0 引言
第六代移动通信系统(6th generation mobile communication technology,6G),是在第五代移动通信系统(5th generation mobile communication technology,5G)技术基础上的进一步升级和扩展,不仅继承了5G的高速率、低时延、大连接等特性,还在传输容量、网络延迟等方面实现了质的飞跃
[1-2]。6G技术的进步将推动全球数字化和智能化社会的全面发展,为未来智能社会奠定基础
[3]。
随着全球信息化程度的不断提高,信息通信领域已经成为国家竞争力的重要组成部分。掌握6G技术,意味着在未来的科技竞争中占据先机,进而在全球贸易、安全以及国际政治等领域产生深远的影响,因而近年来6G研究在全球快速开展,呈现出全球合作、高校联合、校企合作等多层次合作模式,各国科研机构和企业纷纷加强合作,共同推动6G技术的研究与应用。例如,欧洲在成立欧盟智能网络与服务联盟(SNS JU),负责不断推进6G技术研发工作
[4]。美国产业界、政府和学术界共同组织成立的Next G联盟(Next G Alliance)致力于推动6G的研究、开发和标准化工作,并发布了AI原生无线网络白皮书
[5]。我国也高度重视6G技术的发展,自2019年起陆续出台多项政策支持6G研发,并成立了国家6G技术研发推进工作组和总体专家组,标志着我国6G技术研发工作正式启动
[6]。2024年,IMT-2030(6G)推进组携手行业伙伴发布了全球6G创新发展合作倡议
[7-8],旨在推动6G技术的创新发展及其在全球各个领域的应用。另外,中国移动与清华大学、北京邮电大学等高校联合成立了联合研究院和创新中心,共同开展6G网络架构、通信感知一体化等关键技术的研究。多层次合作模式有利于加快6G技术的研发进程,推动其商业化应用,更有助于培养更多具备6G技术研发能力的人才,推动6G技术的持续发展。
6G相关研究在世界各国迅速开展,了解6G研究的现状将对学者具有重要意义。文献计量学是一种对书籍、论文或其他类型的出版物进行定量分析的方法
[9]。该方法可以帮助学者更为系统地了解特定领域的知识结构、发展历程、未来趋势等
[10-11],可为科学研究提供重要的数据支持。其中,成果计量分析和科学图谱分析是文献计量学的2个重要方法,前者包括对科研主体学术影响力的评估,后者可通过对国家、机构、作者、关键词等之间的联系进行可视化分析,以揭示合作模式、展示知识结构等
[9]。应用文献计量学对特定领域进行分析的研究在不断开展,如研究者通过该方法对人工智能领域、家用物联网、工业5.0、卫星通信等方面的学术成果影响力和研究趋势进行了系统呈现
[12-15],然而6G直接相关的文献计量学分析却相对较少。石李妍等
[16]应用文献计量法对5G与人工智能发展的研究态势进行分析,涉及的物联网、人工智能等通信领域相关的研究热点,为6G领域的热点研究提供线索,但是并未直接涉及6G相关研究内容。Salih等
[17]对6G领域的文献类型、学科领域、研究趋势等进行了统计和总结,但对6G相关的研究更多的关注到国家合作网络及研究领域的总结,对研究机构和作者的分析及合作图谱关注较少,且对最新的6G相关研究未纳入分析,无法更好地体现6G领域最新研究现状。
因此,本文通过文献计量学方法对Web of Science(WoS)核心数据库收录的6G相关研究进行分析,对6G研究近6年来的研发现状、合作网络、发展趋势等进行梳理,以了解6G研究的概况和研究趋势,为政策制定和相关科研机构的研究方向提供一定的参考。
1 数据来源和研究方法
1.1 数据来源
Web of Science(WoS)为世界科研人员广泛接受的高质量数据库,是检索和评估不同科研成果的常用平台
[18]。因此,本文以WoS核心数据库为数据来源,以“6G”为主题词,检索2019-01-01至2024-12-31的论文及会议集收录论文,文献检索时间及数据下载时间为2025年2月24日。根据摘要或全文阅读进行确认并剔除不相关论文,最后共纳入8495篇文献进行分析。
1.2 研究方法
从文献计量学角度对6G相关论文的发文情况、合作网络和研究热点进行分析。具体分析包括以下4个方面:1)各年度发文数量统计;2)发文国家、机构、作者的计量分析;3)发文国家、机构、作者的合著网络分析;4)基于高频关键词的6G研究热点分析。通过VOSviewer1.6.20版本软件进行分析及可视化作图。
2 6G领域研究现状分析
2.1 发文趋势分析
通过论文的发布时间和发文量和可以推测该领域特定时间内科研成果的产出量,推测该领域的研究热度。如
