再谈6G

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）。