6G无线通信新征程：跨越人联、物联，迈向万物智联

本书是关于6G无线网络的系统性著作，展现了万物智能时代的6G总体愿景，阐述了6G的驱动因素、关键能力、应用场景、关键性能指标，以及相关的技术创新。6G创新包含以人为中心的沉浸式通信、感知、定位、成像、分布式机器学习、互联AI、基于智慧联接的后工业4.0、智慧城市与智慧生活，以及用于3D全球无线覆盖的超级星座卫星等技术。本书还介绍了新的空口和组网技术、通信感知一体化技术，以及地面与非地面一体化网络技术，并探讨了用以实现互联AI、以用户为中心的网络、原生可信等功能的新型网络架构。本书可作为学术界和业内人士在B5G移动通信（Beyond 5G）方面的基础书目。

童文 博士，华为无线CTO，华为5G首席科学家，华为Fellow，IEEE Fellow，加拿大工程院院士，曾获IEEE通信学会杰出行业领袖奖、费森登奖章。
朱佩英 博士，华为无线研究领域高级副总裁，华为Fellow，IEEE Fellow，加拿大工程院院士。

适读人群 ：本书适合在蜂窝通信系统、5G/B5G/6G无线技术和架构领域的研究者、从业工程师和技术人员，大学相关专业的教师和学生，以及对未来通信系统与感知、人工智能等领域结合感兴趣的读者阅读参考。

1. 本书面向全球出版发行，是系统性呈现6G总体愿景、应用场景、关键性能指标、以及技术创新的著作，也是集科普性和专业性于一体的优秀作品。

2. 本书的两位编者是华为无线研究领域的领头人，也是整个移动通信行业技术领袖。本书所有作者都曾深入参与5G的研发和标准制定工作，并且仍在积极参与3GPP 5G和5G Advance的标准化工作。

3. 本书中文版由华为轮值董事长徐直军作序，IMT-2030（6G）推进组主席王志勤推荐。

无线通信的变革必然催生颠覆性的创新技术以及开创性的应用。技术与应用这两股力量的碰撞便会产生新一代的无线通信技术。移动语音业务与无线数字传输的融合印证了这一点。而在移动互联网的发展进程中，高频谱效率的无线技术走向IP化，又是一个有力例证。新的5G无线网络则寻求为海量及超高可靠的链路提供无线连接，最终实现万物互联，加速千行百业的数字化转型。6G无线网络以5G为基石，志在引领一场无所不及的智能革命。6G将成为社会的神经网络，联接物理世界和数字世界。人工智能（Artificial Intelligence，AI）将推动6G的发展。在这一领域，我们在未来将全面跨越人联、物联的藩篱，阔步迈向万物智联。换言之，6G无线网络的目标是将智能带给每个人、每个家庭、每个企业，从而实现万物智能。从无线技术的角度来看，我们有机会利用无线电波来感知环境与事物。因此，除了传输比特，6G无线网络还是一张传感器大网，从物理世界中提取实时知识和大数据。提取的这些信息不仅可以大大增强数据传输能力，还能促进各类AI服务的机器学习。超低轨卫星的发展是另一个值得注意的创新点。这些卫星形成庞大的星座，在超近地轨道围绕地球运行，组成“空中”6G无线网络。有了这些技术的支持，无线业务与应用覆盖全球、无处不在，并非超乎想象。这一宏伟愿景将对我们的社会和经济发展产生重大影响。最重要的是，6G无线网络的搭建也会紧抓通信、计算、材料、算法等技术创新带来的机遇。当然，这一征程也许长达十年之久，绝非一蹴而就。

在本书中，我们从技术的角度对6G无线网络的潜在应用、需求以及支撑技术进行了全面的剖析，旨在推动面向6G的系统性研究，分享一些初步研究成果，并进行批判性思考。本书不仅着眼一些前沿的无线业务与技术，还会挖掘6G网络的需求、能力和应用，并重点探讨新空口和新网络架构。本书是我们研究团队在6G的定义过程中共同努力的成果。书中展示的工作仅仅是起点，因为创新永无止境。同理，6G的发展终将取决于全球专家的共同努力，因为我们坚信，开放创新和全球统一的标准是6G成功的基础。就像前几代无线网络一样，6G无线网络的成功也终将转化成全球开放生态系统的成功。