图1所示,2019—2024年,6G相关论文数量总数为8495篇,发文量逐年递增,在2020年、2021年发文量增长迅速,增长率分别达到376.47%、164.94%,提示6G相关研究成果在世界范围内呈现爆发式的增长。而且随着6G研发的持续开展,2023年和2024年的发文量达到2503篇和2474篇,相对持平,年度发文量可能进入一个平台期,这也提示6G领域的研究短期内会持续非常活跃的状态。
2.2 发文国家、机构、作者分析
2.2.1 主要发文国家分析
2019—2024年发表6G相关论文的国家总共有113个,发文量排名前15的国家如
表1所示,其中,亚洲国家有5个,欧洲国家有7个,美洲国家有2个,大洋洲国家1个。6G论文发文量前3位分别为中国(发文量3488篇,占比41.06%)、美国(发文量1172篇,占比12.80%)、英国(发文量703篇,占比8.28%)。
篇均被引频次可以在一定程度上反映论文的影响力。在发文量排名前15位的国家中,法国、芬兰、瑞典等国发表的发文量相对少一些,但是篇均被引用频次排名前3位,分别为29.56、25.15、23.48次,之后是沙特阿拉伯、英国、美国等,提示这些国家的论文成果国际影响力和认可度相对较高。
2.2.2 主要发文机构分析
2019—2024年发表6G相关国际论文的机构总数为5323个,发文量排名前15的机构如
表2所示。在排名前15的机构中高校有12个,发文量为2152篇,总占比为25.33%,说明高校是6G领域研究成果的主要产出地。而排名前15的机构中,中国机构占11个,含中国高校8个、公司1个、重点实验室2个,且发文量排名前3位的分别为北京邮电大学(发文量382篇)、东南大学(发文量297篇)、西安电子科技大学(发文量221篇),表现出我国高校、科研机构及公司等机构具有雄厚的科研实力。
在排名前15位的机构中,篇均被引频次排名前3位的分别为美国普林斯顿大学、芬兰奥卢大学和新加坡南洋理工大学,篇均被引频次分别为43.78、32.59、29.30次,提示其6G相关研究成果具有较高的国际影响力和认可度。
2.2.3 主要发文作者分析
2019—2024年,6G相关国际论文发文作者共22406位,排名前15位的作者如
表3所示,这些作者在6G相关的研究中较为活跃、学术成果高产出,且在国际范围内具有较大的学术影响力。发文量排名第1位的为美国普林斯顿大学的Poor H. Vincent(发文量83篇,篇均被引频次为28.98次),其为美国国家工程院院士、美国国家科学院院士、中国科学院外籍院士,在信息论与信号处理以及其在无线通信中的应用颇有研究;发文量排名第2位和第3位的为休斯敦大学的Han Zhu(发文量为77篇,篇均被引频次为22.00次)和东南大学、紫金山实验室的Wang Chengxiang(发文量为65篇,篇均被引频次为19.42次)。值得注意的是,Alouini Mohamed-Slim(阿卜杜拉国王科技大学,沙特阿拉伯)和Debbah Merouane(哈里发大学,阿联酋)虽然发文量排在第12位和第13位,而篇均被引频次却分别达到了127.89次和155.29次,提示其成果在学术界的辐射面较为广泛,国际认可度较高;中国学者,如东南大学和紫金山实验室的Huang Jie(黄杰)、上海交通大学的Han Chong(韩充)、清华大学的Dai Linglong(戴凌龙)、北京邮电大学的Zhang Ping(张平)等在国际上6G领域发文量也在前15位以内,在6G领域内的研究较为活跃,篇均引用频次也较高,具有较大学术影响力。
2.3 合著分析
2.3.1 国家合著分析
国家合著分析可以从宏观上提示6G相关研究的合作趋势。对2019—2024年发表的6G相关论文进行整体国家合著网络分析,并以发文量不小于30篇的国家进行作图,包含48个国家。由
图2可知,在近6年中,全球6G相关研发形成了广泛的合作网络,其中前3位与其他国家联系较为紧密的国家为发文量排名前3位的中国(发文量为3488篇,总链接强度为2451)、美国(发文量为1172篇,总链接强度为1504)、英国(发文量为703篇,总链接强度为1281)。虽然在全球范围内,6G的研究合作广泛且交叉,但仍有一定的合作倾向性,如
图2所示,中国、美国、英国、加拿大等国在6G相关的研究中形成了较为紧密的合作群体,德国、芬兰、希腊、意大利等合作较为紧密,印度、巴基斯坦、希腊、马来西亚等国合作更为密切。
至于中国,2019—2024年与中国产生合作的国家有81个,与发文量较大的美国、英国、加拿大等国存在较为密切的联系,链接强度排名前3位,链接强度分别为348、315、222,链接强度占比分别达到了13.70%、12.40%、8.74%,紧随其后联系较强的为澳大利亚、新加坡等国。从中国与世界各国的合作网络的来看,6G相关研究从2019年以来,中国与多个国家建立了广泛的合作关系,这也是世界各国6G相关研究的共同趋势。世界多个国家6G相关的研究成果产出不断增加,如沙特阿拉伯在2019—2021年,发文量较少,形成的合作网络也比较单一,而在2022—2024年,发文量迅速上升,与马来西亚、土耳其等国家形成密切合作。这也提示其他国家也正加快6G相关的合作研究,并且合作的范围也在不断扩展和交叉。
