面向6G多载波多模态融合组网及关键技术探究*

赵喆，王菲，张康杰

（1.中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057；
2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518057）

5G NR 系统标准化之前，业界已意识到：网络KPI性能提升不再是唯一追求，面对垂直行业蓬勃发展，5G网络需要灵活高效地支持更多样化业务。当时业界形成统一的认识，提出eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带）、URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，超低时延且超高可靠）、mMTC（大规模机器连接，Massive Machine Type Communication）三大典型业务应用场景。不同的业务场景对于性能指标的要求不同，例如：虚拟现实更注重时延和峰值速率，而对连接密度和移动性要求较弱；
物联网更注重可靠性、连接密度和能耗指标，却对于峰值速率和移动性要求不高。为了支持这三大差异化场景，5G NR 在架构设计方面引入了控制面和用户面解耦、核心网和接入网解耦和网络切片等技术[1]，使运营商可以更灵活高效地组网部署，在一个基础硬件之上利用软件手段切分出多个虚拟的端到端网络。切分出来的每个虚拟网络，从接入网到传输网和核心网都实现逻辑层面的隔离分治，不同的切片可以适配不同的业务需求。资源编排方面，5G 支持五种子载波间隔以及254 种上下行子帧配置，并且原生地支持CA（Carrier Aggregation，载波聚合）、RAT 制式双连接DC（Dual Connectivity，双连接）[2]、MR-DC（异RAT 制式双连接，Multi-RAT Dual Connectivity）[3]和SUL（Supplemental UL，补充上行机制）等功能，进一步丰富增强了跨载波频段的联合互操作方式等[4]。

虽然5G NR 系统设计较大地超越4G 基础，引入了诸多新特征功能，但5G 设计思路以eMBB 为基础，URLLC 和mMTC 的功能是在eMBB 的基础上增加或裁减，导致URLLC 和mMTC 内核过重，并且无法满足除三大场景之外的新场景需求。

本节将分析传统多载波多频段组网技术的痛点弊端、业界发展动态和未来趋势需求等方面。

1.1 5G痛点弊端分析

从资源使用角度看，为了灵活满足不同的用例业务，需要多载波多频段的灵活搭配使用。5G 系统设计虽然原生地支持CA/DC/SUL 多载波技术，但是CA 和SUL 使用存在一些重叠，面向未来新组网的复杂场景用例会有额外冗余的协议复杂性。随着5G-A 和未来6G 更多新频段和更大带宽资源的引入，例如毫米波微波[5]，传统设计理念和技术模式只会导致上述痛点弊端越来越凸显，无法适配各种动态灵活组网和新型业务应用的需求。例如，面对To B（To Business，面向企业）场景下以机器视觉为代表的大上行传输需求，需要对上行CA 技术进一步扩展增强；
面对更大的网络节能需求，跨小区系统消息发送机制需要进一步增强；
面对空天地一体化组网场景，还需要综合考虑MR-DC技术增强等[6]。由于5G NR 系统当初缺乏统一的多载波多频段智能融合组网的设计考虑，上述各种技术增强将会为未来网络带来越来越多的补丁和系统复杂性。

从服务的角度来说，现有标准使用网络切片作为逻辑网络支持不同种类的业务，核心网可以配置切片的专属网元，提供不同的网络功能服务。接入网主要负责资源和调度的隔离和区分处理，随着功能需求的多元化以及通算智的融合，业务流程也会产生一系列的影响：1）算力任务和智能任务的发起者、业务流程和交互方式与会话任务不同：业务发起者可能非UE 或核心网；
2）业务流程不同：可能产生非端到端的交互；
3）交互方式不同：由点对点变为多点交互。上述变化导致接入网络业务流程的变化，现有接入网“烟囱式”的架构设计的主要出发点是无线空口资源的高效利用，并不是为了空口连接的灵活性和开放性，无法满足全连接、泛连接、内生感知，内生智能，内生可信/安全等要求。未来系统架构需要考虑数据面、智能面在原有系统中的融合形式以及接口，使系统内原生地支持计算能力、智能的计算、训练和传输的能力。

