6G 网络设计： 一网承载全场景服务

初代蜂窝网络（1G与2G）主要为语音通信而设计。3G将其扩展至支持视频以及（在后续版本中）移动宽带（MBB），但移动宽带的规模化市场成功实则始于4G时代。依托这一发展势头，5G的首个版本聚焦于提供性能超越4G的增强型移动宽带解决方案，并将服务扩展至消费级以外的用例，例如工业自动化。

目前，我们亟需明确6G技术初期应聚焦的服务范畴与设备类型。除了为智能手机用户提供卓越的移动宽带体验外，6G还应从设计之初就提供对其他现有及新兴服务的支持，并兼容适用于这些服务的各类设备。特别是，应确保支持用于数据速率要求较低服务的低端设备。

图1：从4G到6G的设备细分示意图

在4G与5G的发展过程中，对低端设备及物联网的支持均非初始版本所具备，而是通过后续标准版本引入。LTE-M和NB-IoT在4G第六个版本（Release 13）中引入，旨在支持智能计量、公共事业及资产追踪等大规模物联网应用⸺即所谓的低功耗广域（LPWA）应用场景。同样，对轻量化（RedCap）设备的支持在5G第三个版本（Release 17）中引入，以支持智能可穿戴设备、工业自动化等宽带物联网用例。

在首个版本之后再引入这些解决方案，导致解决方案复杂化，并延缓了市场推广进程。例如：为实现设备能力轻量化，RedCap需修改初始接入机制；LTE-M需定义新的系统信息消息；而NB-IoT本质上是一种独立的无线接入技术。

请注意，为保持完整性，图中包含了Ambient IoT（环境物联网）。然而，在Release 19 Ambient IoT规范中，基站与终端之间的目标最远距离仅为15米，无法满足典型的蜂窝物联网用例需求，故本文不将Ambient IoT作为蜂窝解决方案作进一步讨论。

6G终端能力跨度需满足全场景服务需求

6G既要兼容现有4G和5G用例，也需持续扩展以支持比前几代更广的服务范围，以开辟新的市场机遇与收入来源。

图2显示了6G初期应关注的服务范围，涵盖了底部对数据速率、时延、可靠性等要求较低的基础服务（如公共事业、智能计量），直至顶部要求极高的服务（如娱乐、游戏、扩展现实（XR）及时间关键型通信）。

图2：支持多样化服务所需的广泛6G终端能力

该图仅为示例，因为不同类型的要求难以直接对比（如对比定位精度和上行时延）。

然而，它清晰地表明，6G必须支持广泛的服务需求以及与之对应的、极其多样化的设备能力。高端应用场景（如向XR头显传输8K视频流）需要顶尖性能设备，此类高端设备亦可用于要求较低的用例，但这样既缺乏经济可行性，也无法通过扩展实现规模化部署（例如为智慧城市的每个路灯配备昂贵的高端设备）。因此，统一的6G无线接入技术必须具备灵活的扩展能力，以支持从高端应用场景使用的高性能设备到面向低端场景的廉价设备的广泛6G设备能力。

未来6G设计的关键问题在于，如何科学界定高端与低端设备能力的边界。

对于高端应用场景，这本质上取决于支撑高级应用场景所需的能力，例如预计在2030年及以后广泛普及的沉浸式通信（参考正在制定的IMT-2030标准对6G分类的要求）。

对于低端应用场景，则需审慎权衡⸺既要确保6G适用于所有相关场景，又不能对系统设计及高端设备性能产生负面影响。

标准规定，介于二者之间的任何设备能力均应得到支持，而具体哪些能力将投入商用化进程，则可由后续市场需求决定。

面向大规模物联网的6G低端设备能力

对于低端设备能力，6G与4G和5G相比应简化处理，即从一开始就提供充分支持。也就是说，初始6G版本应支持足够低的设备能力，以覆盖所有相关低端用例，同时避免强制采用独立解决方案并对移动宽带性能产生负面影响。