无线变革已经持续了四十多年，其影响之深远，将继续超越人们的种种预期。憧憬无线的未来，我们既要脚踏实地做实事，又不可妄设边界束缚其潜力。这正如马可尼早在1932年的论断：“给无线设限是危险的。”立足于此，让我们一同开启本书的旅程吧！

憧憬6G，共同定义6G

我们预计6G将在2030年左右投向市场，到那时，究竟市场将会迎来什么样的6G，这是一个整个产业界要用未来十年时间共同回答的问题。我们能否回答好这个问题，让消费者满意，让行业和企业满意，让社会满意，让产业界满意，对整个产业界又是一个新的考验。

从应用角度看，5G开启了无线通信以前所未有的深度和广度融入千行百业的序幕。5GAA（5G汽车联盟）、5G-ACIA（5G产业自动化联盟）等由移动通信行业与垂直行业联合成立的组织，一方面使5G被定义得能够适应这些垂直行业的独特需求；另一方面，随着商用化的进程，也激发出越来越多5G不能满足的创新需求，由此催生的5.5G将能够持续增强，但无疑又将激发出更多新的、需要6G来满足的创新需求。洞见这些创新需求对6G至关重要，这意味着要让垂直行业以同样前所未有的深度和广度融入6G的定义工作中来。经过数十年的迭代发展，5G技术在满足和创造消费者需求方面已经达到了相当高的水平，5.5G将进一步把5G核心技术的能力发挥到极致。未来几年，5.5G的定义与部署以及6G的研究与定义将同时进行，6G能否实现超越、超越多少，考验的将是整个产业界的想象力和创造力。

从技术角度看，每一代移动通信技术从来都不是孤立存在的，而是需要借鉴、吸收并与同时代的技术协同发展。走到今天，移动通信无疑是相当成功的，但我们也不要忘记曾经走过的弯路，3G对传输技术的选择经历了先ATM后转向IP的周折，4G时代对于IT和CT的融合给予了很大的期待，同样的期待一直延续到5G时代，但至今尚未达到预期，产业界还在不断探索。6G面临的技术环境更加复杂，云计算、大数据、人工智能、区块链、边缘计算、异构计算、内生安全等都将带来影响。6G能否做出科学的选择，借鉴该借鉴的，吸收该吸收的，让6G因为这些多样化的技术变得更有价值，而不要只是变得更复杂、更臃肿，需要整个ICT产业界本着科学的精神，持续广泛和深入地探讨，考验的将是整个产业界的预见力和决断力。

从产业角度看，6G从研究阶段开始，就不得不面对复杂的宏观环境。经过四十多年从1G到5G的发展，移动通信产业已经相对成熟，早已不再是快速增长的行业，深化合作的规模效应比以往任何时候都更加重要，但地缘政治动荡和去全球化的趋势正在给产业合作带来障碍和挑战。更大的创新是移动通信产业突破发展瓶颈的必由之路，而与此同时，整个社会对技术伦理的关注已上升到前所未有的程度，只有在两者间取得平衡，移动通信才能更好地造福人类社会。移动通信早已成为人们日常生活和工作不可或缺的组成部分，产业界今天的选择将影响未来10～20年的发展道路。应对好这些挑战，让移动通信产业得以持续健康发展，让人们能够持续享受移动通信带来的便利，考验的是整个产业界的使命感与政治智慧。

不难看出，定义6G需要产业界付出比定义以往任何一代多得多的努力，突如其来的新冠肺炎疫情也给必需的沟通与合作增添了障碍。从这个意义上讲，十年的时间说长也长，说短的确也很短。产业界能否在2030年交出满意的答卷，很大程度上取决于我们定义6G的过程是否足够开放，参与定义者是否足够多元化，沟通是否足够充分，定义的6G愿景是否有足够的吸引力，等等。这也正是本书的目的所在，华为在持续推动5G商用的同时，也在2017年开始了对6G研究的投资。本书全面阐述了华为关于6G的研究发现，期望我们的分享能够启发更多人、更多企业、更多行业，从更广的维度，更深入地思考6G。华为也愿意与产业界以及未来可能需要6G的行业、企业展开广泛的讨论，共同憧憬6G，共同定义6G。

