再谈6G
2020年行將結束，隨著5G網絡的建設推進，以及3GPP R16版本的凍結，越來越多的人將關注焦點轉移到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》。在白皮書中，三星預估6G標準完成及投入商業(yè)化的最早時間點是2028年，而大規(guī)模商業(yè)化可能發(fā)生在2030年左右。
這個預測時間點，和3月17日全球第二屆6G Wireless Summit會議上中興通訊給出的預測時間點非常接近：
從社會和技術的大趨勢來看，6G將具有以下顯著的特點：
? 人和機器都將是6G的用戶（并且機器反而會是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)制造等領域，6G將會通過AI來進一步提升性能并且降低CAPEX和OPEX。
? 6G將會使通信技術變得更加開放（比如近年成立的O-RAN聯盟等）。
? 6G將會在諸多社會問題方面發(fā)揮關鍵作用。例如應對氣候變化（與數字技術結合減少溫室氣體排放量）和解決教育不平等（遠程教育）等問題，5G已經為此提供了一些幫助。6G提供的超連接，將會進一步協助完成聯合國提出的2030可持續(xù)發(fā)展目標。
站在服務的角度，6G又會帶來什么呢？
6G將進一步增強5G定義的eMBB、URLLC、mMTC等特性，并且融合更加先進的傳感、成像、顯示和AI等技術，提供超連接體驗，比如：
? 沉浸式擴展現實（XR）
? 高保真移動全息影像
? 數字鏡像（數字孿生）
（延伸閱讀：什么是數字孿生？）
▉?6G必須滿足的要求
想要實現超連接體驗，6G必須滿足來自三個維度的要求，分別是性能、架構和可信度。
6G性能需求
相比5G，6G會有怎樣的性能提升？如下所示：
? 峰值數據速率1Tbps(1000Gbps)，是5G的50倍
? 空口延遲小于100微秒(μs)，是5G的十分之一
? 可靠性達到10-7，是5G的一百倍
? 設備連接密度達到107/Km2，是5G的十倍
? 頻譜效率達到5G的兩倍
繪制成蜘蛛網模型，大致如下：
6G體系結構需求
解決移動設備計算能力有限所帶來的問題，實現通信和計算的真正融合，以便最終用戶的各種設備能夠無縫地利用網絡中可用的計算能力，比如從技術開發(fā)的初期就引入AI（或者稱為原生AI）。
新的網絡功能的靈活集成，包括和非地面網絡的集成，比如飛機、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
解決用戶數據和AI技術的廣泛使用而帶來的安全和隱私問題。
▉?6G的重點技術發(fā)展方向
6G的一些典型候選技術如下：
太赫茲頻段（THz）
5G NR已經開始討論在52.6GHz以上的頻段工作，遵循這一趨勢，6G時代移動通信恐怕將不可避免地使用太赫茲THz頻段。
但是實際使用THz頻段，有一些必須克服的技術挑戰(zhàn)，例如：
（1）本身的傳播特性（嚴重的路徑損耗和大氣吸收）：需要針對室內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，現在基于InP、GaAs、SiGe、甚至CMOS技術已經在較低的THz頻段產生了一些突破。但是在更高的THz頻段，還需要進一步突破，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)模的天線陣列來補償路徑損耗。另一方面，這會導致非常狹窄的細波束（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的性能也非常重要。
（4）新的波形、信號、信道和協議：目前來看OFDM依然會是一個候選項，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、信道和協議來有效地適配THz的各種操作。
新型天線技術
5G NR已經使用Massive MIMO技術，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:
（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構應用于天線陣列信號，施加直流偏置來調整波束方向，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，它不需要一個帶移相器的獨立天線陣列。
第三種方法：可重構智能表面（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，科學家通過實驗證實，光子具有軌道角動量OAM這一基本性質。
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的特性，相位旋轉的次數稱為OAM模式。不同的OAM模式相互正交，在同一頻點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復用技術：
2018年5月，日本NTT已經利用軌道角動量（OAM）多路復用在全球首次成功演示了100Gbps無線傳輸，實驗室設計了OAM-MIMO復用傳輸。結果表明，系統能夠顯著提升傳輸容量。
這項技術看起來還是相當有前途的，但是實驗室只進行了十米的傳輸實驗，實際的實施和操作肯定還有很多的問題需要解決。
全雙工技術
5G NR引入了動態(tài)TDD技術，提高雙工靈活性，從而可以根據流量來動態(tài)調整下行鏈路和上行鏈路之間的時隙比率。
全雙工技術可能會在6G得到應用，從而解除傳統雙工機制對收發(fā)信機頻譜資源利用的限制，有助于進一步提高頻譜效率（理論上同時同頻全雙工可提升一倍的頻譜效率）和系統的靈活性。
上下行鏈路同時同頻傳輸信號，會存在嚴重的自干擾和交叉干擾問題，需要在設備和網絡部署時采取一定的干擾抑制和消除手段。
頻譜共享技術
本著開源與節(jié)流并重的思想，如何更加充分地利用現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）技術閃亮登場。
它可以讓不同制式的網絡共享使用相同的頻譜資源，相當于頻譜和制式解耦合。比如，目前動態(tài)頻譜共享技術已經可以在4G和5G之間動態(tài)分配頻譜。
6G時代，動態(tài)頻譜共享技術顯然還要在原有基礎上繼續(xù)發(fā)展，也許會被稱為“智能”頻譜共享技術。
網絡拓撲結構的演進
網絡拓撲演進方面的一個顯著趨勢，就是使用非地面網絡NTN，例如衛(wèi)星和HAPS，即使在沒有地面網絡的地方也能提供覆蓋。
NTN技術的實現，需要考慮地面網絡所沒有的新方面，包括對移動小區(qū)的支持、數百公里大的小區(qū)、較大的傳播延遲、NTN的高速移動導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的技術初始階段，3GPP R17將會完成對NTN網絡的第一階段支持，讓我們拭目以待吧。
PS：現階段想要多了解一些NTN的內容，建議參考3GPP TR38.811。
AI技術
3GPP 5G標準已經在核心網中引入了NWDAF網絡功能，對網絡進行數據收集和分析。相信該功能在后續(xù)版本中持續(xù)演進，之后3GPP也會對無線側進行相關的技術研究。到了6G時代，AI技術的應用將會無處不在。
舉例來說，本地AI技術給信道編碼研究提供了一種全新的解決方案，使其不再依賴傳統的編碼理論進行設計，通過學習、訓練、搜索就可以找到適合當前傳輸環(huán)境的最佳的調制編碼方式。聯合AI的一個例子是基于預測的切換優(yōu)化，而端到端的AI可以識別或者說預測網絡運行中的異常并提出糾正方案。
▉ 后話：現在談6G，是不是太早了？
5G商業(yè)化尚處于起步階段，現在開始準備6G正是時候。因為從開始研究到新一代通信技術商業(yè)化，通常需要10年左右的時間。
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泛在無線智能的關鍵驅動與研究挑戰(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，并付諸實施。
世界各國的6G研究進展
此前有報道稱，韓國5G網絡實際傳輸速率僅為4G的三倍多，遠遠低于20倍的標準。由此可以看出，全球范圍內的首要任務，還是先把5G的潛力充分激發(fā)出來，讓企業(yè)和個人充分感受到5G所帶來的真實價值。否則，空談6G是沒有任何意義的。
如果用一句話總結，那就是——
既要仰望星空（6G），也要腳踏實地（5G）。
—— The End ——
本文作者周磊，文中部分圖片及內容來自白皮書《下一代超連接體驗》。
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總結
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