在许多场景下，需求较低的低端用例（即图2底部所示的用例）可由高性能设备提供服务。然而，如前所述，此类设备成本高昂，因此在大规模物联网部署中缺乏经济可行性。在3GPP标准化可控范围内，降低设备成本的最重要措施包括支持更窄的设备带宽、减少接收天线数量以及使用半双工频分双工（FDD），如图3下半部分所示。

图3：6G高端与低端设备能力差异（FDD）

为支持全双工操作（每台设备可在不同频率上同时发送和接收数据），需配备相对昂贵的双工滤波器，且每个支持的频段可能需要独立的滤波器。因此，当设备支持多个频段（通常如此）时，成本较高。

采用半双工操作方案时，设备在接收与发送模式间切换，无需同时收发信号。这意味着可用成本更低的开关（可用于所有频段）替代滤波器，从而有效降低设备成本。

在5G中，设备需支持2或4根接收天线（分别对应2.5 GHz以下或以上频段），因此将天线数量缩减至1根可大幅降低成本。3GPP曾在之前的标准中多次采用该方案：Release 13中的LTE-M与NB-IoT、Release 14中的LTE Cat-1bis以及Release 17中的NR RedCap均实施了单天线设计。

此外，降低设备需支持的带宽，也可以降低成本。NB-IoT（支持200kHz设备带宽）、LTE M（支持1.4MHz）和NRRedCap（支持20MHz）均采用了这一策略。NB-IoT选择极窄设备带宽的主要动机是实现GSM载波重耕，而非单纯出于设备成本考量。对于6G，似乎无需支持小于3MHz的载波带宽，因为鲜有运营商拥有小于3MHz的载波。

更重要的是，如图4所示，当设备带宽过窄时，设备复杂度的降低效果并不显著。图中所示的设备复杂度对应估算的设备调制解调器物料清单（BoM）成本。

图4：设备复杂度与设备带宽的关系

图中所示结果基于3GPP TR 38.875所述评估方法。如图所示，将设备带宽降至5 MHz以下，复杂度较5 MHz仅下降几个百分点。这意味着从设备复杂度角度来看，数MHz级别（例如5MHz）的设备带宽更为适宜。

设备成本受复杂度影响，同时也受其他因素制约。规模经济的影响不容低估。若某类设备能覆盖多类应用场景，从而实现大规模量产，将显著推动价格下降。因此，对于仅需1MHz带宽的用例，采用略高的带宽（如5MHz）反而更具优势⸺因为如图4所示，带宽收窄并未带来显著成本降低。

“无需支持3MHz以下载波带宽”与“数MHz以下带宽无法显著降低复杂度”这两点发现具有重要意义。这意味着6G设计可通过单一网络支撑所有相关应用场景，且无需因
支持极窄带宽而牺牲系统性能。

适度增加设备带宽还有利于提升物联网关键性能指标（KPI）。因为这样可以增强下行覆盖能力，提高数据速率以更好地支持软件/固件升级与语音服务（这对部分物联网用例具有附加价值），并通过加速设备返回省电状态来延长电池续航。

例如，若低端设备的带宽过窄，将导致6G参考信号（如SSB）及系统信息广播传输需限制在此窄带宽内，将对高端设备（如eMBB设备）性能产生明显负面影响。此外，若eMBB设备在网络尚未知其能力前触发初始接入，网络需默认其为一款带宽需求简单的低端设备，并据此进行调度。这意味着，对于任何非最低端设备，其调度与数据传输在能力信息上报网络前都将处于非最优状态。

因此，低端设备带宽的理想选择应确保能接收eMBB用例的6G SSB信号。虽然最终方案取决于3GPP即将确定的6G设计，但若与5G类似，5MHz设备带宽可成为低频段低端设备的合适选择。

