6G：你想了解的都在這里了!

  ICCSZ訊 2019年成了5G元年，韓國、瑞士、美國等多個國家今年上半年開始商用5G，中國也在6月份發(fā)放了5G牌照，提前一年開始運營5G，而且有望建設(shè)全球最大最先進的5G網(wǎng)絡(luò)。雖然5G才剛剛起步，完整網(wǎng)絡(luò)覆蓋還需要幾年時間，但是業(yè)界已經(jīng)迫不及待探討6G時代了，這將是5G之后的新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不過目前還處于暢想階段，公認(rèn)會在十年之后才有可能問世。

  那6G到底會帶來什么變化呢?

  “在6G時代，或許我們在飛機上也能上網(wǎng)，同時不會影響飛行安全。登山運動員在登山遇到危險時，可實時發(fā)送位置信息與求救信號，不會出現(xiàn)時延。在海上航行時，船上的工作人員也不用擔(dān)心與陸地失聯(lián)，6G可保證其實時通信?！边@是南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院常務(wù)副院長吳啟暉描繪的。

  芬蘭奧盧大學(xué)也聯(lián)合70多位專家發(fā)表了6G白皮書，介紹了6G時代的網(wǎng)絡(luò)特征和技術(shù)趨勢。白皮書認(rèn)為，與從1G到5G的前幾次移動通信技術(shù)換代類似，6G的大多數(shù)性能指標(biāo)相比5G將提升10到100倍。

  白皮書給出了幾個衡量6G技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)：峰值傳輸速度達到100Gbps-1Tbps，而5G僅為10Gpbs;室內(nèi)定位精度10厘米，室外1米，相比5G提高10倍;通信時延0.1毫秒，是5G的十分之一;超高可靠性，中斷幾率小于百萬分之一;超高密度，連接設(shè)備密度達到每立方米過百個。此外，6G將采用太赫茲頻段通信，網(wǎng)絡(luò)容量大幅提升。

  從覆蓋范圍上看，6G無線網(wǎng)絡(luò)不再局限于地面，而是將實現(xiàn)地面、衛(wèi)星和機載網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。從定位精度上看，傳統(tǒng)的GPS和蜂窩多點定位精度有限，難以實現(xiàn)室內(nèi)物品精準(zhǔn)部署，6G則足以實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的高精度定位。同時，6G將與人工智能、機器學(xué)習(xí)深度融合，智能傳感、智能定位，智能資源分配、智能接口切換等都將成為現(xiàn)實，智能程度大幅度躍升。

  5G才剛上，為什么6G就來了

  5G愿景“信息隨心至，萬物觸手及”，強調(diào)信息交互、萬物可連接，而且連接對象集中在陸地10km高度的有限空間范圍內(nèi)。5G雖然在Rel-16版本開始研究并標(biāo)準(zhǔn)化非陸地通信網(wǎng)絡(luò)(non-terrestrial networks，NTN))技術(shù)特性，但NTN架構(gòu)涉及的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)體系依然是彼此獨立，需要通過專門的網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接交互，其通信能力和效率很難滿足十年后的“泛在連接”需求。為滿足未來“泛在連接”需求，6G需要引入空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將是一個有機整體，也即需要統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議架構(gòu)和技術(shù)體系，真正實現(xiàn)空天地海一體化的“泛在連接”。

  另外，5G海量連接特性(mMTC)強調(diào)連接數(shù)量，而不要求實時性;超可靠低時延特性(uRLLC)強調(diào)可靠性與實時性，但對連接數(shù)量和吞吐量沒有需求，是以降低頻譜效率和連接數(shù)量為代價實現(xiàn)的。而6G的“萬物隨心”愿景則同時需要海量連接、可靠性、實時性和吞吐量需求，因此，雖然6G愿景涵蓋的基本概念中部分在5G已有涉及，但6G愿景提出了更高的目標(biāo)，以滿足未來全新的場景需求。

  從商業(yè)、社會驅(qū)動因素來看5G的驅(qū)動力來源消費者不斷增長的流量需求，以及垂直行業(yè)的生產(chǎn)力需求。本質(zhì)上還是移動網(wǎng)絡(luò)運營商驅(qū)動。