2.3.2 机构合著分析
对2019—2024年发表6G相关论文进行发文机构合作网络分析,并以发文量不小于40篇的机构进行作图,包含88个机构,如
图3所示,主要的合作群体为。
1)群体1(红色):主要包含北京邮电大学(Beijing University of Posts and Telecommunications)、清华大学(Tsinghua University)、电子科技大学(University of Electronic Science and Technology of China)、鹏城实验室(Peng Cheng Laboratory)等为主的大部分中国高校和科研机构。这一群体合作的国外机构主要有新加坡的南洋理工大学(Nanyang Technological University)、新加坡科技设计大学(Singapore University of Technology and Design),澳大利亚的新南威尔士大学(The University of New South Wales)、悉尼科技大学(University of Technology Sydney)以及英国的帝国理工学院(Imperial College London)等。同时,群体内与中国移动(China Mobile Research Institute)、华为科技有限公司(Huawei Technol Co Ltd)、中兴通讯(ZET Corporation)、中国电信(China Telecom Research Institute)等企业合作密切,其中发文机构含中国移动的发文量达到了110篇,超过了较多中国高校和国际高校。总体来说,这一群体内中国高校、机构、企业发文量较高,高校之间的联系普遍且密切;发文机构之间的国际合作遍及澳大利亚、英国、新加坡、日本等国家,与企业间的合作以中国公司为主。
2)群体2(绿色):以芬兰的奥卢大学(University of Oulu)和坦佩雷大学(University of Tampere)、卢森堡大学(University of Luxembourg)、加拿大的卡尔顿大学(Carleton University)、丹麦的奥尔堡大学(Aalborg University)、法国的巴黎萨克雷大学(Paris-Saclay University)、英国的萨里大学(University of Surrey)、瑞典的查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)和皇家理工学院(KTH Royal Institute of Technology)等为主。另外还有希腊的雅典大学(National and Kapodistrian University of Athens)、意大利的博洛尼亚大学(University of Bologna)和米兰理工大学(Polytechnic University of Milan)、西班牙的马德里卡洛斯三世大学(Universidad Carlos III de Madrid)等高校。值得注意的是,此群体与诺基亚贝尔实验室(Nokia Bell Labs)、爱立信研究院(Ericsson Research)等合作比较紧密,其中发文机构中含诺基亚贝尔实验室、爱立信这2个公司的发文量分别为84篇、62篇,篇均引用频次分别为19.06次、9.87次。从发文量来看,这2个公司在该群体内排名第2、第8位,超过了多个国际高校,具有较强的科研实力。
3)群体3(蓝色):该群体包含中国的西安电子科技大学(Xidian University)、北京大学(Peking University)、西北工业大学(Northwestern Polytechnical University),美国的普林斯顿大学(Princeton University)、东北大学(Northeastern University)、休斯顿大学(University of Houston),韩国的庆熙大学(Kyung Hee University)和首尔大学(Seoul National University),沙特阿拉伯的沙特国王大学(King Saud University)和阿卜杜拉国王科技大学(King Abdulaziz University)、日本的东北大学(Tohoku University)等。这提示来自中国、韩国、沙特阿拉伯、美国、日本的部分高校之间合作密切。这一群体与企业合作相对较少,合作的企业也主要为来自日本的电报电话公司(NTT Corporation)。