从开发运维角度看，To B 协议功能完全是脱胎于To C（To Consumer，面向个人）的，当前5G 系统内核沉重，网络运营商需要在To C 基础上做裁剪或新增，导致协议波及功能多，版本波及模块多，研发需要耗费大量的人力通过从大版本拉分支的方式重开发，代价极高。To B 功能版本的迭代速度与To C 有差异，其更新换代的节奏可能更快或者更慢，协议的更新周期很难兼顾二者差异化的要求。

1.2 5G-A发展新需求特征分析

基于5G-A 时代潜在的新业务新场景，在频谱灵活使用方面，3GPP RAN1 已经开始讨论以下几个增强方向：空闲态下，多载波系统消息发送方式的增强，系统消息仅在下行锚点载波发送，给UE 提供多个载波资源。连接态下，提供多载波灵活使用，一个服务小区可包括多个载波，UE 可以灵活使用多个载波的资源，省去辅载波搜索、时间和频率同步以及RSRP（Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率）测量等的过程或延迟，实现了即时宽带传输，从而提高了用户感知数据速率。从智能化方向，标准化定义了NWDAF（Network Data Analytics Function，网络数据分析功能）可功能和相关机制流程，更进一步地，标准已经开始研究N2 接口的服务化，增加接入网和核心网网络功能的直接接口以及接入网之间的交互，提升交互的效率和灵活性。

5G-A 已经针对新场景进行标准化设计，但是受限于现有NR 框架以及复杂度，很难从根源上进行变革。6G接入网将会全盘考虑资源、服务和网络间的编排和开放，一开始就将多载波融合、服务组件可编排、服务开放作为基本要素进行设计，从而按需满足不同的组网目标。

接下来本文将展望6G 发展趋势、6G 架构潜在特点以及关键技术。

1.3 6G时代融合趋势展望

（1）丰富的业务场景和极致的需求

6G 时代相比5G 时代，业务场景将进一步扩展，新场景层出不穷，如全息通信业务（高吞吐量低时延）、虚拟现实、卫星宽带业务（超高速率，超音速客机可以达到2 140 km/h）、工业互联网（超低时延、确定性指标）、通感融合业务（感知能力、超可靠、超灵敏，安全隐私）[7]、普惠智能服务（行业子网敏捷按需定制）、绿色低碳集约通信[8]等。6G 移动新网络将向更高的工作频段扩展，进一步向数据功能、感知功能、智能功能、安全可信的能力扩展[9-10]。6G 相比5G 网络不仅在现有能力上需要巨大的提升，也需具备许多新能力，如网络的感知能力、智能自组织能力等。

（2）差异化定制化服务

基于第一点所列举的丰富业务场景，6G 时代网络有两个重要的趋势，一个是差异化，另一个是定制化[11]。因为用户、需求和环境组合的复杂性，要应对不同情况下的业务需求，移动通信网需要预留额外资源做备用。

（3）绿色可持续

移动通信网络的投入越来越高，极大地拖累了网络设备的更新；
同时绿色双碳也成为悬在6G 上空的达摩克利斯之剑。这要求6G 能够降低成本、可持续演进、多系统兼容。

（4）内生数字智能

6G 网络如此繁多的需求功能和差异性，使学习成本和管理成本都大幅提高，这不利于6G 网络的推广和垂直行业的应用，因此网络内生的数字化智能化是6G 网络的必然要求。

2.1 新理念范式

基于上述的5G-A 和6G 时代融合趋势和展望，可预测6G 组网服务将呈现出新的范式特征：

（1）网络性能空间从预设确定向自适应弹性转变

针对通感算智等“新功能”的融合以及绿色可持续的愿景，6G 网络性能空间不再是单一维度的指标，而是需要同时满足多维度指标；
6G 技术指标也不再仅依靠传统关键性能指标（KPI,Key Performance Indicator），例如：峰值速率、时延、频效、容量、覆盖，而是在此基础上增加了关键价值指标（KVI,Key Value Indicator）体系的考量，例如：安全等级、智能等级、感知等级、能耗等级等[4-5]。性能指标数量和维度的扩展促使6G 网络性能空间从预设确定的性能空间，向自适应弹性的性能空间转变，进而导致6G 网络设计范式的转变。

