站在 5G 時代，展望 6G 的曙光。

作者丨Keith Kirkpatrick

編譯丨OGAI

編輯丨陳彩嫻

我們正處在 5G 技術(shù)方興未艾的時代。然而，從無線運(yùn)營商、芯片制造商到元技術(shù)供應(yīng)商的頂級技術(shù)公司都在朝著無線通信的下一個里程碑——6G 進(jìn)軍。

人們希望網(wǎng)絡(luò)支持更復(fù)雜的、數(shù)據(jù)密集型的應(yīng)用程序，連接更多的設(shè)備和數(shù)據(jù)源，并享受持久的、無延遲的數(shù)據(jù)連接，這推動了對更快、容量更大的網(wǎng)絡(luò)的需求。

在 6G 技術(shù)被完全開發(fā)后，可以支持每秒 1 TB 的數(shù)據(jù)傳輸速率（理論上比 5G 提供的每秒 10GB 的最高速度快 100 倍），網(wǎng)絡(luò)容量是 5G 網(wǎng)絡(luò)的 50 到 100 倍，有望形成一個更大的設(shè)備互聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)，使消費(fèi)者、公司和基于基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備在同一網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，而不會對性能造成影響。此外，5G 網(wǎng)絡(luò)的延遲率通常為 4 毫秒，6G 可以將延遲幾乎降低到零，每個接入點(diǎn)可能能夠同時支持多個客戶端。

6G 的愿景及其技術(shù)基礎(chǔ)仍在形成之中。大量的科技公司、政府和產(chǎn)業(yè)集群都在致力于實(shí)現(xiàn)持久、可靠和快速的通信基礎(chǔ)設(shè)施，為移動應(yīng)用程序智慧城市、V2x 通信、虛擬顯式和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，甚至個人生物數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供支撐。

英國自動化測試和保障解決方案提供商 Spirent 的市場策略主管 Stephen Douglas 表示：「我認(rèn)為，6G 的關(guān)鍵之處在于，它將形成網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，是互補(bǔ)技術(shù)的混合體，相當(dāng)令人耳目一新。除了在地球上構(gòu)建一個宏觀的網(wǎng)絡(luò)，可能還會產(chǎn)生人體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，人類也是其中的一部分」。6G 很可能將無線網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星、無人機(jī)、海上網(wǎng)絡(luò)和光纖連接網(wǎng)絡(luò)相互連接，從而形成一個完全連接的生態(tài)系統(tǒng)。

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大量的市場活動尚無標(biāo)準(zhǔn)

目前還沒有機(jī)構(gòu)制定或發(fā)布 6G 的標(biāo)準(zhǔn)，管理該技術(shù)的功耗和無線信號傳輸方面仍有大量的工作需要完成。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）已經(jīng)為早期研究、開發(fā)和測試分配了 95 GHz 和 3THz 的頻段。2020 年 10 月，總部位于華盛頓特區(qū)的電信行業(yè)解決方案聯(lián)盟（ATIS）成立了負(fù)責(zé)制定移動技術(shù)的技術(shù)和操作標(biāo)準(zhǔn)的 Next G 聯(lián)盟。該聯(lián)盟包括美國四家主要的電信公司（AT&T、T-Mobile、U.S. Cellular 和 Verizon），以及愛立信、Facebook、英特爾、LG、微軟和高通等公司，ATIS 的成立是為了推進(jìn)美國在 6G 中的領(lǐng)導(dǎo)地位，重點(diǎn)關(guān)注在 6G 部署的整個生命周期（從研發(fā)、制造到標(biāo)準(zhǔn)化和市場準(zhǔn)備）中，使該技術(shù)的市場參與者保持一致。

「它將成為網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，互補(bǔ)技術(shù)的混合體」

當(dāng)然，其他國家和公司也在努力開發(fā)可用于 6G 網(wǎng)絡(luò)研發(fā)的技術(shù)。芬蘭奧盧大學(xué)啟動了「6Genesis」研究項目，旨在在 2030 年開發(fā)出 6G 技術(shù)，并與日本的「超越 5G 促進(jìn)聯(lián)盟」簽署了合作協(xié)議，以協(xié)調(diào)芬蘭 6G 旗艦公司在 6G 技術(shù)方面的研究工作。與此同時，韓國電子和電信研究所正在進(jìn)行 6G 的 THz 頻段的研究，三星宣布計劃向芯片組制造等領(lǐng)域投資超過 2000 億美元，以支持 6G 基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備的研發(fā)。

美國國內(nèi)的從業(yè)者一致認(rèn)為，不僅要考慮以非常高的頻率發(fā)送數(shù)據(jù)的技術(shù)挑戰(zhàn)，還要確定一個或多個 6G 網(wǎng)絡(luò)如何才能最好地服務(wù)于一系列新的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。

ATIS 的技術(shù)和解決方案副總裁 Mike Nawrocki 說：「我們想盡快進(jìn)入 6G 時代，把北美/美國的工業(yè)界、政府和學(xué)術(shù)界凝聚在一起。不僅僅從技術(shù)的角度來考慮問題，還要考慮到應(yīng)用、社會驅(qū)動因素、未來的頻譜需求，以及所有需要很多年才能解決的大的市場問題」。

