(yīng)用，未來(lái)云計(jì)算中心的存儲(chǔ)、計(jì)算、智能資源將下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，進(jìn)而推動(dòng)智能應(yīng)用從云端向邊緣持續(xù)演進(jìn)。邊緣智能技術(shù)有望滿足基于IoT場(chǎng)景的多項(xiàng)智能應(yīng)用的實(shí)時(shí)響應(yīng)、智能應(yīng)用、敏捷感知、隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)海量且異構(gòu)等多方面的關(guān)鍵需求。2.2面向IoT應(yīng)用的邊緣智能技術(shù)邊緣智能技術(shù)是IoT設(shè)備實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、友好以及安全應(yīng)用的基礎(chǔ)，應(yīng)用邊緣智能的IoT設(shè)備將打開人機(jī)交互的新局面。面向IoT應(yīng)用的邊緣智能技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。(1)更好的交互體驗(yàn)。人類的大部分交流不僅僅是通過(guò)語(yǔ)言來(lái)傳遞，語(yǔ)調(diào)、面部表情、手勢(shì)等非語(yǔ)言交流方式也是人類用來(lái)交流或者理解對(duì)方的一些其他表現(xiàn)形式。在IoT設(shè)備中應(yīng)用智能邊緣技術(shù)，將使這些信號(hào)能夠更加高效地傳送給用戶，并進(jìn)一步形成更好的交互體驗(yàn)。(2)提升安全性。邊緣智能技術(shù)通過(guò)對(duì)IoT應(yīng)用中的智能家居進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，來(lái)識(shí)別危險(xiǎn)信號(hào)，比如警報(bào)聲、人員突然摔倒、玻璃破裂，以及水龍頭滴水等場(chǎng)景。同時(shí)，邊緣智能技術(shù)可以隨時(shí)感知設(shè)備問(wèn)題發(fā)生的情況，并向使用者提供及時(shí)告警服務(wù)，促使使用者能夠做出相應(yīng)反應(yīng)。與此同時(shí)，在面向IoT應(yīng)用的6G邊緣智能技術(shù)領(lǐng)域，近年來(lái)已經(jīng)出現(xiàn)了一些研究成果。例如，文獻(xiàn)[9]提出了一種分布式的6G云邊協(xié)同計(jì)算架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于雅可比交替方向乘子法的云邊協(xié)同計(jì)算任務(wù)的近似調(diào)度算法，將云邊協(xié)同計(jì)算任務(wù)的調(diào)度問(wèn)題建模為綜合考慮時(shí)延、能耗、帶寬成本及服務(wù)質(zhì)量損失等因素的系統(tǒng)開銷最小化問(wèn)題，并通過(guò)高效的分布式并行計(jì)算方式進(jìn)行了求解。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以在保障用戶服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，提高收斂速度和執(zhí)行效率，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本的相關(guān)開銷。文獻(xiàn)[10]對(duì)面向IoT網(wǎng)絡(luò)中的6G技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了展望，尤其是對(duì)邊緣智能技術(shù)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了研究，指出邊緣智能技術(shù)是動(dòng)態(tài)頻譜接入的關(guān)鍵技術(shù)。研究結(jié)果表明，該技術(shù)能夠?yàn)榻稚系能囕v、路側(cè)單元、路側(cè)平臺(tái)邊緣設(shè)備等提供快速可靠的人工智能數(shù)據(jù)處理服務(wù)。文獻(xiàn)[11]提出，對(duì)于無(wú)處不在的邊緣設(shè)備，可以利用基于大數(shù)據(jù)分析的人工智能技術(shù)提供大規(guī)模的邊緣智能服務(wù)。研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于6G的大數(shù)據(jù)分析通過(guò)利用大規(guī)模的超高可靠與低時(shí)延通信(Ultra-ReliableandLowLatencyCommunication，URLLC)和海陸空天一體化技術(shù)，能夠明顯提升大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸能力和數(shù)據(jù)計(jì)算速率。