2020 年行将结束,随着 5G 网络的建设推进,以及 3GPP R16 版本的冻结,越来越多的人将关注焦点转移到 6G 身上。

 

7 月 14 日,韩国三星电子发布了白皮书《下一代超连接体验》。在白皮书中,三星预估 6G 标准完成及投入商业化的最早时间点是 2028 年,而大规模商业化可能发生在 2030 年左右。

 

 

这个预测时间点,和 3 月 17 日全球第二届 6G Wireless Summit 会议上中兴通讯给出的预测时间点非常接近:

 

 

从社会和技术的大趋势来看,6G 将具有以下显著的特点:

• 人和机器都将是 6G 的用户(并且机器反而会是 6G 的首要用户)。

 

• AI 将会渗透到各行各业,比如金融,健康,工业制造等领域,6G 将会通过 AI 来进一步提升性能并且降低 CAPEX 和 OPEX。

 

• 6G 将会使通信技术变得更加开放(比如近年成立的 O-RAN 联盟等)。

 

• 6G 将会在诸多社会问题方面发挥关键作用。例如应对气候变化(与数字技术结合减少温室气体排放量)和解决教育不平等(远程教育)等问题,5G 已经为此提供了一些帮助。6G 提供的超连接,将会进一步协助完成联合国提出的 2030 可持续发展目标。

 

 

站在服务的角度,6G 又会带来什么呢?

6G 将进一步增强 5G 定义的 eMBB、URLLC、mMTC 等特性,并且融合更加先进的传感、成像、显示和 AI 等技术,提供超连接体验,比如:

 

• 沉浸式扩展现实(XR)

 

 

• 高保真移动全息影像

 

 

• 数字镜像(数字孪生)

 

 

6G 必须满足的要求

想要实现超连接体验,6G 必须满足来自三个维度的要求,分别是性能、架构和可信度。

 

6G 性能需求

相比 5G,6G 会有怎样的性能提升?如下所示:

 

• 峰值数据速率 1Tbps(1000Gbps),是 5G 的 50 倍

 

• 空口延迟小于 100 微秒(μs),是 5G 的十分之一

 

• 可靠性达到 10-7,是 5G 的一百倍

 

• 设备连接密度达到 107/Km2,是 5G 的十倍

 

• 频谱效率达到 5G 的两倍

 

绘制成蜘蛛网模型,大致如下:

 

 

6G 体系结构需求

解决移动设备计算能力有限所带来的问题,实现通信和计算的真正融合,以便最终用户的各种设备能够无缝地利用网络中可用的计算能力,比如从技术开发的初期就引入 AI(或者称为原生 AI)。

 

新的网络功能的灵活集成,包括和非地面网络的集成,比如飞机、近地轨道和地球静止轨道卫星、高空平台等。

 

6G 可信度需求

解决用户数据和 AI 技术的广泛使用而带来的安全和隐私问题。

 

 6G 的重点技术发展方向

6G 的一些典型候选技术如下:

 

太赫兹频段(THz)

5G NR 已经开始讨论在 52.6GHz 以上的频段工作,遵循这一趋势,6G 时代移动通信恐怕将不可避免地使用太赫兹 THz 频段。

 

 

但是实际使用 THz 频段,有一些必须克服的技术挑战,例如:

 

(1)本身的传播特性(严重的路径损耗和大气吸收):需要针对室内和室外的场景建立适合 THz 的多径信道模型。

 

(2)芯片和射频器件:过去十年,研究者们致力于开发芯片级的太赫兹技术,现在基于 InP、GaAs、SiGe、甚至 CMOS 技术已经在较低的 THz 频段产生了一些突破。但是在更高的 THz 频段,还需要进一步突破,以满足高效率、低能耗和低成本需求。

 

(3)天线和波束赋形:太赫兹意味着路径损耗的急剧增加。因此,需要超大规模的天线阵列来补偿路径损耗。另一方面,这会导致非常狭窄的细波束(类似于激光波束),因此如何优化波束赋形,以合理的成本和能效来提升系统的性能也非常重要。

 

(4)新的波形、信号、信道和协议:目前来看 OFDM 依然会是一个候选项,但是需要去探索新的备选波形,降低 PAPR,满足 THz 的硬件限制。另外,还需要开发合适的信号、信道和协议来有效地适配 THz 的各种操作。

 

新型天线技术

5G NR 已经使用 Massive MIMO 技术,但是 THz 波段需要比毫米波更多的天线,因此会有更大的挑战,以下是一些可选项:

 

(1)基于超材料的天线和射频前端

第一种方法:将超表面透镜作为移相结构应用于天线阵列信号,施加直流偏置来调整波束方向,有助于锐化波束形状。

 

 