在美國，人們正致力于確定 6G 如何更好地服務(wù)于一系列新的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。

IEEE 出版的《International Network Generations Roadmap，2022 年版》呼應(yīng)了這一觀點(diǎn)，改文件指出：「網(wǎng)絡(luò)世代的進(jìn)化和部署不僅受到不斷出現(xiàn)、演化和潛在的技術(shù)融合的影響，還受到局部和世界的社會經(jīng)濟(jì)、健康狀況和政治因素的影響」。

由于開發(fā)合適的應(yīng)用程序和用例、設(shè)置 6G 標(biāo)準(zhǔn)和度量指標(biāo)以及建立和測試網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施方面必須完成重要的工作，6G 的商業(yè)化可能需要 8 到 10 年的時間。與功能齊全的 5G 網(wǎng)絡(luò)相比，6G 技術(shù)要實(shí)現(xiàn)更高的速度、可靠性、伸縮性、更大的網(wǎng)絡(luò)容量和更低的延遲，這些技術(shù)障礙是重大的挑戰(zhàn)。

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高頻頻譜傳播的不足之處

確定傳輸更快數(shù)據(jù)速率的技術(shù)方法 是 6G 技術(shù)發(fā)展的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。目前，研究者們正探索多條技術(shù)路徑，很可能會使用支持在其部署區(qū)域內(nèi)提高頻譜效率的信號多路復(fù)用技術(shù)，包括非正交多址接入（NOMA）和大規(guī)模多輸入多輸出（mMIMO）等技術(shù)。

雖然這些方法提供了更大的網(wǎng)絡(luò)容量（就一個區(qū)域內(nèi)可服務(wù)的用戶數(shù)量而言），但它們并不能提高每個設(shè)備或用戶的頻譜效率，這意味著每個被服務(wù)的設(shè)備不會看到更高的數(shù)據(jù)容量。

此外，這些方法可能會引入更大的系統(tǒng)延遲，具有能量利用效率低的特點(diǎn)?；谡活l分復(fù)用（OFDM）的 NOMA 系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)合理的頻譜效率增益。OFDM 已被應(yīng)用于 5G 系統(tǒng)和 Wi-Fi 802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中。

另一種支持更高設(shè)備數(shù)據(jù)吞吐量的方法是將傳統(tǒng)的 OFDM 波形與額外的調(diào)制技術(shù)配對使用，該技術(shù)可以為每個 OFDM 符號傳輸額外的數(shù)據(jù)再創(chuàng)建一個維度。已經(jīng)有一些研究工作討論了空間調(diào)制 OFDM、副載波-索引調(diào)制、帶索引調(diào)制的 OFDM 和帶有副載波數(shù)調(diào)制的 OFDM 等技術(shù)，它們很可能為 6G系統(tǒng)提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量。

除了需要支持更高的數(shù)據(jù)速率，通過空中接口發(fā)送數(shù)據(jù)通常需要比 4G 或 5G 網(wǎng)絡(luò)使用的更高的頻率。目前的 5G 信號的工作頻率在 3.4Ghz 到 3.8Ghz 之間，而未來的 5G 實(shí)現(xiàn)工作頻率將達(dá)到約 5Ghz，無線 6G 網(wǎng)絡(luò)可能會使用 THz 或 sub-THz 范圍內(nèi)的頻率，大約為 95Ghz 到 3Thz。

信號傳播是一項重要的挑戰(zhàn)。無線電信號能夠傳播的距離隨著傳輸頻率的增加而減小?？紤]到高頻 6G 信號的輻射范圍相對較短（10 米）， 6G 網(wǎng)絡(luò)可能需要更密集的基站和中繼器網(wǎng)絡(luò)。

為了在無需安裝成百上千個耗電的天線或信號中繼器的條件下，使用高頻頻譜傳輸無線電波，一個潛在的解決方案是使用可重構(gòu)智能表面，這種表面可以由具有特殊特性的材料制成，可用于重定向 6G 信號，在不需要專用電源的情況下充當(dāng)放大器。石墨烯就是其中一種單層的基于六角形矩陣的材料，可以用于感知和反射特定方向的電磁波，增強(qiáng)和反射無線信號。

LG 電子和歐洲研究實(shí)驗室「Fraunhofer-Gesellschaft」使用自適應(yīng)波束形成和高增益天線開關(guān)技術(shù)，在約 300 英尺的155GHz-175GHz 頻段實(shí)現(xiàn)了 15 分貝毫瓦還有傳輸。中國工業(yè)和信息化部正在投資并監(jiān)督 6G 技術(shù)的研發(fā)。政府支持的紫金山實(shí)驗室于 2022 年 1 月宣布，在受控環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 206.25 千兆/秒的無線傳輸速度。

6G: 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)？

行業(yè)觀察人士表示，6G 不僅僅是空中接口?？紤]到各種各樣的應(yīng)用需要網(wǎng)絡(luò)訪問，以及某些技術(shù)的融合，6G 標(biāo)準(zhǔn)可能會包括多種接口類型，用「網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)」來形容 6G 似乎較為恰當(dāng)。