3海陸空天一體化通信3.1海陸空天一體化通信6G在5G的基礎(chǔ)上，將陸地移動(dòng)通信網(wǎng)擴(kuò)展至天空，構(gòu)建了一個(gè)天地互聯(lián)、陸海空一體、全空間覆蓋的超帶寬移動(dòng)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、陸基超密集網(wǎng)絡(luò)、水下通信網(wǎng)絡(luò)、海洋通信網(wǎng)絡(luò)等異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)。海陸空天一體化通信利用全時(shí)空信息的持續(xù)支撐特性，可以為陸基、?；⒖栈?、天基等各類用戶提供全球隨意接入、信息安全可靠服務(wù)的能力，是我國(guó)避免受制于人，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)的重要網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之一。3.2海陸空天通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其相關(guān)應(yīng)用文獻(xiàn)[12]提出了一種面向IoT應(yīng)用的海陸空天一體化通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)主要包括空間通信層、大氣通信層、陸地通信層以及水下通信層，共4層。(1)空間通信層?？臻g層利用近軌軌道、中軌軌道以及地球同步軌道，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信全覆蓋?？臻g通信技術(shù)可以在不同的空間或海拔中進(jìn)行應(yīng)用，以此來(lái)滿足高吞吐量的空間網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行星地通信的應(yīng)用需求。(2)大氣通信層。無(wú)人機(jī)和熱氣球在大氣層中扮演飛行基站的角色，以此滿足大氣層覆蓋率和連接性的需求。該層可以利用6G網(wǎng)絡(luò)的超高可靠和低時(shí)延特性管理受災(zāi)區(qū)域，滿足公共安全網(wǎng)絡(luò)需求以及緊急情況下的應(yīng)用需求。無(wú)人機(jī)也可切換為天線用戶接入陸地基站，構(gòu)建直接的空地鏈路，用于合作感知和數(shù)據(jù)傳輸。(3)陸地通信層。物理基站、移動(dòng)設(shè)備以及計(jì)算中心通過(guò)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)無(wú)線覆蓋和連接。在基于IoT的6G技術(shù)應(yīng)用中，太赫茲頻段將被開發(fā)利用，從而實(shí)現(xiàn)頻譜效率和通信速率的有效提升，尤其是在百萬(wàn)級(jí)用戶的超高密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中將會(huì)有廣泛應(yīng)用前景。(4)水下通信層。該層為水下IoT設(shè)備提供連接服務(wù)，例如為遠(yuǎn)洋和深海作業(yè)的潛水艇提供連接服務(wù)。同時(shí)，該層提供水下IoT設(shè)備和控制中心之間的雙向通信，用于雙方的相互連接。當(dāng)前，一些研究已經(jīng)表明，海陸空天一體化通信因其具有便捷性，在面向IoT的6G技術(shù)應(yīng)用中已經(jīng)顯現(xiàn)出較為廣闊的應(yīng)用前景。例如，文獻(xiàn)[13]提出了一種基于低軌道地球衛(wèi)星(LowEarthOrbit，LEO)通信的多用戶衛(wèi)星IoT系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器與全雙工的接入點(diǎn)通過(guò)協(xié)作的模式建立衛(wèi)星鏈路，以此提升關(guān)鍵任務(wù)中IoT應(yīng)用的通信時(shí)延性能。此外，在衛(wèi)星向路基終端提供廣泛的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)連接的應(yīng)用場(chǎng)景中，文獻(xiàn)[13]將同步無(wú)線信息和功率轉(zhuǎn)換(SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer，SWIPT)技術(shù)與混合能量存儲(chǔ)方法進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，提出了一種星地通信模型，以此最大化IoT終端的CPU頻率、計(jì)算任務(wù)以及終端發(fā)射功率等方面的理想速率。