科普 | 面向物联网应用的 6G 技术

概括

在物联网（IoT）快速发展和5G大规模商用部署的背景下，在不久的将来，5G的技术指标将无法完全满足大规模物联网的应用需求. 6G技术以其高传输、低​​时延等优异的性能指标受到了学术界和产业界的广泛关注。 因此，为促进物联网网络更好的发展，基于物联网网络的应用需求，研究6G相关的物联网应用候选技术，包括边缘智能、海陆空天地综合通信、区块链技术。 关键技术。

内容目录

16G技术应用 1.16G定义 1.26G优势 2 边缘智能 2.1 边缘智能技术 2.2 物联网应用的边缘智能技术 3 海陆空天一体化通信 3.1 海陆空天一体化通信 3.2 海陆空与空间通信网络架构及相关应用 4 区块链 4.1 区块链技术体系 4.2 6G区块链物联网应用

5 结论

近年来，物联网（IoT）相关技术日趋成熟，物联网系统应用呈现爆发式增长趋势。 物联网及其垂直行业应用遍布各个行业，从个人可穿戴设备、车联网智能交通系统、医疗服务到金融行业。 因此，物联网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，物联网网络必将在未来的信息通信技术中发挥不可或缺的作用。 尽管当前5G技术发展迅速，商用规模不断扩大，但随着智能设备数量的爆发式增长和物联网网络的快速扩张，5G相关技术指标已不能完全满足5G技术标准。物联网网络的持续增长。 例如，自动控制、超大规模集成、高动态和全智能服务等领域的需求。 在不久的将来，快速增长的自动化和智能物联网网络的性能需求很可能超过5G无线网络的最大承载能力。 同时，远程机器人手术、载人飞行器、无人机农业等新的物联网业务和应用的出现，需要服务质量的不断提升和规模化的商业应用，这也给当前的5G带来了巨大的挑战。技术。 挑战。

随着我国对基础信息网络层面投入的不断加强，移动通信技术也取得了长足的进步。 特别是在5G时代，我国率先部署，在多项关键技术上取得重要突破，初步建成了全球最大的5G移动通信网络。 日本、韩国、美国、芬兰等在5G方面落后于我国的国家都特别关注6G技术，希望借助6G实现技术超车。 特别是美国，在6G技术创新方面提前布局，占据有限的轨道位置、卫星位置、卫星频率等通信资源，在大国6G技术博弈中占据优势. 因此，我国绝不能掉以轻心，6G技术的研究工作或可为我国提供快速发展的技术路径。 虽然我国关于6G技术的研究课题较多，但总体而言，6G技术研究仍处于初级探索阶段，技术路线尚不明确，关键指标和应用场景也没有统一定义，特别是对于物联网应用。 6G技术研究更是少之又少。 在已发表的论文和课题研究中，车联网、自动驾驶、星联网应用方面的研究还比较匮乏。

基于以上背景，笔者展开了面向物联网应用的6G技术研究工作。 由于6G及其相关技术能够提供“无处不在的无线智能”服务比特币的技术和应用，越来越多的科研机构和研究人员对其密切关注。 与5G技术相比，6G技术具有超低时延通信、超高吞吐量、卫星用户服务、大规模自动化网络等非凡特性。 无疑，这些特性将加速物联网网络在数据感知、设备连接、无线通信、网络管理等领域的应用部署，为用户提供非凡的全新服务体验。 因此，本文从6G的技术应用特点出发，以促进物联网网络更好的发展为目标，应用了三项能够促进物联网网络发展的6G候选技术：边缘智能、海陆空一体化通信。空间和区块链。 进行了研究报告。

16G技术应用

1.16G清晰度

6G技术，即第六代移动通信技术，目前属于概念上的无线网络移动通信技术。 与5G技术相比，6G网络将是一个集地面无线和卫星通信于一体的全连接世界。 通过将卫星通信融入6G移动通信，可以实现无缝的全球覆盖。 6G网络信号可以到达任何一个偏远的村庄，让山区的病人接受远程医疗，让孩子们接受远程教育。

此外，在全球卫星定位系统、通信卫星系统、地球影像卫星系统和6G地面网络的共同支持下，海陆空天地全覆盖网络还可以帮助人类预报天气，快速应对突发事件。自然灾害。 6G通信技术将不再是网络容量和传输速率的简单突破，更是缩小数字鸿沟、实现万物互联“终极目标”的关键因素。

与5G技术相比，6G的数据传输速率可能达到5G的50倍，时延缩短至5G的十分之一。 而其他方面也远超5G技术。

1.26G的优势

虽然5G技术已被证明可以提高服务质量（Quality-of-Service，QoS），但5G的技术指标将无法满足2030年及以后物联网服务的技术要求。 物联网应用的无线通信技术演进过程如图1所示。同时，由于近几年视频应用、视频分辨率、机器对机器（M2M）通信的普及推广，移动流量将呈现呈指数增长趋势。