4)群体4(黄色):该群体以东南大学(Southeast University)为中心,与紫金山实验室(Purple Mountain Laboratories)、复旦大学(Fudan University)、南京邮电大学(Nanjing University of Posts and Telecommunications)等中国高校和实验室之间形成了紧密联系的群体,另外,还包括有英国伦敦玛丽女王大学(Queen Mary University of London)。东南大学和紫金山实验室之间联系密切,紫金山实验室以东南大学为核心力量,聚焦国家重大战略,以未来网络、新型通信和网络通信内生安全为主攻方向,吸收国内外网络通信与安全领域著名学者参与,有多项重大成果产出,为6G通信研究的前沿梯队。另外东南大学与其他群体之间联系较为广泛,提示其研究成果涉及的6G研究领域较为广泛。
2.3.3 作者合著分析
对2019—2024年发表的6G相关论文的作者进行合作网络分析,选取发文量不少于15篇的作者共158位进行可视化呈现。由
图4可知,6G领域作者形成了密集的合著网络,总结为以下群体。
1)群体1(蓝色):美国普林斯顿大学的Poor H Vincent(发文量83篇,总链接强度119)、美国休斯敦大学的Han Zhu(发文量77篇,总链接强度95)、新加坡南洋理工大学Niyato Dusit(发文量53篇,总链接强度56)等高产出作者,与美国弗吉尼亚理工大学的Saad Walid(篇均被引频次145.09次,总链接强度32)、加拿大滑铁卢大学的Shen Xuemin(篇均被引频次43.29次,总链接强度23)、新加坡科技设计大学的Xiong Zhehui(篇均被引频次40.43次,总链接强度22)等高篇均被引频次作者之间联系密切。该群体内作者合作较为活跃,发表高质量论文较多,与周围群体交叉合作密切,涉及的研究方向也较为广泛,涉及6G通信技术的网络架构与设计、协作通信与网络、新型传输技术等多个方向。
2)群体2(绿色):该群体包括阿联酋穆罕默德·本·扎耶德人工智能大学的Guizani Mohsen(发文量52篇,总链接强度39)、日本东北大学的Kato Nei(发文量50篇,总链接强度34)、印度哈米尔普尔国家技术学院的Kumar Neeraj(发文量47篇,总链接强度45)、北京邮电大学的Zhang Ping(发文量40篇,总链接强度69)等学者。研究方向包括网络安全与隐私、语义通信以及物联网(Internet of Things,IoT)与边缘计算等。
3)群体3(紫色):该群体包括东南大学、紫金山实验室的You Xiaohu(发文量36篇,总链接强度110),中国移动的Liu Guangyi(发文量35篇,总链接强度53),复旦大学的Chi Nan(发文量32篇,总链接强度65)等学者。研究方向涉及6G网络整体架构设计、光通信与无线融合技术、智能网络管理与优化等。该群体内较明显地体现了校企联合特点,特别是东南大学、紫金山实验室的尤肖虎教授承担多项移动通信重大项目,于2022年发布国际领先水平重大原创成果——360~430 GHz太赫兹100/200 Gb/s实时无线传输通信实验系统,创造出目前世界上公开报道的太赫兹实时无线通信的最高实时传输纪录,该成果是紫金山实验室联合东南大学、鹏城实验室、复旦大学和中国移动,在国家重点研发计划6G专项等项目的支持下完成。
4)群体4(黄色):该群体较为活跃的学者有东南大学、紫金山实验室的Wang Chengxiang(发文量65篇,总链接强度97),Huang Jie(发文量45篇,总链接强度60)、卢森堡大学的Chatzinotas Symeon(发文量43篇,总链接强度8),另外还有英国曼彻斯特大学的Ding Zhiguo(发文量32篇,总链接强度27),希腊塞萨洛尼基亚里士多德大学的Karagiannidis George K.(发文量28篇,总链接强度28),东南大学的Jin Shi(发文量27篇,总链接强度31)等,研究方向涉及无线通信与信道建模、智能资源管理与优化、通信感知一体化等。其中Jin Shi和加拿大Dobre Octavia A虽然发文量和总链接强度不是最高,却在该群体内处于关键节点位置,起到重要的桥梁作用。
5)群体5(红色):该群体包括沙特阿拉伯的学者Alouini Mohamed-Slim(发文量42篇,总链接强度18)、清华大学的Dai Linglong(发文量40篇,总链接强度15),上海交通大学的Han Chong(发文量38篇,总链接强度24)等,其中Alouini Mohamed-Slim,瑞典查尔姆斯理工大学的Wymeersch Henk(发文量35篇,总链接强度58)、Han Chong等处于网络中较为中心的位置,与周围的学者联系密切,提示其研究交叉性较强。
