面向物联网应用的6G技术.docx

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1、面向物联网应用的6G技术摘要在物联网(InternetofThings, IOT)快速发展和5G已经规模化的商业部署的背 景下，在不久的将来，5G的技术指标将无法完全满足大规模IoT的应用需求。 而6G技术由于其具备高传输、低时延等出色的性能指标，受到了学术界和工业 界的广泛关注。因此，为了促使I。T网络能够更好地发展，基于I。T网络的应用 需求，研究了面向I。T应用的6G相关候选技术，其中主要介绍了边缘智能、海 陆空天一体化通信以及区块链技术3项关键技术。内容目录1 6G技术应用1. 1 6G的定义1.2 6G的优势2边缘智能2.1边缘智能技术2. 2面向IOT应用的边缘智能技术3海陆空天一

2、体化通信3.1 海陆空天一体化通信3.2 海陆空天通信网络架构及其相关应用4区块链4. 1区块链技术体系4.2面向IoT应用的6G区块链5结语近年来,物联网(Internet OfThings , I。T)相关技术日趋成熟,物联 网系统应用呈现出爆发式增长的趋势。从个人穿戴、车联网智慧交通系统、 医疗服务到金融行业等各行各业都有物联网及其垂直行业应用的身影。因 此,IoT网络的相关研究和应用越来越受到学术界和工业界的青睐,IoT 网络势必在未来的信息与通信技术中扮演不可或缺的角色。虽然5G技术 目前也得到了快速发展，商用规模不断扩大，但是随着智能化设备数量的 井喷式增长和IoT网络的快速扩展，

3、5G相关技术指标已经不能完全满足 IoT网络持续增长的技术标准要求，例如自动化控制、超大型规模集成化、 高动态和全智能化服务等领域的要求。在不久的将来，快速增长的自动化 和智能化IoT网络的性能需求很有可能超过5G无线网络的最大承载量。 与此同时，新型IoT服务和应用的出现，例如远程机器人手术、载人飞行 器、无人机农业等，需要持续增长的服务质量和规模化的商业应用，也为 当前的5G技术带来了巨大挑战。随着我国在基础信息网络层面的不断强化投入移动通信技术也取得 了长足进步。尤其在5G时代，我国率先布局，在多项关键技术上取得了 重要突破，已经初步建成了全球最大规模的5G移动通信网络。在5G落 后于我

4、国的日本、韩国、美国、芬兰等国对6G技术格外重视，希望能够 借助6G实现技术反超。尤其是美国，目前已经在6G技术创新方面进行 了提前布局，并占据了轨道位置、卫星位置、卫星频率等有限通信资源， 这会让其在6G技术的大国博弈中更有优势。因此，我国绝不能掉以轻心， 针对6G技术的研究工作可能为我国提供一种快速发展的技术途径。尽管 当前我国关于6G技术的研究课题很多，但是总体来说，关于6G的技术 研究仍处于探索起步阶段，技术路线尚不明确，关键指标和应用场景还未 有统一的定义，尤其是面向IoT应用的6G技术研究更是少之又少。在已 公开的论文和课题研究中，针对车联网、自动驾驶、星联网应用等方面的 研究仍然

5、比较匮乏。基于上述背景，笔者展开了面向IoT应用的6G技术研究工作。6G 及其相关技术由于可以提供“无处不在的无线智能”服务，受到越来越多 的科研机构和科研人员的热切关注。对比5G技术，6G技术具备超低时 延通信、超高吞吐量、基于卫星的用户服务、大规模自动化网络等非凡特 性。毫无疑问，这些特性将加速I。T网络在数据感知、设备连接、无线通 信、网络管理等领域的应用部署,并为用户提供非同寻常的全新服务体验。 因此，本文从6G的技术应用特点出发，以促使IoT网络能够更好地发展 为目的，对边缘智能、海陆空天一体化通信以及区块链这3种能够促进 IoT网络发展的6G候选技术应用进行了研究介绍。1 6G技术