第二种方法:超材料天线作为谐振天线,其自身辐射定向波束,与超表面透镜不同,它不需要一个带移相器的独立天线阵列。

 

 

第三种方法:可重构智能表面(RIS),通俗的讲,智能表面可以改变电磁波的电磁特性,从而影响周围的传播环境。

 

 

(2)轨道角动量(OAM)

1992 年,科学家通过实验证实,光子具有轨道角动量 OAM 这一基本性质。

 

OAM 通信研究的核心,是把轨道角动量这一尚未利用的电磁波参数用于通信。OAM 是电磁波在传播方向上在垂直平面上表示相位旋转的特性,相位旋转的次数称为 OAM 模式。不同的 OAM 模式相互正交,在同一频点上可传输多路正交信号,从而提升频谱效率和信道容量,这就是 OAM 复用技术:

 

 

2018 年 5 月,日本 NTT 已经利用轨道角动量(OAM)多路复用在全球首次成功演示了 100Gbps 无线传输,实验室设计了 OAM-MIMO 复用传输。结果表明,系统能够显著提升传输容量。

 

 

这项技术看起来还是相当有前途的,但是实验室只进行了十米的传输实验,实际的实施和操作肯定还有很多的问题需要解决。

 

全双工技术

5G NR 引入了动态 TDD 技术,提高双工灵活性,从而可以根据流量来动态调整下行链路和上行链路之间的时隙比率。

 

全双工技术可能会在 6G 得到应用,从而解除传统双工机制对收发信机频谱资源利用的限制,有助于进一步提高频谱效率(理论上同时同频全双工可提升一倍的频谱效率)和系统的灵活性。

 

 

上下行链路同时同频传输信号,会存在严重的自干扰和交叉干扰问题,需要在设备和网络部署时采取一定的干扰抑制和消除手段。

 

频谱共享技术

本着开源与节流并重的思想,如何更加充分地利用现有的频谱资源就显得格外重要(特别是在低频段)。

 

于是,动态频谱共享(DSS)技术闪亮登场。

 

它可以让不同制式的网络共享使用相同的频谱资源,相当于频谱和制式解耦合。比如,目前动态频谱共享技术已经可以在 4G 和 5G 之间动态分配频谱。

 

 

6G 时代,动态频谱共享技术显然还要在原有基础上继续发展,也许会被称为“智能”频谱共享技术。

 

网络拓扑结构的演进

网络拓扑演进方面的一个显著趋势,就是使用非地面网络 NTN,例如卫星和 HAPS,即使在没有地面网络的地方也能提供覆盖。

 

NTN 技术的实现,需要考虑地面网络所没有的新方面,包括对移动小区的支持、数百公里大的小区、较大的传播延迟、NTN 的高速移动导致的较大多普勒频移和较大路径损耗等。

 

 

目前尚处于开发支持 NTN 的技术初始阶段,3GPP R17 将会完成对 NTN 网络的第一阶段支持,让我们拭目以待吧。

 

PS:现阶段想要多了解一些 NTN 的内容,建议参考 3GPP TR38.811。

 

AI 技术

3GPP 5G 标准已经在核心网中引入了 NWDAF 网络功能,对网络进行数据收集和分析。相信该功能在后续版本中持续演进,之后 3GPP 也会对无线侧进行相关的技术研究。到了 6G 时代,AI 技术的应用将会无处不在。

 

 

举例来说,本地 AI 技术给信道编码研究提供了一种全新的解决方案,使其不再依赖传统的编码理论进行设计,通过学习、训练、搜索就可以找到适合当前传输环境的最佳的调制编码方式。联合 AI 的一个例子是基于预测的切换优化,而端到端的 AI 可以识别或者说预测网络运行中的异常并提出纠正方案。

 

后话:现在谈 6G,是不是太早了?

5G 商业化尚处于起步阶段,现在开始准备 6G 正是时候。因为从开始研究到新一代通信技术商业化,通常需要 10 年左右的时间。

 

早在 2019 年 3 月,芬兰就举办了全球第一届 6G 峰会,来自各国的通信专家们商议拟定了全球首份 6G 白皮书:6G 泛在无线智能的关键驱动与研究挑战。

 

在过去的一年,世界各国纷纷制定了本国 6G 的发展规划,并付诸实施。

 

世界各国的 6G 研究进展

 

此前有报道称,韩国 5G 网络实际传输速率仅为 4G 的三倍多,远远低于 20 倍的标准。由此可以看出,全球范围内的首要任务,还是先把 5G 的潜力充分激发出来,让企业和个人充分感受到 5G 所带来的真实价值。否则,空谈 6G 是没有任何意义的。

 

如果用一句话总结,那就是——

 

既要仰望星空(6G),也要脚踏实地(5G)。