3 6G领域研究热点及趋势分析
3.1 6G领域研究热点分析
高频关键词可以反映6G通信领域相关的主要研究热点,
表4列出了论文中除“6G”之外的前15位关键词。为了进一步分析以上研究热点在近年来的研究热度变化,统计了2019—2021年、2022—2024年的高频关键词相对频数百分比,如
图5所示。
1)5G:5G是第五代无线通信技术,与4G通信技术相比,其具有更高的传输速度、更大的连接容量、更低的延迟、更高的能效、更强的安全性以及更广泛的应用场景等优势。5G通信技术还可以支持增强现实、虚拟现实和万物互联(internet of everything,IoE)等。2019年,工业和信息化部向中国移动、中国联通、中国电信等发放了5G商用牌照
[19],代表着中国在2019年正式进入5G商用时代。此后,5G通信网络标准化进程持续推进,并在世界范围在广泛部署。但是由于5G通信技术仍存在网络建设成本高、能量损耗大、运维难、网络覆盖及移动性不足等问题,无法满足2030年及以后的通信需求。而6G在5G通信技术的基础上,将借助全新使能技术,实现沉浸式通信、超大规模连接、极高可靠低时延、人工智能与通信、感知与通信的融合、泛在连接等6大典型场景,实现从传统的移动通信网络向通信、感知、计算、数据、AI 和安全等一体融合的移动信息网络转变
[20-22]。5G通信技术作为6G通信技术的基础,在技术演进、潜在技术的引入与融合、跨域融合与集成创新、应用场景的拓展与深化以及全球标准化与合作等方面都发挥了重要的作用,这些作用和贡献为6G技术的研发、标准化和商用化提供了坚实的基础和有力的支撑,因此在6G相关的高频关键词中,5G在2个阶段相对比例均居首位(
图5)。
超越5G(beyond 5G,B5G)是指在5G技术基础上进一步升级和优化的移动通信技术体系,不仅涵盖了5G-A阶段的增强技术,还引入了部分6G关键技术,在网络速率、时延、覆盖范围、链接密度以及能效等方面都进行了优化和提升
[3],为6G的实现提供了技术支持和经验积累,也可视为从5G到6G的过渡阶段。因而B5G在第2阶段的出现相对频次比例下降(
图5),可能与研究者对6G技术研发关注度上升有关。
2)毫米波通信、太赫兹通信:毫米波通信和太赫兹通信等,都是基于不同频段的载波传播特性和带宽范围开展的。毫米波与传统的电磁波相比,由于其拥有超高频率和超低波长,因此具有丰富的频谱资源,能够实现高速传输。另外,毫米波频段存在波束窄等基础特征,抗干扰能力极强,通过空气吸收毫米波后,可以有效缩减基站内部相同频谱带来的干扰,增加无线通信应用的顺畅性和安全性
[23]。毫米波通信技术作为5G通信的关键技术之一,逐步发展和完善。而毫米波技术作为6G通信技术的重要组成部分,技术趋近于成熟,将为6G网络提供更高的数据传输速度、更低的延迟和更强的设备连接能力,而6G通信技术的发展和融合需求,也将推动毫米波通信技术的不断创新和完善。
太赫兹频段介于微波与远红外光之间,拥有超大带宽的频谱资源。与毫米波相比,太赫兹频段对于超高速通信具有更大潜力,可以从数据传输速率、时延、覆盖率、定位精度、安全性等方面提升6G无线通信系统性能,非常适用于6G超高速无线通信应用场景
[24-25]。目前,各国也在积极进行太赫兹通信技术研发及应用研究,而在太赫兹通信安全性、可靠性易受建筑物遮挡、恶劣天气影响的情况下,探索现有的加密和防窃听手段在太赫兹通信中的可行性,对于推动太赫兹技术实际部署以及占领太赫兹技术发展制高点具有重要意义。
3)可重构智能超表面(reconfigurable intelligent surface,RIS):又称为智能反射面(intelligent reflecting surface,IRS),是一种人工合成的电磁超表面材料,其表面由多个反射电磁单元构成,能通过调节每一单元的相位来对电磁波反射/透射幅度及相位分布进行动态调整,从而在三维空间中实现发送端与接收端无线信道的灵活配置
[26],能够重构无线信号传播环境、有效增强覆盖范围以及抑制干扰且具备易部署、硬件成本低、低功耗等特点。RIS使不可控的无线传播环境变得智能可控,提供了一种从根本上解决无线信道衰落和干扰问题的新方案。RIS技术其他先进技术进行集成与融合可以进一步提升通信性能,如与多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)融合,可以优化MIMO系统的波束形成,提高频谱和信噪比
