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）

（延伸阅读：什么是数字孪生？）

▉ 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）。

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