6G愿景介绍及其在无线电监测站的应用需求

０引 言伴随着全球5G商用的启动,6G技术的研发正在蓬勃兴起，未来网络信息技术向融合、智能、开放、泛在化方向发展。6G将以5G的大带宽、海量连接、超低延迟三大应用场景为基础，进一步将服务的边界从物理世界延拓至虚拟世界,通过智慧连接、深度连接、全息连接和泛在连接构建了“一念天地，万物随心”的6G总体愿景。相较于5G，6G能够提供更快、更智能、更开放、更大规模、更安全、更可靠、更低功耗、更强覆盖和更高移动性的通信能力。到2030年，全球的电子设备接入数量将超1250亿，将成为2030年智能信息社会的主要推动力。业界推论，6G潜在关键技术包括太赫兹通信、可见光通信、动态频谱共享、人工智能、新一代天线射频、卫星互联网、全息通信、海洋网络、区块链、6G定位等一系列新技术。这些技术有望应用于数字孪生、空中高速上网、基于全息通信的XR、新型智慧城市群、全域应急通信抢险、智能工厂、网联机器人和自治系统等6G新的业务场景。总体而言，如果说5G能够满足万物互联的以“物”为核心的物联网服务，那么6G将带来以“人”为核心的智能化服务场景，进一步扩展和深化物联网应用的范围和领域，即其覆盖人的环境（室内、空、天、地、海等全覆盖），增强人的感受（大规模高速通信、虚拟现实、全息传输等），提高人生质量（远程医疗、自主机器人、无人驾驶车等），并实现万物互联向万物智联的飞跃。《国家无线电管理规划（2016—2020年）》明确提出：“管资源、管台站、管秩序，服务经济社会发展、服务国防建设、服务党政机关，突出做好 重点无线电安全保障工作”为总体要求，聚焦频谱资源管理核心职能，着力完善监管体系建设，升级国家无线电管理应急指挥调度中心。根据上述要求，5G时代的今天，我国各级无线电监测站监管技术设施建设逐步向网联化、智能化方向发展，比如：甘肃省无线电管理指挥中心大屏幕显示系统的设计与建设，航空业务专用无线电监测系统，安徽省基于GIS的可视化监测数据一体化平台，宁夏无线电监测一体化平台等设施建设日益完善。在无线电监测站技术设施建设学术研究领域也努力追赶5G时代发展需求，比如在频率台站管理方面，文献[21]提出了一种基于无线电管理一体化平台的频率台站精细化管理应用思路，其核心内容为电磁兼容分析、重点台站保护、无线电监测等技术手段应用于无线电频率台站管理当中，有助于提升频率指配和台站设置审批工作的自动化及智能化水平。在无线电监测站智能化平台技术设施建设方面，文献[22-25]提出无线电监测站车联网、物联网、监测网、无人机等平台一体化技术设施建设方案，为有效监管5G时代日益复杂的无线电电磁环境及技术设施建设指明了方向。面对未来6G时代，目前6G技术相关的无线电监测站领域有关学术研究极为稀少，但是，对6G相关的业界学术研究已经如火如荼，将来必定给无线电监测站领域带来举足轻重的影响，为此，本文结合当前学术界对6G技术的愿景研究，介绍了6G潜在技术。根据当前我国无线电监测站未来发展趋势，6G技术对我国无线电监测站领域的应用愿景进行初步性的研究，认为大体上涉及但不局限于无线电监测站的车联网、物联网、监测网、无人机、频谱管理等相关技术领域，以5G时代的技术背景为基础，进一步深入探讨未来6G时代的无线电监测站领域潜在的6G技术应用愿景。１6G愿景介绍及应用需求目前业界讨论较多的6G潜在使能技术大体上主要包括超大规模天线、轨道角动量等高效无线接入技术，太赫兹、可见光、高效频谱使用等新型频谱使用技术，空天地一体化融合技术等[26]，以及区块链、智能表面、6G定位、边缘计算、全息通信、人工智能、数字孪生等技术，为6G时代用户提供丰富的应用体验。这些技术有望赋能6G时代无线电监测站领域（如图1所示），使无线电监测站领域的车联网、物联网、监测网、无人机、频谱管理等应用，在性能上带来进一步的提升。本节主要介绍6G技术愿景以及最新学术研究成果的同时，初步探讨与展望这些技术在无线电监测站领域的应用需求。图1 6G技术赋能无线电监测站示意1.1 新型频谱技术应用为满足6G时代新兴智能应用Tbps的数据速率需求，太赫兹以及可见光通信（包括红外线、可见光以及深紫外线频段）备受关注。0.1THz到10THz的太赫兹频段可提供数百吉赫兹甚至太赫兹的巨大带宽，并且天气条件因素影响低、安全性高、多点通信等特点，使太赫兹频段成了各国学者研究的热点。