  6G驅(qū)動因素包括商業(yè)和社會。社會因素包括政治、經(jīng)濟、社會、技術(shù)、法律和環(huán)境等方面的社會需求，以進一步促進數(shù)字社會的包容性與公平性，比如，讓全球貧困人口、弱勢群體和偏遠的農(nóng)村居民都能公平地享受到教育、醫(yī)療保健等服務(wù)。

  相比5G，6G具有更廣的包容性和延展性，因此6G的參與者將不只是傳統(tǒng)運營商的，而會在傳統(tǒng)運營商之外產(chǎn)生新的生態(tài)系統(tǒng)。比如，由于引入頻段越來也高，網(wǎng)絡(luò)越來越密集，針對垂直市場的本地網(wǎng)絡(luò)將越來越普遍，這些本地網(wǎng)絡(luò)將由不同的利益相關(guān)者部署，從而驅(qū)動“本地運營商”模式，繁衍出新的生態(tài)系統(tǒng)。

  6G將顛覆哪些場景?

  5G技術(shù)一直與延遲、功耗、部署成本、硬件復(fù)雜性、吞吐量、端到端可靠性和通信彈性等權(quán)衡因素聯(lián)系在一起。然而到2030年及以后的市場將引入新的應(yīng)用，在超高可靠性、容量、能效和低延遲方面有更嚴(yán)格的要求，可能會使傳統(tǒng)無線系統(tǒng)技術(shù)的容量飽和。

  盡管大規(guī)模通信、增強現(xiàn)實(AR)和虛擬現(xiàn)實(VR)等這些應(yīng)用已經(jīng)在5G中討論過，但由于技術(shù)限制或市場不夠成熟，它們很可能不會成為未來5G部署的一部分。上圖展示了不同應(yīng)用對低延遲、吞吐量、可靠性的需求。

  從人與人、人與物、物與物的角度出發(fā)，將來6G將會被用于空間通信、智能交互、全息、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、情感和觸覺交流、虛擬助理、多感官混合現(xiàn)實、機器間的協(xié)同、身體域網(wǎng)絡(luò)、全自動交通等場景。(具體用例參考《“浴霸”iPhone 11不支持5G，但6G已蠢蠢欲動!》一文)

  XR體驗

  XR體驗很可能由輕巧的眼鏡提供，它們以高分辨率，幀速率和動態(tài)范圍將圖像投射到眼睛上。此外，通過耳機和觸覺界面將感受反饋其他器官。

  遠程通信

  遠程全息技術(shù)通過實時捕獲、傳輸和渲染技術(shù)，將身處不同地方的人的3D全息影像傳送到同一位置，使大家如面對面坐在一起一樣交流溝通。

  聯(lián)網(wǎng)自動駕駛汽車

  未來網(wǎng)絡(luò)中的每輛車都將配備許多傳感器，包括相機，激光掃描儀，可能用于3D成像的THz陣列，里程表和慣性測量單元。算法必須快速融合來自多個來源的數(shù)據(jù)，判斷周邊人員，動物或建筑物的信息，以快速控制車輛避免碰撞或人員受傷。

  6G三大關(guān)鍵技術(shù)

  在“2018年世界移動通信大會·北美”上，Jessica Rosenworcel作為美國聯(lián)邦通信協(xié)會(FCC)對外公開討論6G無線服務(wù)的第一位專員，提出了6G的3大類關(guān)鍵技術(shù)，分別涉及到6G頻譜、6G無線“超大容量”如何實現(xiàn)、6G頻譜使用如何創(chuàng)新這3大方面。

  6G將進入太赫茲頻段

  隨著用戶數(shù)和智能設(shè)備數(shù)量的增加，有限的頻譜帶寬就需要服務(wù)更多的終端，這會導(dǎo)致每個終端的服務(wù)質(zhì)量嚴(yán)重下降。而解決這一問題的可行的方法便是開發(fā)新的通信頻段，拓展通信帶寬。就像一條公路，即便再寬闊，所容納車量也是有限的。當(dāng)路不夠用時，車輛就會阻塞無法暢行，此時就需要考慮開發(fā)另一條路。

  目前，我國三大運營商的4G主力頻段位于1.8GHz-2.7GHz之間的一部分頻段，而國際電信標(biāo)準(zhǔn)組織定義的5G的主流頻段是3GHz-6GHz。到了6G，將邁入頻率更高的太赫茲頻段100GHz-10THz。

