再談6G

2020年行將結(jié)束，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)推進(jìn)，以及3GPP R16版本的凍結(jié)，越來越多的人將關(guān)注焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到6G身上。

7月14日，韓國三星電子發(fā)布了白皮書《下一代超連接體驗(yàn)》。在白皮書中，三星預(yù)估6G標(biāo)準(zhǔn)完成及投入商業(yè)化的最早時(shí)間點(diǎn)是2028年，而大規(guī)模商業(yè)化可能發(fā)生在2030年左右。

這個(gè)預(yù)測時(shí)間點(diǎn)，和3月17日全球第二屆6G Wireless Summit會議上中興通訊給出的預(yù)測時(shí)間點(diǎn)非常接近：

從社會和技術(shù)的大趨勢來看，6G將具有以下顯著的特點(diǎn)：

? 人和機(jī)器都將是6G的用戶（并且機(jī)器反而會是6G的首要用戶）。

? AI將會滲透到各行各業(yè)，比如金融，健康，工業(yè)制造等領(lǐng)域，6G將會通過AI來進(jìn)一步提升性能并且降低CAPEX和OPEX。

? 6G將會使通信技術(shù)變得更加開放（比如近年成立的O-RAN聯(lián)盟等）。

? 6G將會在諸多社會問題方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如應(yīng)對氣候變化（與數(shù)字技術(shù)結(jié)合減少溫室氣體排放量）和解決教育不平等（遠(yuǎn)程教育）等問題，5G已經(jīng)為此提供了一些幫助。6G提供的超連接，將會進(jìn)一步協(xié)助完成聯(lián)合國提出的2030可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

站在服務(wù)的角度，6G又會帶來什么呢？

6G將進(jìn)一步增強(qiáng)5G定義的eMBB、URLLC、mMTC等特性，并且融合更加先進(jìn)的傳感、成像、顯示和AI等技術(shù)，提供超連接體驗(yàn)。

6G必須滿足的要求

想要實(shí)現(xiàn)超連接體驗(yàn)，6G必須滿足來自三個(gè)維度的要求，分別是性能、架構(gòu)和可信度。

6G性能需求

相比5G，6G會有怎樣的性能提升？如下所示：

? 峰值數(shù)據(jù)速率1Tbps（1000Gbps），是5G的50倍

? 空口延遲小于100微秒（μs），是5G的十分之一

? 可靠性達(dá)到10-7，是5G的一百倍

? 設(shè)備連接密度達(dá)到107/Km2，是5G的十倍

? 頻譜效率達(dá)到5G的兩倍

繪制成蜘蛛網(wǎng)模型，大致如下：

6G體系結(jié)構(gòu)需求

解決移動設(shè)備計(jì)算能力有限所帶來的問題，實(shí)現(xiàn)通信和計(jì)算的真正融合，以便最終用戶的各種設(shè)備能夠無縫地利用網(wǎng)絡(luò)中可用的計(jì)算能力，比如從技術(shù)開發(fā)的初期就引入AI（或者稱為原生AI）。

新的網(wǎng)絡(luò)功能的靈活集成，包括和非地面網(wǎng)絡(luò)的集成，比如飛機(jī)、近地軌道和地球靜止軌道衛(wèi)星、高空平臺等。

6G可信度需求

解決用戶數(shù)據(jù)和AI技術(shù)的廣泛使用而帶來的安全和隱私問題。

▉ 6G的重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展方向

6G的一些典型候選技術(shù)如下：

太赫茲頻段（THz）

5G NR已經(jīng)開始討論在52.6GHz以上的頻段工作，遵循這一趨勢，6G時(shí)代移動通信恐怕將不可避免地使用太赫茲THz頻段。

但是實(shí)際使用THz頻段，有一些必須克服的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如：

（1）本身的傳播特性（嚴(yán)重的路徑損耗和大氣吸收）：需要針對室內(nèi)和室外的場景建立適合THz的多徑信道模型。

（2）芯片和射頻器件：過去十年，研究者們致力于開發(fā)芯片級的太赫茲技術(shù)，現(xiàn)在基于InP、GaAs、SiGe、甚至CMOS技術(shù)已經(jīng)在較低的THz頻段產(chǎn)生了一些突破。但是在更高的THz頻段，還需要進(jìn)一步突破，以滿足高效率、低能耗和低成本需求。

（3）天線和波束賦形：太赫茲意味著路徑損耗的急劇增加。因此，需要超大規(guī)模的天線陣列來補(bǔ)償路徑損耗。另一方面，這會導(dǎo)致非常狹窄的細(xì)波束（類似于激光波束），因此如何優(yōu)化波束賦形，以合理的成本和能效來提升系統(tǒng)的性能也非常重要。

（4）新的波形、信號、信道和協(xié)議：目前來看OFDM依然會是一個(gè)候選項(xiàng)，但是需要去探索新的備選波形，降低PAPR，滿足THz的硬件限制。另外，還需要開發(fā)合適的信號、信道和協(xié)議來有效地適配THz的各種操作。

新型天線技術(shù)

5G NR已經(jīng)使用Massive MIMO技術(shù)，但是THz波段需要比毫米波更多的天線，因此會有更大的挑戰(zhàn)，以下是一些可選項(xiàng)：

（1）基于超材料的天線和射頻前端

第一種方法：將超表面透鏡作為移相結(jié)構(gòu)應(yīng)用于天線陣列信號，施加直流偏置來調(diào)整波束方向，有助于銳化波束形狀。

第二種方法：超材料天線作為諧振天線，其自身輻射定向波束，與超表面透鏡不同，它不需要一個(gè)帶移相器的獨(dú)立天線陣列。

第三種方法：可重構(gòu)智能表面（RIS），通俗的講，智能表面可以改變電磁波的電磁特性，從而影響周圍的傳播環(huán)境。

（2）軌道角動量（OAM）

1992年，科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，光子具有軌道角動量OAM這一基本性質(zhì)。