图 1 物联网应用无线通信技术的演进

据研究，相比2020年全球每月62艾字节的移动流量数据，到2030年该数据将达到5016艾字节。目前，视频流量占所有移动流量的三分之二，并且每年都在持续增长。 6G在面向物联网应用的多项性能指标上优于5G。 两者性能指标对比如表1所示。

表1 5G技术与6G技术性能对比

总体来看，6G在物联网网络应用方面具有突出的技术优势，主要体现在以下四个方面：

（1）高达1Tbit/s的高数据速率，可同时满足大规模物联网网络连接在无缝移动、频谱效率、移动流量等方面的需求。

(2) 高达1Gbit/s/m2的移动流量密度，可满足高吞吐量要求和物联网设备部署密度的应用需求。

(3) 极高的设备连接密度，可达107个/km2，满足大规模物联网网络设备的部署需求。

(4) 低延迟可达10~100μs，充分满足自动驾驶、远程手术等触觉应用需求。

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（AI）应用倾向于向网络边界发展。 在此背景下，边缘智能技术应运而生，被认为是人工智能、通信、边缘计算等技术的交叉融合。 具体而言，边缘智能是指终端智能。 是集网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，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、安全等方面的需求。 隐私保护等方面的关键要求。

边缘智能的资源主要包括从终端到云计算中心的传输路径上的所有计算和网络设备，因此它可以为数据源侧单元执行收集、分析和决策任务。 与传统应用相比，未来云计算中心的存储、计算、智能资源将下沉到网络边缘，从而推动智能应用从云端向边缘不断演进。 边缘智能技术有望满足基于物联网场景的实时响应、智能应用、敏捷感知、隐私保护、海量异构数据等多种智能应用的关键需求。

2.2 面向物联网应用的边缘智能技术

边缘智能技术是物联网设备实现复杂、友好、安全应用的基础。 应用边缘智能的物联网设备将为人机交互开辟新局面。 边缘智能技术对于物联网应用的应用优势主要体现在以下两个方面。

(1) 更好的交互体验。 人类的大部分交流不仅通过语言来传递，而且非语言交流方式，如语调、面部表情和手势，也是人类用来交流或相互理解的其他一些表达形式。 智能边缘技术在物联网设备中的应用，将使这些信号更高效地传递给用户，进一步形成更好的交互体验。

(2) 提高安全性。 边缘智能技术在物联网应用中针对智能家居使用深度学习和训练来识别危险信号，例如警报声、人员突然跌倒、玻璃破碎和水龙头滴水等。 同时，边缘智能技术可以随时感知设备问题的发生，为用户提供及时的报警服务，提示用户做出相应的反应。

同时，在面向物联网应用的6G边缘智能技术领域，近年来也出现了一些研究成果。 例如，文献[9]提出了一种分布式6G云边协同计算架构，设计了一种基于雅可比交替方向乘数法的云边协同计算任务近似调度算法。 将调度问题建模为综合考虑时延、能耗、带宽成本、服务质量损失等因素的系统开销最小化问题，采用高效的分布式并行计算方法求解。 仿真结果表明，该算法在保证用户服务质量的同时，提高了收敛速度和执行效率，降低了网络运营成本的相关开销。 文献[10]展望了6G技术在物联网网络中的应用，特别研究了边缘智能技术在自动驾驶领域的应用前景，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，该技术可为街道车辆、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[11]提出，针对无处不在的边缘设备，基于人工智能技术的人工智能技术大数据分析可用于提供大规模的边缘智能服务。 研究和实验数据表明，基于6G的大数据分析可以利用大规模超可靠和低延迟通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communication，URLLC）和海、陆、空，显着提高大规模数据分析和空间集成技术。 传输容量和数据计算速率。

3 海陆空天一体化通信

3.1 海陆空天一体化通信

6G在5G基础上，将陆地移动通信网络向天空延伸，构建天地互联、陆海空一体化、空间全覆盖的超带宽移动通信系统。 异构通信网络，如密集网络、水下通信网络和海洋通信网络。

海陆空天地一体化通信利用全时空信息的持续支撑特性，可为陆基、海基、天基、天基等用户提供全球随机接入和提供安全可靠的信息服务的能力。 实现网络强国的重要网络基础设施之一。

3.2 海陆空天地通信网络架构及相关应用

文献[12]提出了面向物联网应用的海陆空天一体化通信网络架构，主要包括四层：空间通信层、大气通信层、陆地通信层和水下通信层。

(1)空间通信层。 空间层利用低轨、中轨、地球同步轨道实现无线通信全覆盖。 空间通信技术可应用于不同空间或高度，以满足高通量空间网络对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中扮演飞行基站的角色，满足大气覆盖和连通的需求。 该层可以利用6G网络的超高可靠性和低时延特性，管理受灾地区，满足公共安全网络需求和紧急情况下的应用需求。 无人机还可以切换连接到地面基站，供天线用户建立空地直接链路，实现协同感知和数据传输。

(3) 陆地通信层。 物理基站、移动设备和计算中心相互连接以实现无线覆盖和连接。 在基于物联网的6G技术应用中，将开发利用太赫兹频段，有效提高频谱效率和通信速率，特别是在百万用户的超高密度异构网络中，将具有广阔的应用前景.