IDC 無線和移動連接技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)團(tuán)隊研究總監(jiān) Phil Solis 表示：「許多未來的應(yīng)用由于營銷與 5G 或 6G 捆綁在一起。但實(shí)際上，它們可能主要是在 Wi-Fi 環(huán)境下運(yùn)行，因為在 Wi-Fi 6 環(huán)境下，主導(dǎo)技術(shù)從 OFDM 變成了OFDMA」。OFDMA（正交頻分多址接入）是 Wi-Fi 6 中的一項技術(shù)，通過將稱為資源單元（RU）的副載波子集分配給單個客戶端，實(shí)現(xiàn)與多個客戶端并發(fā)的上行和下行通信，支持更大的數(shù)據(jù)傳輸通道和更高的安全性。所以，Wi-Fi 也變得越來越好。

其他專家也指出，未來的應(yīng)用可能是混合的。例如，家中的數(shù)據(jù)可能使用最新的 Wi-Fi，它支持非常高的數(shù)據(jù)速率。根據(jù)IEEE IRDS 主席 Paolo Gargini 的說法，如果數(shù)據(jù)需要發(fā)送到家庭以外的地方，將使用某種類型的光纖連接將信號發(fā)送到手機(jī)發(fā)射塔，因為光纖技術(shù)在人口密集地區(qū)安裝的成本可能比在小區(qū)域內(nèi)建立龐大的天線和中繼器網(wǎng)絡(luò)要低。

Gargini 說：「如果想在 10 年后實(shí)現(xiàn) 6G，有很多基礎(chǔ)設(shè)施還沒有建立起來。事實(shí)是，想要傳輸這種更高的頻率，比如 6G，就必須使用光纖。當(dāng)使用非常高的 sub-THz 和 THz 頻譜傳輸數(shù)據(jù)時，信號傳播存在諸多限制」。

「許多未來的應(yīng)用由于營銷與 5G 或 6G 捆綁在一起。但實(shí)際上，它們可能主要在 Wi-Fi 環(huán)境下運(yùn)行?！?/span>

華為則在 6G 領(lǐng)域提出了完全不同的網(wǎng)絡(luò)融合方法。它宣布，計劃通過發(fā)射幾顆低軌或極低軌地球軌道（LEO/VLEO）衛(wèi)星，整合地面和非地面網(wǎng)絡(luò)，形成一個巨型衛(wèi)星群，擴(kuò)大地面蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋范圍，為超長途傳輸提供新的低延遲解決方案。預(yù)計這兩個網(wǎng)絡(luò)將深度集成為一個系統(tǒng)，其中地面和非地面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以以類似的方式作為基站，使用戶能夠在不同的服務(wù)條件下利用每種類型的優(yōu)勢。

根據(jù) IEEE 衛(wèi)星工作組的說法，在北美和其它地區(qū)，衛(wèi)星 6G 預(yù)計將以前所未有的水平為非地面網(wǎng)絡(luò)提供 KPI 和 QoS，該工作組將結(jié)合多種技術(shù)、度量指標(biāo)和方法的用例。IEEE 出版的《International Network Generations Roadmap，2022 年版》中有一章描述了使用衛(wèi)星技術(shù)支持 5G 和 6G 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)障礙和解決方案，并包含了豐富的用例描述，其中結(jié)合了衛(wèi)星直接接入和衛(wèi)星回傳、衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的毫米波、網(wǎng)絡(luò)管理、QoS/QoE、安全，以及 3GPP、ETSI、ITU 和 IEEE 最近的標(biāo)準(zhǔn)化活動。

日本電信公司 NTT 提供了另一套在 6G 網(wǎng)絡(luò)中提高數(shù)據(jù)傳輸速度和降低能耗的方法，包括開發(fā)和測試一種使用端到端光通信基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)——IOWN。該網(wǎng)絡(luò)使用光子或光束來傳輸數(shù)據(jù)，無需將信號轉(zhuǎn)換為電信號。由于不需要這種信號轉(zhuǎn)換，NTT 的目標(biāo)是與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，在功耗、端到端延遲和傳輸能力水平上提高 100倍。

然而，值得注意的是，由于大量的技術(shù)和資金方面的問題，6G 的愿景，以及任何潛在的標(biāo)準(zhǔn)方法，都可能在其商業(yè)推出之前發(fā)生變化。從技術(shù)的角度來看，只要各種網(wǎng)絡(luò)之間的接口是標(biāo)準(zhǔn)化的，允許數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)之間流動，實(shí)際的 6G 架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)在未來可能并不那么重要。

Spirent 的 Douglas 說：「我認(rèn)為 6G 是將 Wi-Fi 和蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合在一起的絕佳機(jī)會。我們能不能有一種通用的、可以連接到任何類型的后端網(wǎng)絡(luò)的無線連接?只要它們之間的互操作性是標(biāo)準(zhǔn)化的，6G 網(wǎng)絡(luò)的底層可能完全不同」。

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