1.3　6G性能需求和频谱规划

5G的驱动力来源于消费者不断增长的流量需求，以及垂直行业的生产力需求。而6G的驱动力除了来自传统消费者和垂直行业，还有社会驱动因素，包括经济、社会、技术、法律和环境等方面的社会需求，以及进一步促进数字社会的包容性与公平性等内容，比如，让全球贫困人口、弱势群体和偏远的农村居民都能公平地享受到教育、医疗保健等服务。

相比5G，6G具有更好的包容性和延展性，因此，6G不只是传统运营商的生态系统，还会在传统运营商之外产生新的生态系统。如图1-15所示，6G的核心功能之一就是更好地把物理空间和信息空间关联起来，有效地促进信息物理融合，使得传统的信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）能够更好进行演进，满足全方位的需求。

1.3.1　6G多极致性能需求

为了支撑全新应用场景以及全方位的需求，6G的频谱效率、网络能效、峰值速率、用户体验速率、时延、流量密度、连接数密度、移动性、定位能力等关键指标相较于5G都有了明显的提升。从覆盖范围上看，6G不再局限于地面，而是实现地面、卫星和机载网络的无缝连接。从定位精度上看，传统的GPS和蜂窝多点定位精度有限，难以实现室内物品精准部署，6G则足以实现对物联网设备的高精度定位。同时，6G将与人工智能、机器学习（Machine Learning，ML）深度融合，智能传感、智能定位、智能资源分配、智能接口切换等都将成为现实，智能程度大幅提升。

为支持高保真的全息通信，6G峰值速率将在100Gbit/s～1Tbit/s，而5G峰值速率仅为10～20Gbit/s；6G用户的体验速率将达到Gbit/s级别；对于高精度的需求，例如超能交通，则要求具有比5G更低的端到端的时延，6G的时延指标大约为0.1ms，是5G的十分之一；6G具有超高可靠性，中断概率小于百万分之一；对于超大规模的连接场景，例如智慧城市群、智能工厂等，则需要同时支持超海量的无线节点，6G最大连接密度需达到每平方千米亿个连接的级别；与此同时，面对未来巨大的能源消费压力，6G需要尽可能地提高网络能效。6G与5G关键性能指标见表1-1[14-15]。6G与5G的性能增益如图1-16所示。6G将在时延、吞吐量、可靠性、覆盖范围等方面有显著增强，以便更好地支撑智慧城市、VR/AR、智慧医疗、智能制造、工业互联网、自动驾驶、全息通信等。

从定位精度上看，6G室内定位精度为10cm，室外定位精度为1m，相比5G提高10倍，以便实现对物联网设备的高精度定位。

1.3.2　6G技术特征

为了满足上述性能指标，6G将采用更高的频谱以获得更宽的频率带宽，也便于部署更多的天线，从而获得更高的频谱效率。随着频段频率的增加，天线体积将越来越小，频率达到250GHz时，4cm2面积上足以安装1000个天线，这对集成电子、新材料等技术是巨大的挑战。此外，6G将采用先进的体系架构，实现通信−感知−计算深度融合，从而提升智能性、减少端到端时延、减小能耗和提高定位精度等。在链路级，6G将进一步探索更先进的多址接入、调制、编码和信道估计检测技术等；在系统级，6G将进一步协同通信、计算、感知、算力和AI资源，实现智能的频谱感知和干扰控制，进一步提升连接数、组网效率和移动性等。

需要说明的是，未来数字世界将与物理世界深度融合，人们的生活将愈发依赖可靠的无线网络运行，这对无线网络的安全问题提出了更高的要求。6G网络应具备缓解和抵御网络攻击并追查攻击源头的能力。更进一步，万物互联将产生海量数据信息，一方面，这些数据关乎个人和企业隐私，实现可靠的数据保护是6G推广应用的前提；另一方面，实时处理这些数据需要成熟的边缘计算技术，但也面临数据访问受限、设备计算能力和存储能力不足等问题，这些都要求6G生态不断扩展和完善。

1.3.3　6G频谱规划

日益增长的信息处理需求同样给无线频谱资源带来了巨大压力。频谱资源作为移动通信技术发展的核心资源，频谱划分是产业的起点，将在很大程度上决定产业的发展方向、节奏和格局。在5G时代，我国率先在全球规划及分配5G中频段3.4～3.6GHz及4.8～5.0GHz频段，为运营商分配至少100MHz的连续频谱资源，加快了我国5G网络部署的节奏，为我国成为5G系统研发和部署的先行者之一奠定了基础，并且在极大程度上影响了全球5G产业向中频段聚集。另外，工业和信息化部于2017年7月批复24.75～27.5GHz和37～42.5GHz频段用于我国5G技术研发毫米波实验频段，在实验室以及北京的怀柔、顺义地区开展了试验[16]。

为了满足5G三大应用场景需求，5G统筹300MHz～300GHz低中高全频段频谱，其中3GHz以下为低频段，3～6GHz为中频段，6～300GHz为高频毫米波频段。低频段提供广域覆盖；中频段提供容量与覆盖支持；高频毫米波频段能够提供连续的大带宽，满足热点区域极高的用户速率和大系统容量需求，能为用户提供低时延接入。