徐直军

副董事长、轮值董事长

华为技术有限公司

贡献人员列表

推荐序：憧憬6G，共同定义6G

译者序

前言

第一部分 简介

第1章 2030年及以后的移动通信 2

1.1 移动通信的演进 2

1.2 关键驱动力 3

1.3 总体愿景 8

1.3.1 关键技术趋势 12

1.3.2 典型应用场景 16

1.3.3 关键性能指标的预期目标 18

1.4 本书结构 20

参考文献 21

第二部分 应用场景及目标KPI

第2章 以人为中心的极致沉浸式体验 24

2.1 极致的沉浸式云VR 24

2.1.1 传输时延要求 25

2.1.2 吞吐率要求 28

2.1.3 极致VR需求总结 28

2.2 触觉与多感官通信 29

2.2.1 高动态环境下的远程操控 30

2.2.2 高动态远程操控的主要要求 31

2.3 裸眼3D全息显示 31

2.3.1 裸眼3D显示简介 32

2.3.2 裸眼3D图像重建技术 32

2.3.3 分辨率和时延要求 32

2.3.4 裸眼3D显示的传输速率要求 33

参考文献 33

第3章 感知、定位与成像 35

3.1 高精度定位 35

3.1.1 绝对定位 36

3.1.2 相对定位 37

3.1.3 语义定位 37

3.2 同步成像、制图与定位 38

3.2.1 同步定位与制图 38

3.2.2 室内成像与制图 39

3.2.3 室外成像与制图 39

3.3 人类感知增强 40

3.3.1 超越人眼：超高分辨率 40

3.3.2 超越人眼：见所未见 41

3.3.3 超越人眼：谱识别 41

3.4 手势和动作识别 42

3.4.1 非接触式控制：大动作识别 42

3.4.2 非接触式控制：微动作识别 43

参考文献 44

第4章 全功能工业4.0及其演进 45

4.1 未来工厂 46

4.2 动作控制 47

4.3 机器人群组协同 48

4.4 从智能协作机器人到电子人 48

参考文献 49

第5章 智慧城市与智慧生活 50

5.1 智慧交通 50

5.2 智慧楼宇 51

5.3 智慧医疗 52

5.4 UAV使能智能服务 53

参考文献 55

第6章 移动服务全球覆盖 56

6.1 未连接区域的无线宽带接入 57

6.1.1 偏远地区的移动宽带 57

6.1.2 移动平台的无线宽带 58

6.1.3 应急通信与救灾 58

6.2 延伸到未覆盖地区的广域物联网业务 59

6.3 高精度定位与导航 59

6.4 实时地球观测与保护 60

参考文献 61

第7章 分布式机器学习与互联AI 62

7.1 AI增强的6G业务与运维 63

7.1.1 AI增强的网络性能 63

7.1.2 AI增强的网络运维 64

7.2 6G使能的AI业务 64

7.2.1 6G协同智能和实时控制 64

7.2.2 6G实现大规模智能 65

参考文献 66

第二部分小结 66

第三部分 理论基础

第8章 原生AI和机器学习的理论基础 71

8.1 AI基础理论 71

8.1.1 定义 71

8.1.2 机器学习分类 72

8.1.3 DNN信息论原理 74

8.1.4 DNN实现 76

8.2 分布式AI理论 77

8.3 动态贝叶斯网络理论 79

参考文献 83

第9章 大容量和大连接的理论基础 85

9.1 电磁信息论 85

9.2 大规模通信理论 88

参考文献 91

第10章 未来机器类通信的理论基础 96

10.1 语义通信理论 96

10.2 超分辨率理论 99

参考文献 101

第11章 高能效系统理论基础 103

11.1 能量有效的通信与计算理论 103

11.2 绿色AI理论 104

参考文献 106

第三部分小结 107

第四部分 新元素

第12章 新频谱 110

12.1 2020年前全球5G频谱分配 111

12.2 6G频谱需求 112

12.3 中频段仍是实现广覆盖最经济的方式 113

12.4 毫米波频段在6G时代逐渐成熟 115

12.5 太赫兹频段为感知和通信开辟了新的可能性 117

参考文献 119

第13章 新信道 121

13.1 6G信道建模新要求 121

13.2 6G信道测量 124

13.2.1 新频谱下的信道测量 124

13.2.2 新场景的信道测量 126

参考文献 127

第14章 新材料 129

14.1 硅的发展历程 129

14.2 异构III-V材料平台 130

14.3 可重构材料 130

14.4 光子晶体 131

14.5 光伏材料与光电探测器 132

14.6 等离子体材料 132

参考文献 133

第15章 新天线 136

15.1 光电导透镜天线 136

15.2 反射阵列和发射阵列 137

15.3 超表面 138

15.4 纳米光电探测器 139