2019年，我国成立国家重大专项“星间太赫兹组网通信关键技术研究”项目，开展对太赫兹频段的研究和利用。太赫兹通信技术可应用于环境传感、远程医疗、纳米机器人等领域，混合现实（MixedReality，MR）、扩展现实（eXtendedReality，XR）、全息通信、人工智能机器人等极高带宽且对时延要求极高的新兴业务，无人驾驶、高铁等高速移动通信，商场大厅、赛事场馆等人流量和数据量极大的场所，太空卫星间链路通信等，关于太赫兹应用场景示意图，如图2所示。相比5G，极大地拓展了应用领域范围。在6G无线通信频谱资源十分紧张的环境中，400～800THz无须授权超宽频谱的可见光通信能够满足人们近80%的室内环境覆盖，大气内外、水面水下等室外场景中也能实现高速可靠的无线通信，很好地弥补了6G时代频谱资源稀缺问题。6G时代这些太赫兹与可见光通信的应用与普及，可将无线电监测站的移动监测车变得更加智能与网联化，助力实现车内远程全息通信、数字孪生、自动驾驶、车内高速上网等新兴应用，大力提升移动监测车的综合性能。监测站物联网应用方面，可见光与太赫兹通信帮助智能机器人管理设备库、服务器机房、室外基站设备等传统人工化管理的领域，并且实现室内可见光无线高速上网、定位、照明、室内智能家居、安防管控等物联网设备的无障碍智能通信，提供巨大带宽、超低时延无线频谱。监测网方面，太赫兹频段协助智能监测无人机的空中作业，比如实时向云平台传输巨容量无线监测数据、场景全息影像数据等。总体而言，太赫兹、可见光等新型频谱通信有效弥补与补充5G毫米波通信的缺陷，提供巨大容量通信频谱，满足6G时代的新型业务应用需求。图2 太赫兹应用场景示意图1.2 高效无线接入技术为实现更高的数据传输速率，在多天线、调制编码等传统技术增强的基础上，探索新的物理维度和传输载体，如轨道角动量，寻找新的信息传输方式。首先，6G无线接入技术学术研究方面，基于免授权随机接入协议的新型6G蜂窝物联网大规模接入技术，能够很好地满足低功耗、巨连接和广覆盖的无线接入，有望应用于6G物联网无缝覆盖的网络社交、网络商务、移动共享等数据服务中。智能反射面、智能表面技术作为6G潜在关键技术之一，与太赫兹通信、超大规模MIMO技术等相结合，通过反射或折射入射信号方式进一步提升无线信号的吞吐量、覆盖范围等，关于智能反射面技术示意图，如图3所示。意图驱动的6G无线接入网络（ID-RAN,intent-drivenradioaccessnetwork），以大数据、人工智能、SDN、NFV等技术为基础，能够将用户或运营商对网络期望的业务、性能和组网“意图”转化为实际组网策略，从而实现网络的高效柔性可重构。其次，量子态轨道角动量和统计态轨道角动量在无线通信中应用仍处于探索阶段，有望早日成为6G时代的新的信息传输方式，实现革命性突破。最后，高效无线接入技术将大力提升无线电监测站无线传输领域，如车联网、无人机、网格化监测网、物联网等无线网络关联业务需求。图3 智能反射面技术示意图1.3 空天地一体化融合网络技术随着5G的发展，地面物联网终端数量呈现爆发式增长趋势，但受限于覆盖能力及建设成本，地面物联网的发展受到一定制约。预计5G时代仍将有80%以上的陆地区域和95%以上的海洋区域无移动网络信号，6G卫星网络能够覆盖太空、天空、陆地和海洋空间，很好地解决地面物联网的覆盖“盲区”，形成空、天、地、海一体化的卫星物联网。中国早在“十三五”规划中就将“天地一体化信息网络”纳入“科技创新2030重大项目”。6G空天地一体融合网络架构作为6G的核心方向之一，在地面蜂窝移动网络的基础上，通过深度融合天基卫星网络、航天器、无人机等多种异构网络来实现全球海陆空全域立体覆盖和随时随地的超广域宽带接入能力。针对6G网络结构复杂、动态性高、资源高度约束等问题，文献[32]提出了基于强化学习（RL,reinforcementlearning）的空天地一体化网络设计与优化框架，以进行高效快速的网络设计、分析、优化与管控。卫星物联网终端以间接接入或者直接接入模式与地面核心网络进行融合互联[33]，实现6G网络泛在连接愿景。在6G泛在网络背景下，无线电监测站的移动监测车、无人机、便携式设备等，即使到了人员稀少的沙漠、边境、山区等区域也不怕连不上网络，可以时时刻刻与远程云端控制中心或者监测站远程云服务器保持联网状态，实现边云互动、定位、协同指挥、安全保障等一系列效果。