  6G時代網(wǎng)絡(luò)將“致密化”，我們的周圍會充滿小基站。5G時代據(jù)說就200米一個小基站了，6G會更多。影響基站覆蓋范圍的因素比較多，比如信號的頻率、基站的發(fā)射功率、基站的高度等。就信號的頻率而言，頻率越高則波長越短，所以信號的繞射能力就越差，損耗也就越大。并且這種損耗會隨著傳輸距離的增加而增加，基站所能覆蓋到的范圍會隨之降低。（注：繞射也稱衍射，在電磁波傳播過程中遇到障礙物，這個障礙物的尺寸與電磁波的波長接近時，電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。）

  此外由于6G信號的頻率屬于太赫茲級別，這個頻率已經(jīng)進入分子轉(zhuǎn)動能級的光譜了，很容易被空氣中的被水分子吸收掉，所以在空間中傳播的距離不像5G信號那么遠，6G需要更多的基站“接力”。

  小編擔(dān)心5G的基站已經(jīng)很密了，6G的密度會變成什么?是否會有更多的輻射困擾?

  空間復(fù)用技術(shù)

  當(dāng)信號的頻率超過10GHz時，其主要的傳播方式就不再是衍射。對于非視距傳播鏈路來說，反射和散射才是主要的信號傳播方式。同時，頻率越高，傳播損耗越大，覆蓋距離越近，繞射能力越弱。這些因素都會大大增加信號覆蓋的難度。

  不止是6G，處于毫米波段的5G也是如此。5G目前是采用Massive MIMO和波束賦形這兩個關(guān)鍵技術(shù)來解決此類問題的。Massive MIMO主要是通過增加發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量，即設(shè)計一個多天線陣列，來補償高頻路徑上的損耗。

  空間復(fù)用技術(shù)就是在MIMO多副天線的配置下來提高傳輸數(shù)據(jù)數(shù)量。在發(fā)射端，高速率的數(shù)據(jù)流被分割為多個較低速率的子數(shù)據(jù)流，不同的子數(shù)據(jù)流在不同的發(fā)射天線上在相同頻段上發(fā)射出去。由于發(fā)射端與接收端的天線陣列之間的空域子信道足夠不同，接收機能夠區(qū)分出這些并行的子數(shù)據(jù)流，而不需付出額外的頻率或者時間資源。

  MIMO的多天線陣列會使大部分發(fā)射能量聚集在一個非常窄的區(qū)域。由于區(qū)域比較窄，不同波束之間的干擾會比較少。

  但由于基站發(fā)出的窄波束不是360度全方向的，不能保證波束能覆蓋到基站周圍任意一個方向上的用戶，此時可采用波束賦形技術(shù)。波束賦形就是通過復(fù)雜的算法對波束進行管理和控制，使之變得像“聚光燈”一樣。這些“聚光燈”可以找到手機都聚集在哪里，然后更為聚焦地對其進行信號覆蓋。

  5G采用的是MIMO技術(shù)提高頻譜利用率。而6G所處的頻段更高，MIMO未來的進一步發(fā)展很有可能成為6G提供關(guān)鍵的技術(shù)支持。

  動態(tài)頻譜共享+區(qū)塊鏈

  歐美國家運營商獲取頻譜方式主要是頻譜拍賣(頻譜拍賣是指授權(quán)用戶規(guī)劃某一頻段，對外進行公開拍賣，以公開競價的方式，將該頻段的使用權(quán)轉(zhuǎn)讓給最高應(yīng)價者使用。)但頻譜拍賣的分配方式難以勝任6G時代“對于頻譜資源的高效利用”這一訴求，因為它存在授權(quán)用戶獨占頻段而造成頻譜閑置、利用不充分等問題。

  為了合理配置頻譜資源，使其得到高效充分的利用，美國FCC于2015年開展推動了動態(tài)頻譜共享，在3.5GHz上推出CBRS(公眾無線寬帶服務(wù))。通過集中的頻譜訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來動態(tài)管理不同類型的無線流量，以提高頻譜使用效率。簡單來講，就是某一使用者不用的話，其他使用者可以接入使用，像共享單車一樣，這樣不僅能有效減少資源浪費，也可減少擁塞的問題。

  目前CBRS聯(lián)盟第3版將解決使用3.5 GHz頻段共享頻譜支持5G部署的問題。近期美國運營商Verizon與高通、愛立信已完成DSS 5G數(shù)據(jù)通話;AT&T在2018年9月就開始測試支持5G的CBRS設(shè)備。