（2）网络架构逐步呈现“柔融信智简”的特征

为了满足自适应弹性性能空间的要求，6G 系统架构需要从柔性/韧性（柔）、扩展性（融）、智能化（智）、可持续性（简）等方面进行全面升级。柔性/ 韧性主要是针对“多样化不确定性”的支撑；
扩展性是针对通感算智等“新功能”的融合。6G 网络架构的设计范式从静态僵硬转变为可编排可扩展、从局部安全转变为内生安全、从局部智能转变为内生智能。

（3）网络架构范式从面向场景设计转变为面向组网的设计

“柔融”理念虽然是解决“易变性、不确定性、复杂性、模糊性”的有效手段，但是在提高系统灵活性的同时，也引入了复杂度高的问题。从国家碳中和的方针政策出发，网络架构需要兼顾“简”与“柔”，不仅支持灵活的场景编排，还需要支持至简的架构和协议栈。为了同时满足以上两个目标，6G 系统需要满足以下六个特征：

1）系统资源池化和解耦，自适应匹配终端的不同业务需求，并便于系统资源共享或复用。

2）系统功能服务组件化，将功能划分为原子化组件，并处于零组合约束的初始状态，具有按需可编排的能力，便于编排以满足各种场景需求。

3）内生智能，智能“黑盒化”，降低系统复杂度。

4）基站功能配置需要差异化：基站并非需要大而全的所有功能，而是需要有明确的服务分工；
基站功能差异旨在对基站进行分类，从传输类型分类：某些基站专注于数据传输、某些基站功能专注于广播和信令发送；
从业务场景分类：某些基站仅用于垂直网络、某些基站只用于覆盖、某些基站仅用于容量提升。从功能分类：某些基站具有算力、AI、资源编排、服务编排的功能、某些基站高度定制化。如此分类后极简基站提供侧重于“简”；
多功能基站侧重于“柔”。

5）网络之间实现资源能力开放和共享，网络能力将成为一种服务进行开放交易，这样不仅可以提升网络资源的利用效率，也可以促进运营商的提质增效。简化不需要的功能，可以有效提升网络的效率；
通过功能编排针对不同的第三方用户开放不同的功能，从而实现差异化服务，也有助于降低用户的费用。

6）网络之间形成闭环的小生态圈，使行业拥有独立自主权，打造真正受行业欢迎及认可的商业模式。

以上六大特征使基站之间不仅可以通过组件原子化进行服务和资源共享，还可以共享编排结果，形成可以交易的生态，网络架构范式从面向场景设计转变为面向组网的设计（静态业务场景驱动转变为动态多级场景驱动）。

本文接下来将系统地阐述上述理念的支撑技术：元小区模型设计和智能融合组网。其中元小区设计从资源可编排、服务可定制化的角度展望6G 的小区新形态，智能融合组网侧重于基于新小区模式的衍生出的新商业模式。

2.2 元小区模型设计

如图1 所示，新一代小区模型不再使用传统的“烟囱式”架构：资源与服务紧耦合，上下行传输紧耦合，资源与资源紧耦合，而是通过“功能服务原子化”、“资源池化”和“功能解耦”的思想实现“柔”[13-14]。对于资源层，每层的资源形成“资源池”，高低频资源可编排，上下行链路关系可编排，不同的载波频段灵活组合部署。对于服务层，实现服务的组件化和可编排，不同组件灵活串联；
进一步地，资源层与资源层之间、资源层与服务层之间的资源形成跨层资源可编排，不同服务可以灵活选择不同的资源，即“层内池化；
层间解耦”的思想，从而形成meta-cell 元小区（meta-cell 暗含“小区之源”“小区的本质”“小区的抽象”之意，也可以理解为未来小区形态）的新技术体系。