随着通信需求的不断提高，移动通信网络需要更多的频谱。由于6GHz以下的频谱已经分配殆尽，26GHz、39GHz的毫米波频段已经分配给5G使用，需要采用更高频段，如太赫兹和可见光，以满足更高容量和超高体验速率的需求。目前满足6G需要的频谱资源主要集中在毫米波、亚太赫兹和太赫兹频段，300GHz～10THz的亚太赫兹和太赫兹频段成为关注的焦点。图1-17所示为无线移动通信频谱规划。

6G将全频谱接入，支持3GHz以下低频段，包括3.3～3.6GHz和4.8～6GHz在内的中频段，24.5～27.5GHz、37～43.5GHz和66～71GHz在内的毫米波频段，引入潜在的140～220GHz、275～296GHz、306～313GHz、318～333GHz和356～450GHz太赫兹频段以及可见光波段，并将兼容非授权频段和卫星频段等。

2019年世界无线电通信大会（WRC-19）就毫米波频段、太赫兹地面通信频段的划分和高空平台通信新增使用频段等议题达成共识。全球范围内将24.25～27.5GHz、37～43.5GHz、66～71GHz共14.75GHz带宽的频谱资源，标识用于IMT未来发展，上述3个频段在我国也将被用于5G及6G系统的发展[17]。

为了满足太赫兹频段通信产业发展需求，WRC-19最终确定275～296GHz、306～313GHz、318～333GHz和356～450GHz频段由各主管部门用于实施陆地移动和固定业务应用，不需要特定条件来保护卫星地球探测业务（无源）应用，这些都属于太赫兹频段范畴。太赫兹指频段0.1～10THz（波长为30～3000μm）的电磁波，具有约10THz候选频谱；而可见光通常指频段430～790THz（波长为380～750nm）的电磁波，具有约400THz候选频谱；两者都具有大带宽的特点，易于实现超高速率通信，是未来移动通信系统的潜在补充。

需要注意的是，可见光和太赫兹的空间传输损耗都很大，因此在地面通信中不适用于远距离传输，而适合于在局域和短距离场景提供更大的容量和更高的速率。为了扩大覆盖范围，可见光通信可利用其低功耗、低成本、易部署等特点，与照明功能结合，采用超密集部署实现更广泛的覆盖；而太赫兹通信由于波长短、天线阵子尺寸小、发送功率低，更适合与超大规模天线结合使用，形成宽度更窄、方向性更好的太赫兹波束，有效地抑制干扰，提高覆盖范围。

目前的频谱管理大多是依照传统的静态频谱分配模式进行的。静态频谱分配就是为已授权的用户提供一个固定的频谱，具有独占性，被授权用户即使在某段时间或空间内不使用，频谱资源暂时空闲，其他用户也无权使用。这种模式让本来就紧缺的频谱资源在时间或空间上白白浪费。5G和6G应用场景更丰富，规模更大、连接设备更多，需要智能化的频谱管理系统，科学、高效、精细化地管理频谱资源，优化网络性能，化解供需矛盾，基于认知的智能频谱管理是6G的一大特征[16]。

（1）智能频谱感知

频谱感知是先进频谱管理的基础。频谱感知网络由监测网络、探测网络和测向网络组成，有固定式、车载式、机载式、舰载式和便携式等，可以对天、地、海立体空间进行全方位布局，采集频谱数据，并把采集到的频谱数据上传汇聚至频谱云。频谱感知网络采集3个维度的数据：频域、时域和空域。在频域，采集频率、带宽、调制参数、功率和信号来波方向等数据；在时域，采集日期、时间等数据；在空域，采集高度、经度和纬度等空间数据。频谱感知的数据结合频谱云所装载的地理信息、电波环境信息，构成频谱大数据库。频谱数据不仅具有大数据四大特征（4V）：大量、高速、多样、价值，还具有频域、时域和空域多维度上的相关性，使频谱感知系统具有预测能力。时域频谱预测通过历史频谱信息建立频谱占用模型实现频谱感知，频域频谱预测根据已获得的感知结果来推断相邻或其他信道的状态，空域频谱预测在推断频谱状态的同时考虑次用户的位置和认知系统覆盖范围。基于预测的频谱感知系统可以进一步优化监测、测向和探测网络感知策略，提高频谱感知效率，还可以利用神经网络计算方法降低信号噪声，提升感知灵敏度。

（2）动态频谱共享

动态频谱共享指两个或多个用户以分时的方式享用同一频段或部分频段频谱资源，是提高频谱利用率、解决频谱资源供需矛盾的重要方法。提供频谱资源或授权的用户被称为主用户，共享主用户频谱资源的用户是次用户。动态频谱共享指当主用户有空闲频谱时，次用户接入；主用户没有空闲的频谱时，次用户等待主用户的空闲频谱出现；当主用户要使用被次用户占用的频谱时，次用户必须立即释放占用的频谱给主用户使用。动态频谱共享有主次之别，以主用户为主、次用户为辅。动态频谱共享能让空闲频谱得以充分利用，有效提高频谱资源利用率，它应用灵活、适用范围广，但技术难度大，实现富有挑战性。在频谱资源竞争越发激烈的环境下，许多国家都在推动动态频谱共享技术。