[27];与非正交多址(non-orthogonal multiple access,NOMA)技术的融合,可以增强信噪差异,提高功率分配效率等
[28]。另外,RIS与其他技术如无人机技术、移动边缘计算等的结合等也是研究的关注点。RIS的广泛应用及与多种技术的结合可以共同推动6G通信技术的发展,为6G通信系统带来全新的通信网络范式
[29],因此研究者对RIS的关注度在2019—2021年为第5位,到2022—2024年升至第2位,关键词相对频数比例由6.63%上升至11.00%,关注度明显提升(
图5)。
4)安全性:安全性是衡量和评价无线通信系统性能的重要指标
[30],而强安全性也是业界对6G网络发展的重要期望之一。如
图5所示,安全性作为6G领域高频关键词之一,在2022—2024年比例提升,排名由第15位提升至第11位,高频关键词相对频数百分比由3.39%上升至4.74%,说明6G通信所面临的安全问题引起了研究者更多的重视。6G通信面临的安全问题可分为基于6G通信的自身特性引入的内生安全和由于6G之外的其他领域技术进步,如人工智能、量子计算等,带来的非内生安全问题,这些问题推动了6G网络安全技术的研发与进步。与内生安全相关的物理层安全技术是6G通信的重要研究点,也是6G网络架构设计的目标之一。物理层安全技术主要包括无密钥物理层安全传输技术、基于信道的物理层安全密钥生成技术等
[31]。学术界对物理层安全的研究涉及安全编码、信号设计、波形设计、协作安全、物理层密钥生成等多个方面
[32]。另外,也有大量工作研究物理层安全如何与各类新兴无线技术或无线系统相结合等。未来,6G有望形成自感知、自运转、自演进的6G网络内生安全体系
[33]。
区块链技术:区块链技术最初为比特币的底层技术,具有去中心化、不可篡改、可追溯、匿名性和透明性等5大特征,是解决信息安全的一种重要途径,可以为构建分布式安全可信交易环境提供重要保障
[34]。区块链包含的共识机制、加密技术、数据结构和智能合约技术等,与6G网络融合可以提高6G网络稳健性、数据隐私性、安全透明性
[35],因而区块链技术与6G网络实现安全性、稳定性等方面的匹配和联合优化,促进其在6G网络中的应用,提升网络安全性,是研究者不断探讨的话题。
5)非正交多址接入(NOMA)和多输入和多输出(MIMO)技术:二者均属于通信系统物理层无线传输技术。如
图5所示,二者在2个阶段的高频关键词相对频数百分比略有提升,而排名变动不大,提示相关研究的热度比较稳定。NOMA技术属于多址接入技术的一种,其与正交多址(orthogonal multiple access,OMA)相比,NOMA通过功率复用或特征码本设计,利用用户的动态信道条件,可实现不同信道条件的多个用户复用相同的时、频、空域资源,达到比OMA更高的频谱效率,受到业界的广泛关注
[36]。虽然NOMA可以实现多频谱资源共享,但效率提升仍无法满足6G场景所预期的效能。通过NOMA与其他通信技术的结合提升频谱效率,如多天线NOMA、协作NOMA、多点协同NOMA、认知无线电通信NOMA等,引起研究人员关注
[37]。预计NOMA作为新一代多址接入的核心,通过技术的改进和优化,可实现低时延、高速率、大规模的用户接入服务,推进6G的发展。
MIMO技术经历了从传统MIMO、到大规模MIMO、再到超大规模MIMO的升级演化,随着天线数目的排布增多,该技术从频谱效率、信号覆盖率、定位精度、能量效率、系统容量等方面都有了较大的提升。其中大规模MIMO,由于其具有优越的信道特性,成为5G通信系统的关键技术。而在6G网络中,为了满足越来越高的数据传输需求,在基站部署更多天线的超大规模MIMO,可以更加有效地挖掘空间维度资源,从而在更多样的频率范围内大幅度提升系统的频谱效率和能量效率,提高无线系统的通信和传感性能
[38]。因此在6G相关的研究中,关注点逐渐从大规模MIMO向超大规模MIMO演化,MIMO通信的研究热度基本稳定。此外,为了满足复杂通信场景需求及进一步降低功耗和硬件成本等,去蜂窝大规模MIMO技术、连续孔径MIMO、透镜天线MIMO和全息MIMO技术等也相继进入研究视野。同时MIMO技术与智能超表面、太赫兹通信等技术融合应用,有望形成更为广泛而灵活的网络覆盖和更为准确的定位精度,服务于6G的通信需求。