1.4 人工智能技术未来，6G智能网络、AI、大数据、数字孪生世界等融合为一体，构建“智能泛在”的数字世界，比如机器之间、体域网设备之间、人与虚拟助理之间、人与人之间进行智能协作与感知，提高全社会的数字化运维效率，推动人类社会走向高速智能化发展道路。相比5G时代的智能，面向2030年的6G时代智能将赋予更为智慧的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等情境感知、自主认知能力，可产生主动的智慧交互行为。人与物、物与物之间的通信将升级为人与智能体、智能体与智能体之间通信的形式，如图4所示。首先，在无线接入智能方面，为满足6G对各类差异化业务的高效支撑与实现全频谱、全场景、全业务的适配协同，文献[34]提出了极智极简的空、天、地、海通信高度协同一体化6G无线接入网体系架构，其核心特征在于通过AI与通信、计算、存储、控制等网络功能进行高度协同和深度融合以及柔性可编排，构建基于通用硬件平台的柔性可重构一体化智慧内生无线网络。图4 6G万物智联应用场景其次，在边缘计算智能方面，文献[35]为了满足技术设施边缘智能化业务发展需求，提出了5G时代无线电监测站边缘计算技术生态体系模型，并展望了未来典型边缘计算应用场景。6G将进一步超越5G时代的边缘计算，通过网络与计算深度融合形成的基础设施，为AI提供无处不在的算力与无所不及的泛在智能，并走向“在网计算”。针对规模和复杂性空前的6G边缘网络，提出基于人工智能的管理控制架构，其核心内容为6G边缘网络可由多家运营商投资共建，针对规模和复杂性空前的6G网络，集成SDN、NFC、网络切片等技术，通过深度融合大数据、人工智能等方式实现类似“无人驾驶”的自主自治网络，满足6G时代边缘网络用户的高可靠、低时延、高带宽等不同业务需求。面对6G时代海量的超高带宽、超高可靠、超低时延无线网络边缘终端数据需求，传统单一的边缘服务器计算能力有限，为此，文献[37]设计了一种异构的多层边缘计算（HetMEC,heterogeneousmulti-layermobileedgecomputing）网络架构，其核心内容为通过云计算中心和多层边缘服务器的计算和传输资源，合理分割卸载计算任务，共同为边缘应用提供可靠、高效的计算服务，可以有效避免网络阻塞和数据堆积，更加适合6G物联网的业务需求。最后，在6G智能网络性能增强方面，URLLC（超可靠低时延）作为5G垂直行业应用的关键技术，6G时代其功能进一步提升至微秒级，将催生大量智能体和虚拟空间应用。随着信息技术的不断革新，移动通信场景进一步从物理空间向虚拟空间渗透，从物—物通信向智能体交互升级，如虚拟现实、全息景象和数字孪生系统等虚拟空间互动和机器人、无人车、无人机等智能体之间的交互。为此，文献[38]提出计算—通信—控制一体化网络架构，对URLLC相关的同步、定位、接入、传输等网络功能进行一体化设计，为URLLC性能增强提供了解决思路。此外，太赫兹通信、超大规模天线阵列、空天海地一体化融合网络、人工智能等技术为基础的6G定位技术，其精度可达到厘米级，大力保障6G时代的自动驾驶、无人驾驶、无人机、机器人协作等行业的顺利发展。还有面向6G智能终端身份鉴别技术以自适应网络架构和终端能力，为网络提供智能化的安全接入服务。总而言之，相比5G，6G时代的人工智能更加深度融合于无线接入、边缘计算、时延控制、定位、安全等网络的各个层面，促使全领域的高度智能化，有望助力构建无线电监测站认知级的智能监测网、智能无人机监测、无人驾驶监测车等领域的建设与发展。1.5 区块链技术区块链具有去中心化、不可篡改、可追溯的分布式特征，保证用户信息不被第三方窃取,稳步提升网络服务节点之间的协作效率,提高不同运营商网络协同服务能力，在频谱管理、移动边缘计算与D2D通信等应用领域，将为6G提供强有力的安全保障。6G网络将以AI为引擎，实时监控安全状态并预判潜在风险，通过去中心化的AI让去中心化应用（如区块链应用）变得更加安全、高效、智能，实现智能化的内生安全。随着信息化的发展，垂直行业对频谱的需求量逐年增加，为提高频谱资源使用效率，基于区块链的6G动态频谱共享技术已成为业界研究的热点。