15.5 片上天线和封装天线 139

15.6 轨道角动量 140

参考文献 141

第16章 太赫兹技术 143

16.1 太赫兹器件 143

16.1.1 电子方法 144

16.1.2 混合方法和光子方法 148

16.2 太赫兹系统 148

16.2.1 太赫兹通信系统 149

16.2.2 太赫兹成像和感知系统 150

16.3 挑战 151

参考文献 152

第17章 后摩尔定律时代的计算 159

17.1 后摩尔定律时代 159

17.2 神经形态计算 160

17.3 量子计算 161

17.4 新计算架构 162

参考文献 163

第18章 新终端 165

18.1 未来的移动终端设备 165

18.2 未来的脑机接口 169

18.3 全新的可穿戴设备 171

参考文献 172

第四部分小结 173

第五部分 6G空口设计使能技术

第19章 智能空口框架 179

19.1 背景与动机 179

19.2 技术现状 179

19.2.1 NR频谱利用与能效 180

19.2.2 物理层AI/ML 180

19.2.3 MAC层AI/ML 182

19.3 设计展望和研究方向 182

19.3.1 AI使能个性化空口 183

19.3.2 端到端AI链路设计及遗留问题 188

参考文献 189

第20章 地面与非地面一体化通信 192

20.1 背景与动机 192

20.2 现有方案 193

20.3 设计展望和研究方向 195

20.3.1 一体化多层网络 195

20.3.2 增强型非地面通信 198

参考文献 200

第21章 通感一体化 202

21.1 背景与动机 202

21.2 现有方案 203

21.3 设计展望和研究方向 205

21.3.1 ISAC系统设计 205

21.3.2 无线感知设计与算法 209

参考文献 212

第22章 新型波形和调制方式 215

22.1 背景与动机 215

22.2 现有方案 216

22.2.1 多载波波形 216

22.2.2 单载波波形 221

22.2.3 调制方式 223

22.2.4 感知波形 223

22.3 设计展望和研究方向 224

参考文献 226

第23章 新型编码 230

23.1 背景与动机 230

23.2 信道编码方案 231

23.2.1 背景 231

23.2.2 6G信道编码的目标KPI 231

23.2.3 6G信道编码的设计原则 233

23.3 信源信道联合编码 236

23.3.1 研究背景 236

23.3.2 基于机器学习的JSCC 237

23.3.3 6G JSCC的设计原则 238

23.4 物理层网络编码 239

23.4.1 背景 239

23.4.2 6G物理层网络编码的设计原则 240

参考文献 241

第24章 新型多址接入 247

24.1 背景与动机 247

24.2 现有方案 248

24.2.1 正交多址接入 248

24.2.2 非正交多址接入 249

24.2.3 免授权MA 253

24.3 设计展望和研究方向 255

24.3.1 大容量URLLC业务MA 255

24.3.2 极低成本、极低功耗设备MA 255

24.3.3 超大连接MA 256

24.3.4 鲁棒波束赋形MA 256

24.3.5 AI辅助MA 257

参考文献 257

第25章 超大规模MIMO 260

25.1 背景与动机 260

25.2 现有方案 260

25.2.1 FR1上的MIMO技术 261

25.2.2 FR2上的MIMO技术 261

25.2.3 协作式MIMO 262

25.3 新兴MIMO技术 264

25.3.1 太赫兹MIMO 264

25.3.2 可重构智能表面 265

25.3.3 超大孔径天线阵列 266

25.3.4 AI辅助MIMO 267

25.3.5 其他MIMO技术 268

25.4 设计展望和研究方向 271

25.4.1 感知辅助MIMO 271

25.4.2 可控无线信道及网络拓扑 272

25.4.3 FR2和太赫兹MIMO 273

25.4.4 超大孔径阵列 274

25.4.5 AI使能MIMO 275

参考文献 276

第26章 超级侧行链路与接入链路融合通信 283

26.1 背景与动机 283

26.2 现有方案 285

26.3 设计展望和研究方向 286

26.3.1 超级侧行链路使能技术 286

26.3.2 超级侧行链路与接入链路融合设计 287

参考文献 288

第五部分小结 289

第六部分 6G网络架构

设计的新特性

第27章 网络AI架构技术 295

27.1 背景 295

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