图1 元小区模型

（1）载波池

元小区包含多个载波，形成载波池，终端可以按需使用载波资源。在高吞吐量场景，在射频层面聚合多个载波供终端使用，基带调度无感，避免当前标准上载波聚合启用辅载波的信令和维护开销；
在多业务并发场景，同时使用不同特性的载波资源以适应不同业务需求。下面将介绍多载波联合使用或者灵活解耦的相关技术。

载波级联：将多个零散的射频载波聚合为一个连续的基带载波（聚合点在射频）。在射频层面对多个载波进行载波级联后，基带看到的是合并后的虚拟载波，该虚拟大载波形成更大的连续频谱资源，使基带可以统一进行资源配置、资源调度和调度反馈，从而满足大吞吐量需求。相对于CA，由于聚合点在射频，所以载波间操作涉及到的高层信令开销更小，更适用于频点相近、特性相似的载波。

虚拟BWP（Bandwith Part，带宽部分）：与载波级联目的都是聚合零散载波，不同点是资源的聚合点在基带而不是射频。在多载波场景中，小区的一个虚拟BWP可以映射为多个BWP，其中每个BWP 对应一个载波，虚拟BWP 的带宽等于这些对应BWP 的带宽之和，UE 可以同时支持多个虚拟BWP。小区中的物理信道/ 信号基于虚拟BWP 进行配置，调度和资源分配同样也是基于虚拟BWP 进行处理。多载波聚合的操作在BWP 层级，资源维护的成本介于CA 和载波级联中间，但调度灵活性相对于载波级联会更高。

上下行载波解耦：为上下行载波灵活配置的方法。小区可包含一个上行链路池和下行链路池。上行链路池由多个上行载波组成，以及每个上行载波所对应的上行物理资源，其中上行物理资源包括上行物理信道和上行参考信号。同理，下行链路池由多个下行载波组成，以及每个下行载波所对应的下行物理资源，其中下行物理资源包括下行物理信道和下行参考信号。

（2）信道池

随着XR（Extended Reality，扩展现实）业务的兴起，业务的多样性增加，同一个数据流中可能包含不同的优先级和不同传输要求的子数据流，如果这些子数据流映射封装在一个TB 中发送，则无法兼顾子数据流的业务多样性（不同的子数据流将采用相同的MCS），每个数据流的时延或可靠性也就不能得到很好的保障。

为了区分不同QoS（Quality of Service，服务质量）的数据流，同一个用户在同一个slot 调度多个TB（Transport Block，传输块），每个TB 传输不同的子数据流，使用不同的传输信道（即传输信道池）独立地进行优先级排序、MCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码策略）选择、频域位置选择以及HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重传请求）反馈，对于关键子业务流，提高其调度优先级；
对于高可靠性子业务流，降低MCS 并且选择低干扰的频谱位置进行发送。不同子业务流拥有单独的HARQ 反馈机制，以降低业务传输时延[15]。

（3）组件池

将接入网功能划分为多种组件形成组件池进行编排。组件编排的范围由大到小又分为行业级模板编排、工作流级静态模板编排以及工作流级动态编排。其中行业级模板编排用于提供给垂直行业，更新周期长；
工作流级模板为每个工作流设计模板，该模板根据工作流的生命周期建立以及释放；
工作流级动态编排是指为每个工作流设计多个模板，每个模板根据工作流内数据包的不同优先级动态切换，为用户业务提供最精准的服务。