OAM通信研究的核心，是把軌道角動量這一尚未利用的電磁波參數(shù)用于通信。OAM是電磁波在傳播方向上在垂直平面上表示相位旋轉(zhuǎn)的特性，相位旋轉(zhuǎn)的次數(shù)稱為OAM模式。不同的OAM模式相互正交，在同一頻點(diǎn)上可傳輸多路正交信號，從而提升頻譜效率和信道容量，這就是OAM復(fù)用技術(shù)：

2018年5月，日本NTT已經(jīng)利用軌道角動量（OAM）多路復(fù)用在全球首次成功演示了100Gbps無線傳輸，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了OAM-MIMO復(fù)用傳輸。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠顯著提升傳輸容量。

這項(xiàng)技術(shù)看起來還是相當(dāng)有前途的，但是實(shí)驗(yàn)室只進(jìn)行了十米的傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)際的實(shí)施和操作肯定還有很多的問題需要解決。

全雙工技術(shù)

5G NR引入了動態(tài)TDD技術(shù)，提高雙工靈活性，從而可以根據(jù)流量來動態(tài)調(diào)整下行鏈路和上行鏈路之間的時(shí)隙比率。

全雙工技術(shù)可能會在6G得到應(yīng)用，從而解除傳統(tǒng)雙工機(jī)制對收發(fā)信機(jī)頻譜資源利用的限制，有助于進(jìn)一步提高頻譜效率（理論上同時(shí)同頻全雙工可提升一倍的頻譜效率）和系統(tǒng)的靈活性。

上下行鏈路同時(shí)同頻傳輸信號，會存在嚴(yán)重的自干擾和交叉干擾問題，需要在設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)采取一定的干擾抑制和消除手段。

頻譜共享技術(shù)

本著開源與節(jié)流并重的思想，如何更加充分地利用現(xiàn)有的頻譜資源就顯得格外重要（特別是在低頻段）。

于是，動態(tài)頻譜共享（DSS）技術(shù)閃亮登場。

它可以讓不同制式的網(wǎng)絡(luò)共享使用相同的頻譜資源，相當(dāng)于頻譜和制式解耦合。比如，目前動態(tài)頻譜共享技術(shù)已經(jīng)可以在4G和5G之間動態(tài)分配頻譜。

6G時(shí)代，動態(tài)頻譜共享技術(shù)顯然還要在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展，也許會被稱為“智能”頻譜共享技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的演進(jìn)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲葸M(jìn)方面的一個(gè)顯著趨勢，就是使用非地面網(wǎng)絡(luò)NTN，例如衛(wèi)星和HAPS，即使在沒有地面網(wǎng)絡(luò)的地方也能提供覆蓋。

NTN技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，需要考慮地面網(wǎng)絡(luò)所沒有的新方面，包括對移動小區(qū)的支持、數(shù)百公里大的小區(qū)、較大的傳播延遲、NTN的高速移動導(dǎo)致的較大多普勒頻移和較大路徑損耗等。

目前尚處于開發(fā)支持NTN的技術(shù)初始階段，3GPP R17將會完成對NTN網(wǎng)絡(luò)的第一階段支持，讓我們拭目以待吧。

PS：現(xiàn)階段想要多了解一些NTN的內(nèi)容，建議參考3GPP TR38.811。

AI技術(shù)

3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在核心網(wǎng)中引入了NWDAF網(wǎng)絡(luò)功能，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析。相信該功能在后續(xù)版本中持續(xù)演進(jìn)，之后3GPP也會對無線側(cè)進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)研究。到了6G時(shí)代，AI技術(shù)的應(yīng)用將會無處不在。

舉例來說，本地AI技術(shù)給信道編碼研究提供了一種全新的解決方案，使其不再依賴傳統(tǒng)的編碼理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、搜索就可以找到適合當(dāng)前傳輸環(huán)境的最佳的調(diào)制編碼方式。聯(lián)合AI的一個(gè)例子是基于預(yù)測的切換優(yōu)化，而端到端的AI可以識別或者說預(yù)測網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中的異常并提出糾正方案。

▉ 后話：現(xiàn)在談6G，是不是太早了？

5G商業(yè)化尚處于起步階段，現(xiàn)在開始準(zhǔn)備6G正是時(shí)候。因?yàn)閺拈_始研究到新一代通信技術(shù)商業(yè)化，通常需要10年左右的時(shí)間。

早在2019年3月，芬蘭就舉辦了全球第一屆6G峰會，來自各國的通信專家們商議擬定了全球首份6G白皮書：6G泛在無線智能的關(guān)鍵驅(qū)動與研究挑戰(zhàn)。

在過去的一年，世界各國紛紛制定了本國6G的發(fā)展規(guī)劃，并付諸實(shí)施。

世界各國的6G研究進(jìn)展

此前有報(bào)道稱，韓國5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際傳輸速率僅為4G的三倍多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于20倍的標(biāo)準(zhǔn)。由此可以看出，全球范圍內(nèi)的首要任務(wù)，還是先把5G的潛力充分激發(fā)出來，讓企業(yè)和個(gè)人充分感受到5G所帶來的真實(shí)價(jià)值。否則，空談6G是沒有任何意義的。

如果用一句話總結(jié)，那就是——

既要仰望星空（6G），也要腳踏實(shí)地（5G）。

責(zé)任編輯：haq