文獻(xiàn)[14]在無(wú)線6G通信場(chǎng)景中提出了一種通過(guò)無(wú)人機(jī)(UnmannedAerialVehicles，UAV)進(jìn)行萬(wàn)物互聯(lián)的方法，該方法可以支持不同的數(shù)據(jù)傳輸方案應(yīng)用于IoT數(shù)據(jù)感知、緊急搜索與監(jiān)測(cè)、視頻數(shù)據(jù)流等領(lǐng)域的IoT應(yīng)用。4區(qū)塊鏈4.1區(qū)塊鏈技術(shù)體系當(dāng)前的中心化網(wǎng)絡(luò)面臨著數(shù)據(jù)中心的高額維護(hù)成本等在內(nèi)的諸多瓶頸，并不能適應(yīng)萬(wàn)物互聯(lián)的場(chǎng)景。因此，在面向IoT應(yīng)用的6G系統(tǒng)中，可以通過(guò)區(qū)塊鏈構(gòu)建“去中心化”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，解決IoT網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的安全和隱私問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈作為一種技術(shù)體系，由歸屬權(quán)各異的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)組成，并按照時(shí)間順序，將數(shù)據(jù)區(qū)塊以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，同時(shí)應(yīng)用密碼學(xué)算法來(lái)確保區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)及行為記錄的公開、安全、可追溯且不可篡改性。同時(shí)，區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制可以用于交易驗(yàn)證，防范惡意攻擊、篡改，減少網(wǎng)絡(luò)攻擊、惡意節(jié)點(diǎn)的欺騙和來(lái)自外部環(huán)境的攻擊。4.2面向IoT應(yīng)用的6G區(qū)塊鏈總的來(lái)說(shuō)，面向IoT應(yīng)用的6G區(qū)塊鏈可分為公有鏈和私有鏈。公有鏈?zhǔn)侵冈试S世界上任何人都可以讀取、發(fā)送交易且能獲得有效確認(rèn)的，也可以參與其共識(shí)過(guò)程的區(qū)塊鏈。最廣為人知的公有鏈的應(yīng)用是比特幣和以太坊。私有鏈?zhǔn)菍?duì)單獨(dú)個(gè)人或組織開放的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，即由一個(gè)組織機(jī)構(gòu)控制該系統(tǒng)的寫入權(quán)限和讀取權(quán)限。私有鏈的應(yīng)用場(chǎng)景一般包括兩方面，一是進(jìn)行公有鏈的區(qū)塊鏈功能驗(yàn)證，二是企業(yè)內(nèi)部的審計(jì)管理。由于區(qū)塊鏈具備去中心化、可追溯、可靠性高、不可篡改等特性，區(qū)塊鏈技術(shù)體系在面向IoT的6G生態(tài)系統(tǒng)中的安全性和私有性方面將會(huì)有著非常廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，文獻(xiàn)[15]在基于IoT的6G通信環(huán)境中，利用區(qū)塊鏈去中心化和不可篡改的特征構(gòu)建了一種可靠資源接入控制和保護(hù)用戶私有性的網(wǎng)絡(luò)安全接入體制。在6G無(wú)人機(jī)應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[16]基于區(qū)塊鏈技術(shù)體系構(gòu)建了一種安全自動(dòng)化系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，無(wú)人機(jī)擔(dān)任區(qū)塊鏈用戶與地面基站通信載體的角色。此外，無(wú)人機(jī)、地面用戶以及網(wǎng)絡(luò)操作者均可利用總賬中的可信數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全交換和共享，并提升任務(wù)完成效率。在6G智能健康應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[17]提出了基于IoT的6G康復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用區(qū)塊鏈技術(shù)體系構(gòu)建沒(méi)有第三方介入的信任體系，以此來(lái)降低康復(fù)費(fèi)用。5結(jié)語(yǔ)簡(jiǎn)單的IoT連接時(shí)代即將謝幕，未來(lái)復(fù)雜的IoT網(wǎng)絡(luò)將通過(guò)6G技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，以此構(gòu)建智能與泛在連接的人類共