6、应用1.1 6G的定义6G技术，即第六代移动通信技术，当前属于一个概念性的无线网络 移动通信技术。与5G技术相比，6G网络将是一个地面无线与卫星通信 集成的全连接世界。通过将卫星通信整合到6G移动通信，可以实现全球 无舞覆盖。6G网络信号能够抵达任何一个偏远的乡村，让身处山区的病 人能够接受远程医疗，让孩子接受远程教育。此外，在全球卫星定位系统、电信卫星系统、地球图像卫星系统和 6G地面网络的联动支持下海陆空天全覆盖网络还能帮助人类预测天气、 快速应对自然灾害等。6G通信技术将不再是简单的网络容量和传输速率 的突破，更是缩小数字鸿沟，实现万物互联这一“终极目标”的关键因素。对比5G技术,6G的

7、数据传输速率可能达到5G的50倍，时延缩短 到5G的十分之一，在峰值速率、时延、流量密度、连接数密度、移动性、 频谱利用效率、定位能力等方面远优于5G技术。1.2 6G的优势尽管5G技术已经被证明可以提升服务质量(QUality-Of-SerViCe , QoS),但是5G的技术指标将无法满足2030年及以后IoT服务的技术需 求。面向IoT应用的无线通信技术演进过程如图1所示。同时，由于近 年来视频应用、视频分辨率以及机器互联(machine-to-machnie ,M2M) 通信的流行推广，移动流量将呈指数型增长趋势。图1面向IoT应用的无线通信技术演进据研究表明，对比2020年每月62

8、EB全球移动流量数据,在2030 年,该数据将达到5 016 EBo当前，视频流量在所有移动流量的占比已 经达到了 2/3 ,且每年呈持续增长的趋势。6G在面向IoT的应用上,许 多性能指标上强于5G ,两者的性能指标对比如表1所示。表1 5G技术与6G技术性能对比总的来说，6G在IOT网络的应用方面，主要在以下4个方面体现了突出 的技术优势：高达ITbit/s的高数据速率，可以同时满足大规模IoT网络连接在无缝 移动性、频谱有效性以及移动流量等方面的需求。(2)高达1 Gbitsm2的移动流量密度，可满足高吞吐量需求和IoT设备部 署密度的应用需求。(3)极高的设备连接密度，可达到107个k

9、m2,满足大规模IoT网络设备的 部署要求。(4)低时延可达1010(s,完全满足触觉应用需求，例如自动驾驶、远程 手术等。2边缘智能2.1 边缘智能技术在智能6G系统时代，由于边缘节点强大的计算能力，人工智能(ArtifiCial Intelligence, Al)应用趋向于向网络边界发展。在此背景下，边缘智能技术应运 而生，被认为是AI、通信以及边缘计算等技术的交叉融合。具体来说，边缘智 能是指终端智能，它是融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，并 提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用 智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。边缘智能的资源主要包括从终

10、端到云计算中心传输路径上的所有计算和 网络设备，因此能够为数据源侧单元进行收集、分析和决策任务。相比于传统 应用，未来云计算中心的存储、计算、智能资源将下沉到网络边缘侧，进而推 动智能应用从云端向边缘持续演进。边缘智能技术有望满足基于I。T场景的多 项智能应用的实时响应、智能应用、敏捷感知、隐私保护、数据海量且异构等 多方面的关键需求。2.2 面向IoT应用的边缘智能技术边缘智能技术是I。T设备实现复杂、友好以及安全应用的基础，应用边缘 智能的I。T设备将打开人机交互的新局面。面向IOT应用的边缘智能技术的应 用优势主要体现在以下两个方面。更好的交互体验。人类的大部分交流不仅仅是通过语言来传递

11、，语调、 面部表情、手势等非语言交流方式也是人类用来交流或者理解对方的一些其他 表现形式。在I。T设备中应用智能边缘技术，将使这些信号能够更加高效地传 送给用户，并进一步形成更好的交互体验。提升安全性。边缘智能技术通过对I。T应用中的智能家居进行深度学习 和训练，来识别危险信号，比如警报声、人员突然摔倒、玻璃破裂，以及水龙 头滴水等场景。同时，边缘智能技术可以随时感知设备问题发生的情况，并向 使用者提供及时告警服务，促使使用者能够做出相应反应。与此同时，在面向I。T应用的6G边缘智能技术领域，近年来已经出现了 一些研究成果。例如，文献提出了一种分布式的6G云边协同计算架构，设 计了一种基于雅可