6)资源管理、性能分析、信道估计、机器学习:在6G通信系统中,资源管理及分配涉及频谱、功率、时间、空间等多个维度,是优化网络性能、提高资源利用率和确保用户体验的关键。合理的资源分配可以确保不同业务场景下的需求得到满足,同时降低网络拥堵和延迟,提高整体网络效率。通过采用先进的频谱聚合、波束成形、NOMA、机器学习算法等技术,可以优化资源分配,提高网络性能、效率和用户体验。信道估计用于获取通道状态信息,准确的信道估计可以使通信系统更好地利用频谱资源、提高系统容量,降低误码率、提高信号传输质量,帮助通信系统识别并抑制干扰信号从而增强抗干扰能力。机器学习在6G通信系统中的应用是多方面的,涵盖了网络性能优化、跨层智能与资源分配、通信感知一体化、智能服务与安全、网络架构与部署以及标准化与互操作性等多个领域,而深度学习是机器学习的一个重要分支,特指基于深层神经网络模型和方法的机器学习,涉及数据科学、统计学、工程科学、人工智能和神经生物学等多个技术领域。随着6G技术的不断发展和完善,机器学习的应用也越加深入和广泛。合理的资源管理及精确的信道估计均对6G通信系统的性能提升至关重要。性能分析涉及6G通信系统的信号传输速率、通信时延、覆盖范围、连接密度数、频谱效率、能耗评估、应用场景等多个方面。性能评估的高频出现,体现学者们对6G通信系统在实际应用中能够发挥最佳性能以满足未来通信需求的重视。
7)物联网、人工智能:物联网、人工智能与6G通信技术的发展联系密切、相互赋能。物联网(IoT)是一种通过互联网连接和控制各种物理设备的技术,使得这些设备能够自动化、智能化地运行和交互,实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理
[39]。6G通信技术的进步可以进一步提升网络容量和效率、拓展物联网应用范围、推动物联网智能化发展、提高物联网安全性和可靠性以及降低物联网成本
[1,40]。与人工智能技术融合,可以逐步促进物联网到万物互联(IoE)、万物智联的发展与进步。IoT排名在2022年至2024年高频关键词排名与之前相比略有降低,但仍排在第4位,也在一定程度上提示了IoT向IoE、万物智联等方向的演化与进步,并且是研究的热点之一(
图5)。人工智能(AI)技术应用广泛,和6G通信技术融合逐渐加深,成为6G架构的重要组成部分。AI与6G的深度融合有望使6G呈现更高的智能化和自动化水平,在复杂多变的网络环境中展现高效和智能的特性。IoT技术、AI技术与6G通信技术的融合应用,是业界关注的焦点,这将推动6G通信技术在产业中的应用和技术创新,进一步扩展6G的应用场景,以推动其在智能家居、智慧城市、远程医疗等未来场景应用的实践研究。
8)无人机技术:6G通信将会构建全新的网络架构,组成空天地海一体化网络,以适配泛在通信及全球无缝连接的需要
[41]。无人机因其具备灵活部署、快速响应、覆盖范围广等特点,作为中继节点、数据采集点或通信终端等角色成为天基网络的重要组成部分,参与到空天地一体化网络中
[42],因此有关无人机通信相关的研究热度较大提升。为了优化无人机技术在6G通信系统中的作用,一方面,对于无人机技术本身,需要研发更强适应性的算法和技术来改善无人机的高度机动性带来的信号接收功率、时延、角度等指标的时变性
[43],需要研发高效、轻量化电池等技术增强无人机续航时间增强其性能;另一方面,无人机技术与其他多种技术的兼容性研究,如与RIS技术、MIMO技术结合
[44],有望对无人机通信的功能进行改善,如达到按需调节无线信号的传播路径、增强信号强度、增加信号覆盖范围等,增强无人机在6G通信系统中的持续服务能力,参与到应急通信、交通管理等多种场景中。
3.2 6G领域研究方向趋势分析
高频关键词可以体现6G领域主要的研究热点,而高频关键词的年度频次变化可以反映6G领域研究方向的热度变化,也在一定程度上反映科研论文的年产出量。因此,本文将以上6G领域的高频关键词进行归纳,分析以下4个6G领域主要研究方向的热度及趋势变化(
表5):无线通信与传输技术、智能计算与性能优化、通信网络场景扩展、通信安全与可信技术。
如
图6所示,就2019—2024年高频关键词总体趋势而言,6G领域内这4个研究方向的高频关键词频次均逐年增长,且从2020年开始增长速度明显加快,与6G在近年来的研究热度提升、发文量快速增加的总体趋势一致。
无线通信与传输技术方向的研究,包含如太赫兹通信、毫米波通信等高频通信技术,NOMA和MIMO等物理层无线传输技术,可重构智能超表面技术等,涉及6G通信系统相关的重要基础和关键核心技术,这些关键技术的不管优化可以对6G通信系统性能提升起到直观的影响作用,因此受到研究者的广泛关注,该方向相关的论文增长最为迅速,关键词频次在2019年为40次,而在2024年达到3456次,为2019年的86.4倍,但在2022—2024年增长速度稍微放缓。
智能计算与性能优化方向的研究,聚焦人工智能使能的算法优化和资源管理,高频关键词频次及发文量同样持续增长。特别是2022年底,OpenAI推出的大型自然语言处理模型ChatGPT,引发了研究人员对人工智能的广泛讨论和研究,将深度学习、强化学习等机器学习的方法引人工智能系统,可以提升模型的理解和决策能力,并有助于充分地利用计算资源和数据资源处理海量数据和复杂数据