总之，界定6G设备能力低端的一个可行参考基准是：支持5 MHz设备带宽、1根接收天线以及半双工频分双工（FDD）操作。注意，5MHz带宽设备仍可在数百MHz的载波带宽内运行，但与设备交互的所有数据、参考信号、系统信息及其他传输都必须调度在5MHz带宽内完成。

这些设备也能在更窄的载波中运行。例如，5MHz带宽设备可在3MHz载波中运行，类似于支持更宽带宽的更高性能设备。在这种情况下，设备将被配置为仅在3MHz载波内收发信号⸺尽管它本身具备在更宽带宽范围内进行收发的能力，此时技术挑战在于网络需要在3MHz带宽内广播所有信号。

对于图2中靠近底部的物联网及其他应用场景，数据速率和时延不像高端应用场景那样重要。然而，其他关键性能指标（KPI）对满足目标用例需求至关重要，如长设备电池续航、广域覆盖、无需GPS的定位、小数据负载的高效传输、支持大量物联网设备的大容量以及长期服务支持。

因此，如果物联网设备已部署在现场，最好能在整个服务周期内持续工作而无需人工维护或其他人工干预⸺对物联网设备来说，这一周期可能长达10到20年甚至更久。6G设计中应充分考虑这些方面。任何技术解决方案（如使用唤醒接收器延长电
池续航，或减少小数据传输的信令开销），理想情况下都应作为通用6G特性引入，以便高性能设备同样能够支持。

支撑eMBB性能的6G高端设备能力

6G高端设备主要面向旗舰智能手机等，支持图3上半部分所示的所有最先进能力，包括：多用户MIMO（MU-MIMO）、多收发天线、快速处理、载波聚合快速激活、高阶调制以及覆盖至少200MHz载波的宽设备收发带宽。新厘米波（cm-wave）频段、重构控制信令的流线型处理时序、上行-下行解耦以及无中断移动机制等均为5G未采用但6G拟引入的技术组件。

利用更多频谱资源或许是提升数据速率和性能的最重要途径。除5G支持的频段外，7-15GHz厘米波频段可在需要时为6G高要求应用提供进一步提升数据速率的能力，其中10GHz以下频段最具发展潜力。

4G和5G均支持载波聚合，利用更多频谱资源和多个载波进行数据传输，以提升数据速率，但存在一定限制。例如，4G/5G中配置和激活额外载波所需时间相对较长，意味着当设备中所有载波完成激活时，数据可能早已传输完毕。因此在6G中，通过加速设置过程，使支持载波聚合的（高端）设备能更快地利用更大传输带宽，可实
现性能提升。

上下行解耦（Uplink-downlink decoupling）是6G中对多载波进行更先进管理的另一范例。鉴于发射功率和天线配置的差异，位于无线条件较差位置的设备若能够在低频段发射，同时在高频段更宽带宽上接收高速数据，可能获得更好的效果。

MIMO是6G相较于5G实现性能提升的又一例证。在下行方向，MIMO的天线单元将激增至数千个，实现超大规模部署。这一过程中，需要重新考虑设备向基站报告信道状态信息的现有机制。在上行方向，多层传输和波束成形将比5G更重要，例如用于支持固定无线接入等用例。

这些先进技术对高端设备极具价值，但对成本敏感的低端大规模物联网设备而言既不必要也不可行。其他技术组件（如统一控制信令）可能同时适用于高端和低端设备。尽管如此，设计能灵活扩展以适合广泛设备类型的单一6G无线接入技术至关重要。

中间范围设备能力支持

前文讨论了6G低端和高端能力的定义，但如图2所示，介于其间的所有相关用例也应得到支持。6G标准应确保对上述高低端之间所有设备能力的全面覆盖与支持。也就是说，标准应支持丰富的特性和宽松的参数范围，具体实施则由市场决定。例如，当AI驱动的轻量化增强现实眼镜在消费市场兴起时，若首版6G标准即支持所
需设备能力，则可最大限度地加快上市时间。因此，在首个6G标准版本中就支持灵活的设备能力大有裨益。