6G的动态频谱共享技术，如区块链+动态频谱共享、AI+动态频谱共享等采用智能化、分布式的频谱共享接入机制，结合认知无线电、频谱共享数据库、高效频谱监管技术，实现6G时代网络智能化频谱共享和监管。如文献[41]以区块链促进无线电业务间的频谱共享为方向进行了探讨，并在特定地区考虑区块链如何实现频谱的灵活配置进行了构想，引入区块链的频谱共享使得多种无线电业务间的信息交互成为可能，利用“频谱大脑”来完成效用设计及资源调度。总而言之，区块链的引入使6G网络应用变得更加安全与智能，能够实现去中心化分布式智能化管理，大力提升网络运行与管理效率，有望在无线电监测站的频谱管理、网络安全、智能化管理等领域得到广泛应用与普及。1.6 数字孪生如果说5G实现社会的万物互联，那么6G将帮助整个社会实现数字孪生的虚拟世界，如图5所示。业界认为到2030年6G时代，数字孪生将会成为社会不可或缺的关键技术。数字孪生作为物理世界的数字化模拟，在船舶海工、工业领域、智慧城市、家居生活、超能交通、通感互联网等方面都有着广泛的应用前景。到那时，无线电监测站通过6G数字孪生技术，实现在虚拟空间模型中完成物理实体映射的各项操作，完全突破物理空间的约束，随时随地远程操控各项物理设施。数字孪生无线电监测站是指虚拟信息空间中构建与监测站物理实体完全映射的数字孪生模型，且在“人—机—物—环境”智能交互融合环境中实现其虚拟模型—物理实体的实时双向映射的一种未来无线电监测站新模式，其本质是构建与监测站物理实体完全对应的数字化技术。通过6G、云计算、大数据、人工智能、量子通信、全息智能交互、多感官混合现实等信息通信技术来完成现实世界与虚拟世界之间的数据、信息与知识交互和连接，实现虚实一致、全生命周期管理与服务过程的闭环效应。图5 数字孪生应用场景示意1.7 全息通信全息通信和全息显示带来的超强体验，如视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉乃至情感将通过高保真扩展现实（eXtendedReality，XR）充分被调动,将完全突破时空的限制,以“我”为中心享受虚拟教育、虚拟旅游、虚拟运动、虚拟绘画、虚拟演唱会等完全沉浸式的全息体验。未来,虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)这些技术正在融合到扩展现实(XR)中,使感官和运动控制无缝结合在一起，将不同空间的人、物、环境等信息通过三维全息再现、XR眼镜等方式展现在人们的面前。此外，也可以实时地进行突破空间的远程交流，如远程教育、协同设计、远程医疗、远程办公等。特别是全息三维显示（也被称为裸眼3D显示）作为下一代新型显示技术，无需佩戴任何辅助工具，360°全视角观看3D全息视频或图像信息，带来身临其境的视觉冲击体验。手机全息3D显示等应用需要移动网络满足100Gbit／s到１Tbit／s以上的传输带宽，6G移动网络恰好能够满足上述需求，实现二维向三维的方向拓展，给人们带来五彩缤纷的3D视觉盛宴。２典型应用场景展望未来，关于6G技术在无线电监测站的应用愿景可能很多，本文先举2个例子提供参考，分别关于6G空天地一体化网络与数字孪生系统方面，下面进行具体探讨。2.1 无线电监测站6G空天地一体化网络云系统到了6G时代，天空中布满了低轨道卫星，这些数量庞大的低轨道卫星与中轨道卫星以及高轨道卫星形成天基互联网，加上高空中的无人航空飞艇基站、无人机基站等形成了空基互联网。空基与天基，加上地基形成空天地一体化网络，我们无论是乘坐飞机、乘坐轮船或者到偏僻的沙漠、深山等区域都不用担心上不了网。例如，无线电监测站6G空天地一体化网络云系统，如图6所示。监测站的移动监测车、无人机等移动端在外执行任务时，当遇到无地面基站区域时，可以利用空基、天基互联网把现场监测、影像视频、各类传感等数据传送到远程5G/6G核心网，再通过地面互联网转发到无线电监测站远程云服务器，实现远程指挥中心与现场作业人员之间的实时联网通信。当遇到有地面基站区域时，直接利用地面5G/6G基站高速联网，与远程云端指挥控制中心进行互动。有了空天地一体化网络，不管走到哪里都可以与远程控制中心保持实时互动，极大地提高了工作效率。图6 无线电监测站6G空天地一体化网络云系统示意2.2 无线电监测站数字孪生系统6G时代