[45]。同样,在6G通信系统中,融入人工智能技术,可通过通信资源动态调配、信道智能补偿等方式提升网络性能,通过构建分布式智能计算架构、多模态融合分析等方式可促进6G通信系统中海量数据的处理
[46-47],通信感知计算一体化也是该方向关键技术的研究热点之一。而伴随而来的人工智能相关的计算的高耗能问题
[48]是研究者们需要解决的另一难题。
通信网络场景扩展方向的研究,涉及6G网络架构的不断拓展,最终目标是实现通信网络的全覆盖、大容量、低时延通信。值得注意的是,除了前面提到的无人机通信,低轨卫星同样是实现通信信号全域无缝覆盖和智能协作的关键环节,二者均为空天地海一体化网络的重要组成部分。世界各国已相继发布卫星通信网络建设计划,加快星座部署。在2019年5月,美国太空探索公司首次开展其“星链”低轨互联网星座计划部署,截至2025年5月底,“星链”项目已部署低轨卫星总数增加到8758颗,成为人类历史上最大的卫星星座
[49]。英国推进One Web卫星计划,利用地轨卫星构建全球高速电信网络
[50]。中国卫星星座建设也已进入规模化部署阶段,上升为国家战略
[51]。低轨通信卫星星座已入选了2024年全球十大工程成就
[52-53]。未来6G的通信网络与卫星通信等将深度融合,通信场景不断扩展,全球通信与数字化生态将不断重塑。地轨卫星具备的大带宽、广覆盖特性,可有效弥补地面基站无法覆盖的海上、偏远山区等区域,为应急通信保障国际化、跨区域的网络连接带来前所未有的便利,因此,与之相关的通信网络场景扩展将会继续是世界范围内6G领域的关注点。
通信安全与可信技术方向的研究,关注制约6G通信网络大规模应用和发展的通信安全问题,涉及网络安全架构设计、网络安全关键技术的研究等
[54]。其中,区块链技术是6G网络中下沉边缘节点构建去中心化身份认证系统的关键技术支撑。除此之外,通过分布式公钥基础设施,建立信任锚和证书链,解决不同信任域之间的证书互信问题
[55],是6G通信中运营商保障通信安全性和可靠性的重要方式。6G通信安全技术等研究虽然有阶段性成果,但是量子通信与人工智能等技术融合引发的复合型安全风险、网络攻击手段的不断升级以及针对各行业安全需求的个性化提升,都促使研究者对6G通信安全和可信技术方向不断深入探索,力求保障6G通信的安全稳定、健康发展。所以该方向,虽然在整体6G领域内发文量及关键词频次等略低,但是对保障6G通信的愿景的实现有十分重要的意义。
4 结论与建议
4.1 结论
本文通过对近6年“6G”为主题发文的国家、机构、作者、关键词等进行分析,呈现了6G相关研究的合作网络及研究热点。总体而言,6G相关研究发文量逐年增加,并且具有持续增长趋势,处于非常活跃的状态;主要发文机构中,中国多个高校和研究院6G相关研究发文量较高,企业中中国移动较为领先,提示中国的高校和企业的6G相关研究较为活跃,这可能与中国出台的多项政策支持有关;6G相关研究呈现出合作网络广泛且交叉,科研机构及作者之间形成不同的合作群体。从关键词分析可以看出,近年来6G相关研究热点涉及通信系统物理层无线传输技术、安全技术、性能优化、技术融合应用等多个方面,主要聚焦在无线通信与传输技术、智能计算与性能优化、通信网络场景扩展、通信安全与可信技术等研究方向。
4.2 建议
1)6G研究从论文数量领先到质量提升。中国6G领域论文发文量全球第一,显示出中国强大的科研投入和规模优势,但论文篇均被引频次略低。所以在保持6G领域论文高产出的同时,需要开展太赫兹通信等领域的深度研究,增加原创成果突破,不断提高篇均引用次数,提升该领域研究的国际影响力。
2)6G国际合作从广度拓展和深度合作协同开展。中国与世界多个国家建立了6G领域合作研究,未来需要在保持现有国际合作广度的基础上,进一步深化与高影响力国家(如美国、英国、法国、芬兰等)的战略性技术合作,优先链接高被引研究团队,提升合作质量与创新转化效率。不仅需要“广泛合作”,更需要“精准合作”,不断加强与高影响力团队与机构的深度合作与共享,提升6G研究的国际话语权与技术转化价值。
3)6G研究融合创新,注重产业转化。多种技术相互融合赋能,是6G研究未来的发展趋势。因此,未来应聚焦高潜力技术方向(如太赫兹通信、RIS、低轨卫星等),加强跨学科融合研究,有利于促进前沿领域的融合创新,抢占6G技术制高点,更好地实现6G通信系统的性能提升。同时推动标准化与产业化协同,形成从关键技术到商业应用的完整闭环,真正将发文优势转化为产业优势和国际标准话语。
本文对6G领域的研究现状及研究热点进行分析,分析有助于洞察该领域学者的兴趣和关注点,也为未来研究提供了研究方向。我们将继续密切关注6G技术的最新进展和未来趋势,为政策制定和相关科研机构的研究方向提供一定的参考,助力一个更加智能、便捷、高效的6G通信时代到来。