12、比交替方向乘子法的云边协同计算任务的近似调度算法，将 云边协同计算任务的调度问题建模为综合考虑时延、能耗、带宽成本及服务质 量损失等因素的系统开销最小化问题，并通过高效的分布式并行计算方式进行 了求解。仿真实验结果表明，该算法可以在保障用户服务质量的同时，提高收 敛速度和执行效率，降低网络运营成本的相关开销。文献10对面向I。T网络 中的6G技术应用进行了展望，尤其是对边缘智能技术在自动驾驶领域的应用 前景进行了研究，指出边缘智能技术是动态频谱接入的关键技术。研究结果表 明，该技术能够为街上的车辆、路侧单元、路侧平台边缘设备等提供快速可靠 的人工智能数据处理服务。文献口 1提出，对于无处不在的

13、边缘设备，可以利 用基于大数据分析的人工智能技术提供大规模的边缘智能服务。研究实验数据 表明，基于6G的大数据分析通过利用大规模的超高可靠与低时延通信 (Ultra-Reliable and Low Latency Communication, URLLC)和海陆空天一体化技术， 能够明显提升大规模的数据传输能力和数据计算速率。3海陆空天一体化通信3.1 海陆空天一体化通信6G在5G的基础上,将陆地移动通信网扩展至天空,构建了一个天地互联、 陆海空一体、全空间覆盖的超带宽移动通信系统，该系统融合了卫星通信网络、 无人机通信网络、陆基超密集网络、水下通信网络、海洋通信网络等异构通信 网络。海陆空

14、天一体化通信利用全时空信息的持续支撑特性,可以为陆基、海基、 空基、天基等各类用户提供全球随意接入、信息安全可靠服务的能力，是我国 避免受制于人，实现网络强国的重要网络基础设施之一。3.2 海陆空天通信网络架构及其相关应用文献口2提出了一种面向IoT应用的海陆空天一体化通信网络架构，该架 构主要包括空间通信层、大气通信层、陆地通信层以及水下通信层，共4层。(1)空间通信层。空间层利用近轨轨道、中轨轨道以及地球同步轨道，实 现无线通信全覆盖。空间通信技术可以在不同的空间或海拔中进行应用，以此 来满足高吞吐量的空间网络进行星地通信的应用需求。(2)大气通信层。无人机和热气球在大气层中扮演飞行基站的

15、角色，以此 满足大气层覆盖率和连接性的需求。该层可以利用6G网络的超高可靠和低时 延特性管理受灾区域，满足公共安全网络需求以及紧急情况下的应用需求。无 人机也可切换为天线用户接入陆地基站，构建直接的空地链路，用于合作感知 和数据传输。(3)陆地通信层。物理基站、移动设备以及计算中心通过互联实现无线覆 盖和连接。在基于I。T的6G技术应用中，太赫兹频段将被开发利用，从而实 现频谱效率和通信速率的有效提升，尤其是在百万级用户的超高密度异构网络 中将会有广泛应用前景。(4)水下通信层。该层为水下I。T设备提供连接服务，例如为远洋和深海作 业的潜水艇提供连接服务。同时，该层提供水下I。T设备和控制中心

16、之间的双 向通信，用于双方的相互连接。当前，一些研究已经表明，海陆空天一体化通信因其具有便捷性，在面向 IOT的6G技术应用中已经显现出较为广阔的应用前景。例如，文献13提出了 一种基于低轨道地球卫星(LOW Earth Orbi3 LEO)通信的多用户卫星IoT系统。 在该系统中，移动边缘计算服务器与全双工的接入点通过协作的模式建立卫星 链路，以此提升关键任务中I。T应用的通信时延性能。此外，在卫星向路基终 端提供广泛的区域网络连接的应用场景中，文献13将同步无线信息和功率转 换(SimUltaneoUS Wireless Information and PowerTransfer, SWIPT)技术与混合能 量存储方法进行了有机结合，提出了一种星地通信模型，以此最大化I。T终端 的CPU频率、计算任务以及终端发射功率等方面的理想速率。文