面向物联网应用的6G技术

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：

(1)高达1 Tbit/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 Gbit/s/m2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/km2，满足大规模IoT网络设备的部署要求。

(4)低时延可达10~100μs，完全满足触觉应用需求，例如自动驾驶、远程手术等。

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，AI)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IoT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IoT设备实现复杂、友好以及安全应用的基础，应用边缘智能的IoT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。

(1)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，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IoT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。

(2)提升安全性。边缘智能技术通过对IoT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IoT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[9]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IoT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[11]提出，对于无处不在的边缘设备，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。

3.1　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[12]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IoT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IoT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IoT设备和控制中心之间的双向通信，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 Orbit，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IoT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 Power Transfer，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IoT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。文献[14]在无线6G通信场景中提出了一种通过无人机(Unmanned Aerial Vehicles，UAV)进行万物互联的方法，该方法可以支持不同的数据传输方案应用于IoT数据感知、紧急搜索与监测、视频数据流等领域的IoT应用。

4.1　区块链技术体系

当前的中心化网络面临着数据中心的高额维护成本等在内的诸多瓶颈，并不能适应万物互联的场景。因此，在面向IoT应用的6G系统中，可以通过区块链构建“去中心化”网络架构，解决IoT网络中设备的安全和隐私问题。

具体来说，区块链作为一种技术体系，由归属权各异的分布式数据库组成，并按照时间顺序，将数据区块以链式结构进行组织，同时应用密码学算法来确保区块链上数据及行为记录的公开、安全、可追溯且不可篡改性。同时，区块链的共识机制可以用于交易验证，防范恶意攻击、篡改，减少网络攻击、恶意节点的欺骗和来自外部环境的攻击。

4.2　面向IoT应用的6G区块链

总的来说，面向IoT应用的6G区块链可分为公有链和私有链。公有链是指允许世界上任何人都可以读取、发送交易且能获得有效确认的，也可以参与其共识过程的区块链。最广为人知的公有链的应用是比特币和以太坊。私有链是对单独个人或组织开放的区块链系统，即由一个组织机构控制该系统的写入权限和读取权限。私有链的应用场景一般包括两方面，一是进行公有链的区块链功能验证，二是企业内部的审计管理。

由于区块链具备去中心化、可追溯、可靠性高、不可篡改等特性，区块链技术体系在面向IoT的6G生态系统中的安全性和私有性方面将会有着非常广泛的应用场景。例如，文献[15]在基于IoT的6G通信环境中，利用区块链去中心化和不可篡改的特征构建了一种可靠资源接入控制和保护用户私有性的网络安全接入体制。在6G无人机应用方面，文献[16]基于区块链技术体系构建了一种安全自动化系统。在该系统中，无人机担任区块链用户与地面基站通信载体的角色。此外，无人机、地面用户以及网络操作者均可利用总账中的可信数据，以此实现数据的安全交换和共享，并提升任务完成效率。在6G智能健康应用方面，文献[17]提出了基于IoT的6G康复系统，该系统可以利用区块链技术体系构建没有第三方介入的信任体系，以此来降低康复费用。

简单的IoT连接时代即将谢幕，未来复杂的IoT网络将通过6G技术进行构建，以此构建智能与泛在连接的人类共同体。

首先，本文提出了当前IoT网络的应用需求和面向IoT应用的6G技术的研究意义；其次，介绍了面向IoT应用的6G技术的应用技术优势；最后，着重讨论了在IoT应用中比较有应用前景的边缘智能技术、海陆空天一体化通信以及区块链技术体系3项6G候选技术。

总的来说，当前面向IoT网络的6G技术的研究比较匮乏，相关技术体制和技术手段不够成熟，整体研究仍然处于初始探索阶段。但是不可否认的是，6G技术在未来IoT网络的应用和发展中将起到至关重要的作用。笔者相信研究者将紧跟信息化的前沿发展，攻坚克难，持续创新，以此加快我国面向IoT应用的6G技术的商用化和规模化发展。