（4）服务池

未来通信系统可以提供的服务包含但不限于系统消息服务、接入服务、寻呼服务、移动性服务、信令传输服务、数据传输服务、AI 服务、感知服务、可信可交易服务。服务池化是指不同网络间的服务共享和开放。资源（包括载波资源和信道资源）和功能组件化后，服务池里的每个服务都可以由一组实体、信道和载波编排形成。对于数据传输和控制信息/系统消息发送类型的服务，首先需要进行资源的选择；
其次需要实现服务和资源的解耦，使传输服务可以在底层资源发生变化时保持连续，以及按需进行控制信息和系统消息发送载波的选择；
最后，通过组件的编排来实现传输的差异化处理。对于新能力服务的实现，同样也需要载波、信道和组件的联合编排，不同服务可以使用不同的资源、占用不同的信道集和不同的组件集。使用元小区模型后，未来接入网在网络切片中的作用除了资源隔离和调度区分，还应该提供一定程度的编排能力，相对于5G 可以更细颗粒度提供对于切片的支持。图2 是5G网络切片和6G 网络切片的对比示意图，从图中可以看出，5G 切片主要是核心网的差异化，而接入网主要负责资源和调度的隔离和区分处理，可定制化能力不足。6G 网络切片接入网部分将进行定制化的增强，使切片的服务更加丰富，可以更好地贴合未来通信发展的需求。

图2 6G网络切片编排模型

2.3 智能融合组网

传统网络和组网是一种主要由专业的运营商运营和管理的静态规划且相对封闭的网络和组网，这类网络功能全面且性能强大，但是也存在规建运维优复杂且耗时，工程师专业性要求高，适配垂直行业、家庭和用户需求不准确，成本和能耗偏高等问题。面向6G 的组网，需要一种基于赋能的多模态网络和组网生态，运营商网络的一部分作为基础网络或元网络，赋能垂直行业、家庭和用户网络。组网与网络既服务的新范式包含两个方面，一个是开放多元化网络平台，另一个是多模态网络架构。

（1）开放多元化网络平台

开放多元化网络平台强调的是网络的赋能，在组网方面主要是网络内各单元之间的赋能。网络内部各单元具备不同能力，传统思想将网络内各单元与网络耦合在一起，作为一个整体考虑，这样网络内各单元与整个网络的能力和用途比较固定，当遇到波动时只能通过网络整体增加冗余来抵掉波动带来的能力不足，缺乏灵活性并且资源利用率较低；
另外网络整体规模大成本高，更新频率无法跟上外界需求的变化。当网络变化成为平台后，资源整合更加灵活多样，内部各单元可以相互赋能，如在接入网侧，通过多频段合作，使一个基站代发一个或多个基站的系统消息，可以延长基站休眠的时间，更好地提高网络的能效。同时可以将单元能力进行重构，对整个网络的结构进行调整，如将控制面和高层功能集中在低频基站，简化部分高频基站的功能，只保留简单的数据传输能力，可以有效降低基站成本，并且可以进一步实现基站的即插即用。

（2）多模态网络架构

多载波多频段融合组网架构，包含以下四种网络模式：大网网络、垂直网络、功能网络和用户网络，可以将一方的网络和/ 或其服务集成到其他方的网络和/ 或服务的网络中，便于进行资源共享和服务共享。

1）大网（X-Net,meta-cell）

大网是按照元小区meta-cell 模型设的大而全的网络，可支持To X（To B/To C）。频谱上，囊括中高低频多载波的资源，给上层业务提供灵活的选择；
功能上，提供基础功能组件和专有功能组件以及专有网络的智能编排服务、计算服务、智能处理服务、感知服务，并通过对外接口向第三方开放。针对具体场景，客户仅仅需要提供如QoS、带宽、用户数、安全要求、感知要求、智能要求等信息，网络侧把这些信息作为输入提供给感知引擎进行识别和转译，并生成需求模板，再使用数字孪生技术对资源的匹配和组件的编排结果反复模拟和迭代，生成最适合当前场景的编排结果。最后根据结果输出特定场景对应的资源和参数，进行切片的部署（包括使用的载波资源、信道、组件等）和生命周期管理（切片准备、切片实例化、切片商用、切片退服）。