(4) 水下通信层。 该层为水下物联网设备提供连接服务，如为在海洋和深海作业的潜艇提供连接服务。 同时，该层提供水下物联网设备与控制中心之间的双向通信，实现双方的相互连接。

目前已有研究表明，海陆空天一体化通信因其便利性，在6G技术应用于物联网方面显示出广阔的应用前景。 例如，文献[13]提出了一种基于低地球轨道（LEO）通信的多用户卫星物联网系统。 在该系统中比特币的技术和应用，移动边缘计算服务器与全双工接入点通过协作模式建立卫星链路，以改善物联网应用在关键任务中的通信时延性能。 此外，在卫星为路基终端提供大范围区域网络连接的应用场景中，文献[13]将同步无线信息和电力传输（SWIPT）技术与混合储能方式有机结合，形成了星地通信提出模型以最大化物联网终端的CPU频率、计算任务和终端发射功率的理想速率。 文献[14]提出了一种在无线6G通信场景下通过无人机（UAV）万物互联的方法。 该方法可以支持不同的数据传输方案，用于物联网数据感知、应急搜索和监控。 、视频数据流等物联网应用领域。

4 区块链

4.1 区块链技术体系

目前的中心化网络面临诸多瓶颈，如数据中心维护成本高，无法适应万物互联场景等。 因此，在面向物联网应用的6G系统中，可以通过区块链构建“去中心化”的网络架构，解决物联网网络中设备的安全和隐私问题。

具体来说，区块链作为一个技术体系，由不同所有权的分布式数据库组成，将数据块按时间顺序组织成链式结构，同时应用密码学算法保证区块链公开、安全、可追溯、不可篡改。互联网上的数据和行为记录。 同时，可以利用区块链的共识机制进行交易验证，防止恶意攻击、篡改，减少网络攻击、恶意节点的欺骗以及来自外部环境的攻击。

4.2 面向物联网应用的 6G 区块链

一般来说，面向物联网应用的6G区块链可分为公有链和私有链。 公链是指允许世界上任何人读取和发送交易并获得有效确认，也可以参与其共识过程的区块链。 公链最广为人知的应用是比特币和以太坊。 私有链是对个人或组织开放的区块链系统，即由一个组织控制系统的读写权限。 私有链的应用场景一般包括两个方面，一是公链的区块链功能验证，二是企业内部审计管理。

由于区块链具有去中心化、可追溯、高可靠、不可篡改等特点，区块链技术体系在面向物联网的6G生态系统中，在安全隐私方面将有非常广泛的应用场景。 例如，在基于物联网的6G通信环境中，文献[15]利用区块链去中心化和不可篡改的特性构建网络安全接入体系，实现可靠的资源访问控制和用户隐私保护。 在6G无人机应用方面，文献[16]构建了基于区块链技术体系的安全自动化系统。 在该系统中，无人机作为区块链用户与地面基站之间的通信载体。 此外，无人机、地面用户和网络运营商都可以使用账本中的可信数据，实现数据的安全交换和共享，提高任务完成效率。 在6G智慧健康应用方面，文献[17]提出了基于物联网的6G康复系统，可以利用区块链技术体系构建信任体系，无需第三方干预，从而降低康复成本。

5 结论

简单的物联网连接时代即将结束。 未来，将通过6G技术构建复杂的物联网网络，构建智能化、泛在互联的人类社区。

本文首先提出了当前物联网网络的应用需求以及6G技术对物联网应用的研究意义； 其次介绍了6G技术对物联网应用的应用技术优势； 最后重点介绍了物联网应用的应用前景。 6G候选技术包括先进边缘智能技术、海陆空天一体化通信、区块链技术体系等三项。

总体而言，目前针对物联网网络的6G技术研究相对匮乏，相关技术体系和技术手段还不够成熟，整体研究还处于初步探索阶段。 但不可否认的是，6G技术将对未来物联网网络的应用和发展起到至关重要的作用。 笔者相信，科研人员将紧跟信息化发展前沿，攻坚克难，不断创新，加快6G技术在我国物联网应用的商用化和规模化发展。

引用这篇文章

苗彦涛，吴强，徐金良，等。 面向物联网应用的6G技术[J]． 通信技术, 2022,55(9):1160-1164.

关于作者

苗彦涛，男，硕士，工程师，主要研究方向为新一代移动通信网络与网络安全；

吴强，男，硕士，工程师，主要研究方向为网络安全与机器学习；

徐金良，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为网络安全；

李彦臣，男，硕士，助理工程师，主要研究方向为新一代移动通信网络与网络安全；

王耀，男，本科，助理工程师，主要研究方向为新一代移动通信网络与网络安全。

选自《通信技术》2022年第9期（为排版方便，原文中的引用已省略）

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