  不過到了6G時代，動態(tài)頻譜共享顯然還要在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展。CBRS是通過集中式的數(shù)據(jù)庫來支持頻譜共享接入的，若系統(tǒng)能基于采用分布式數(shù)據(jù)庫的區(qū)塊鏈技術(shù)，探索使用區(qū)塊鏈作為動態(tài)頻譜共享技術(shù)的低成本替代方案，則不僅可以降低動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)的管理費用，提升頻譜效率，還能進一步增加接入等級、接入用戶數(shù)量等。區(qū)塊鏈在6G中的應(yīng)用，使用“去中心”的分布式賬本來記錄各種無線接入信息，將可進一步激發(fā)新技術(shù)創(chuàng)新，甚至“改變未來6G使用無線頻譜的方式”。

  除上述的三大技術(shù)，6G需要的技術(shù)還有很多。有專家認(rèn)為要想提升帶寬，就要依靠芯片技術(shù)和射頻電路技術(shù)的發(fā)展。同時，還有專家指出，太赫茲芯片的散熱問題也亟待解決。如今，芯片越做越小，而傳輸功率的增加會讓芯片更容易“發(fā)燙”，所以微散熱技術(shù)也亟待提升。

  此外6G時代，我們可能需要固態(tài)電池、石墨烯電池等新電池技術(shù);采取怎樣的無線安全方案使得相關(guān)通信系統(tǒng)能夠應(yīng)對由量子計算機發(fā)起的攻擊等等，包括此次白皮書提出的各種中注意事項，都需要我們不停地探索以完善6G。

  6G研究進展

  6G各國硝煙再起

  中國：目前國內(nèi)IMT2020新技術(shù)工作組已開始開展6G的總體研究，科技部2018-2019重點專項中11項與6G相關(guān)，信通院等單位牽頭負(fù)責(zé)《后5G/6G系統(tǒng)愿景與需求研究》。2019年4月26日，毫米波太赫茲產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟在京成立，該聯(lián)盟由信通院與產(chǎn)業(yè)界、科研院所等相關(guān)企業(yè)和專家共同籌建，旨在加快我國毫米波太赫茲產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升我國在通信領(lǐng)域的技術(shù)水平與產(chǎn)業(yè)化能力。同時由國家發(fā)改委、工信部、科技部共同支持舉辦的未來移動通信論壇(“Future論壇”)已發(fā)布《ApeekBeyond5G》等3本6G相關(guān)白皮書。ITU-T啟動的FGNET2030研究，中國運營商也深度參與。2019年11月6日，6G技術(shù)研發(fā)工作啟動會召開，國家6G技術(shù)研發(fā)推進工作組和總體專家組正式成立。

  美國：6G的研發(fā)推進以政府資助高校的模式為主，重點研發(fā)“融合太赫茲通信與傳感”的項目。近期，美國聯(lián)邦通訊委員會已經(jīng)正式投票決定將太赫磁波開放給6G技術(shù)試驗使用。

  日本：6G的研究工作以國內(nèi)最大電信運營商NTTDoCoMo為主體，主攻太赫茲、軌道角動量等方向。

  韓國：主要由三星負(fù)責(zé)6G技術(shù)預(yù)研。據(jù)韓國亞洲日報6月4日報道，三星電子已經(jīng)成立了新一代通信研究中心，由6G研究組等先導(dǎo)解決組和標(biāo)準(zhǔn)研究組構(gòu)成。

  歐盟：歐盟2017年成立由德國、希臘、芬蘭、葡萄牙、英國等跨國TERRANOVA計劃，明確提出研發(fā)超高速太赫茲創(chuàng)新無線通信技術(shù)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(ETSI)也逐步開展6G基礎(chǔ)技術(shù)的研究項目及其他研發(fā)方向的征詢工作。

  跨區(qū)域的合作：近日，索尼、英特爾和NTT(日本電話電報公司)宣布，它們將合作開發(fā)6G移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

  國內(nèi)6G項目

  2018年10月26日,科技部發(fā)布“寬帶通信和新型網(wǎng)絡(luò)”重點專項2018年度項目,專項實施周期為5年(2018-2022年)，總體目標(biāo)是“使我國成為B5G無線移動通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的全球引領(lǐng)者;在‘未來無線移動通信′方面取得一批突破性成果掌握自主知識產(chǎn)權(quán)”。涉及B5G/6G無線移動通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)硏發(fā)的項目一共有5個:

• 大規(guī)模無線通信物理層基礎(chǔ)理論與技術(shù)(基礎(chǔ)前沿類);
• 太赫茲無線通信技術(shù)與系統(tǒng)(共性關(guān)鍵技術(shù)類);
• 面向基站的大規(guī)模無線通信新型天線與射頻技術(shù)(共性關(guān)鍵技術(shù)類);
• 兼容C波段的毫米波體化射頻前端系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)(共性關(guān)鍵技術(shù)類);
• 基于第三代化合物半導(dǎo)體的射頻前端系統(tǒng)技術(shù)(共性關(guān)鍵技術(shù)類)。

  6G玩家涵蓋各領(lǐng)域巨頭：運營商、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界

  中國移動第二次科技創(chuàng)新大會5月13日召開。工信部張峰總工程師提了三點建議,其中之一涉及“布局未來6G基礎(chǔ)研究,助力關(guān)鍵核心技術(shù)突破“。9月17日,中國移動研究院召開“暢想未來”6G系列研討會第一次會議,為業(yè)界尋找6G研究方向提供了重要的參考。在2019中國移動全球合作伙伴大會期間,中國移動研究院聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界共同發(fā)布了《2030+愿景與需求報告》,這是中國移動第一份6G報告。

  中國聯(lián)通網(wǎng)研院5G創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人馮毅日前在太赫茲通信技術(shù)研討會上表示，網(wǎng)研院已經(jīng)開始5G和6G通信技術(shù)的研究，中國聯(lián)通太赫茲通信推進計劃將分三步走。馮毅透露，中國聯(lián)通還將牽頭成立毫米波太赫茲聯(lián)合創(chuàng)新中心，聯(lián)合20家以上成員單位，制定10個以上太赫茲通信標(biāo)準(zhǔn)，打造3個以上的太赫茲示范項目(冬奧會)，建立1個以上太赫茲通信開放實驗室。

  2018年12月，東南大學(xué)發(fā)布十大科學(xué)與技術(shù)問題,其中一個是“6G移動通信先期研究“包含6大研究方向：

  ①開展智能移動通信硏究，探索基于大數(shù)據(jù)和人工智能的移動通信新型體系構(gòu)架

  ②開展大規(guī)模無線通信硏究探索速率容量和用戶容量量級提升機理及理論方法。

  ③開展毫米波/亞毫米波無線通信研究，系統(tǒng)地探討其架構(gòu)、理論、射頻與天線陣列技術(shù)、以及核心器件。

  ④開展大容量光無線通信硏究,探尋無線通信新技術(shù),為滿足大容量的業(yè)務(wù)需求,尋求低代價技術(shù)途徑

  ⑤開展寬帶衛(wèi)星移動通信研究,將5G移動通信技術(shù)及其演進技術(shù)拓展應(yīng)用到寬帶衛(wèi)星移動通信場景

  ⑥構(gòu)建—體化試驗平臺,支撐6G移動通信理論與技術(shù)研究,承擔(dān)國家相關(guān)科研任務(wù)。

  據(jù)加拿大媒體在8月中旬的報道，華為已經(jīng)開始在設(shè)于加拿大渥太華的研發(fā)實驗室硏發(fā)6G技術(shù)。該實驗室將助力引領(lǐng)華為在全球的6G發(fā)展。華為加拿大負(fù)責(zé)研究戰(zhàn)略與合作伙伴關(guān)系的副總裁 Song Zhang素示：5G非常新，而‘研發(fā)6G’是所謂的‘5G演進’的部分。

  中興通訊投資組建了約40-50人的團隊梳理“愿景”“需求”“重要指標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)”四個方面的工作以推進6G，系統(tǒng)研究6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、新頻譜、新空口以及和人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)的結(jié)合，并在6G相關(guān)的前沿基礎(chǔ)材料、器件等領(lǐng)域同樣予以關(guān)注和布局。

  移動通信技術(shù)從模擬技術(shù)演進到以GSM為標(biāo)志的第二代移動通信技術(shù)(2G)用了30年，從2G到3G時代的演進用了15年，從3G到4G的推出用了5年。技術(shù)升級速度越來越快，每一代通信技術(shù)成為商用主流的時間越來越短。如今6G已經(jīng)在路上了，也許它的普及會來得更快!