2）垂直网络（Vertical-Net）

垂直网络是网络和业务高度匹配的网络，网络使用的通信协议栈、网元和资源根据业务特征按需生成，每个功能高度精炼化，以服务化的方式实现服务和资源的开放，满足“低碳至简”的要求；
垂直网络服务于大型政企，与大网相对独立，可以采取与大网不同的技术，自主规划、自主演进、自治运行，如垂直网络的核心网使用6G 技术、物联网使用5G 技术等。同时垂直网络也与大网相连，可以使用大网提供的服务，如算力服务、数字孪生服务、AI 模型训练服务等，降低了垂直网络的部署和运营成本。垂直网络与大网的频谱关系非常灵活，可以在异频部署，也可以同频共享部署，两者的使用频谱可以按需相互占用，以应对业务波动时的需求变化。

3）功能性网络（Lean-Net）

功能性网络可以是低成本或节能基站，提供即插即用且动态开启的数据小区，不提供广播或者信令发送的服务，仅提供更强的数据传输能力或广域覆盖能力，作为运营商节能降耗的主力基站，满足“低碳至简”的要求。

功能性网络是对大网的一种有效补充，可以是低成本基站或者节能基站，提供即插即用且动态开启的数据小区。基站的广播和信令部分都可以剥离至大网来承担，其只提供数据传输加强服务或覆盖范围提升服务。功能性网络基站可以只提供上行服务，也可以只提供下行服务，也可以提供不对等上下行服务，还可以与大网基站联合传输其在需要的时候开启，不需要时关闭。功能性网络相比传统网络可以有效降低成本和降低能耗，并且功能简单，易于网络的运营维护和优化，将成为运营商节能降耗的主力基站，同样满足“低碳至简”的要求。

4）用户网络（User-Net）

用户网络是用户间组成的网络，使用轻量化组网方式，建立用户和用户之间的多点连接。此类网络简单易部署，可以是私有网络，如办公室网络或者家庭网络，具有一个网络中心节点来进行调度；
也可以是参与者合作网络，如户外或者紧急情况，没有大网覆盖的时候，没有调度中心节点。私有网络内部都是认证用户，不存在信任问题，在存在大网覆盖的时候可以租用大网的部分服务能力，频段可以在获得大网授权时段使用授权频段，也可以使用非授权频段或两者相结合。参与者合作网络内各个用户可能互不相识，并无中心节点保障各项服务，则可以通过区块链的方式实现认证、服务计费等功能。用户都维护统一账本，并通过智能合约的方式保障各种交易的进行。在这种情况下，用户可以进行普通的通信，也可以实现中继，还可以使各种服务能力如感知计算等在用户间交易。

图3 给出了大网、垂直网络、功能性网络和用户网络的组网形态：大网基于meta-cell 小区模型设计，可以提供感知、智能、资源编排和组件编排的能力，并通过对外接口向垂直网络、功能性网络和用户网络提供资源共享、功能以及业务服务，有助于实现网络间服务共享和开放，并且形成闭环小生态圈，使用户可以拥有独立的空间，按需获取资源、服务，按场景配置参数，打造真正受行业欢迎及认可的商业模式。

本文系统地回顾了5G-NR 总体技术，并从资源、服务和组网的三方面分析了5G-NR 的痛点问题以及5G-A发展的新需求。随着未来6G 新场景、新业务、新服务的引入，网络性能空间从预设确定向自适应弹性转变，新系统逐步呈现“柔融信智简”的特征，网络架构范式从面向场景设计转变为面向组网的设计。即6G 不再区分场景，而是设计不同的组网形式来支持多样化场景，组网形式可以是大网、垂直网络、功能性网络或用户间组网。大网可以提供智能、感知、编排、资源共享等服务，垂直网络/功能性网络/用户网络可以直接使用大网输出结果，简化网络处理。以上组网设计使未来通信系统架构在具备灵活性的同时满足低碳节能的要求，并且可以按需扩展到任意场景。在实际组网应用中，可以进一步应用到4G/5G/6G融合组网以及多载波多频段智能融合组网等。

总之，多载波多频段智能融合组网研究是一种迎合未来应用需求的高价值技术，应用范围很广，未来需要针对组网设计方式变化可能引入的一系列问题，不断地研究提升和优化。