Abstract The fifth generation (5G) wireless communication networks are being deployed worldwide from 2020 and more capabilities are in the process of being standardized, such as mass connectivity, ultra-reliability, and guaranteed low latency. However, 5G will not meet all requirements of the future in 2030 and beyond, and sixth generation (6G) wireless communication networks are expected to provide global coverage, enhanced spectral/energy/cost efficiency, better intelligence level and security, etc. To meet these requirements, 6G networks will rely on new enabling technologies, i.e., air interface and transmission technologies and novel network architecture, such as waveform design, multiple access, channel coding schemes, multi-antenna technologies, network slicing, cell-free architecture, and cloud/fog/edge computing. Our vision on 6G is that it will have four new paradigm shifts. First, to satisfy the requirement of global coverage, 6G will not be limited to terrestrial communication networks, which will need to be complemented with non-terrestrial networks such as satellite and unmanned aerial vehicle (UAV) communication networks, thus achieving a space-air-ground-sea integrated communication network. Second, all spectra will be fully explored to further increase data rates and connection density, including the sub-6 GHz, millimeter wave (mmWave), terahertz (THz), and optical frequency bands. Third, facing the big datasets generated by the use of extremely heterogeneous networks, diverse communication scenarios, large numbers of antennas, wide bandwidths, and new service requirements, 6G networks will enable a new range of smart applications with the aid of artificial intelligence (AI) and big data technologies. Fourth, network security will have to be strengthened when developing 6G networks. This article provides a comprehensive survey of recent advances and future trends in these four aspects. Clearly, 6G with additional technical requirements beyond those of 5G will enable faster and further communications to the extent that the boundary between physical and cyber worlds disappears.

In this paper, joint resource allocation and power control for energy-efficient device-to-device (D2D) communications underlaying cellular networks are investigated. The resource and power are optimized for maximization of the energy efficiency (EE) of D2D communications. Exploiting the properties of fractional programming, we transform the original nonconvex optimization problem in fractional form into an equivalent optimization problem in subtractive form. Then, an efficient iterative resource allocation and power control scheme is proposed. In each iteration, part of the constraints of the EE optimization problem are removed by exploiting the penalty function approach. We further propose a novel two-layer approach, which allows finding the optimum at each iteration by decoupling the EE optimization problem of joint resource allocation and power control into two separate steps. In the first layer, the optimal power values are obtained by solving a series of maximization problems through root finding, with or without considering the loss of cellular users' rates. In the second layer, the formulated optimization problem belongs to a classical resource-allocation problem with single allocation format, which admits a network flow formulation so that it can be solved to optimality. Simulation results demonstrate the remarkable improvements in terms of EE by using the proposed iterative resource allocation and power control scheme.