6G技术发展及展望

1.6G技术背景及意义用户通信需求提升和通信技术革新是移动通信系统演进的源动力。为了满足“动中通”的业务需求，第一代移动通信系统实现了“移动”能力与“通信”能力的结合，成为移动通信系统从无到有的里程碑，并拉开了移动通信系统的演进序幕。伴随着数字技术的成熟，第二代移动通信系统完成了从模拟体制向数字体制的全面过渡，并开始扩展支持的业务维度。在日益丰富的业务需求驱动下，第三代移动通信系统采用了全新的码分多址接入方式，完善了对移动多媒体业务的支持至此，高数据速率和大带宽支持成为移动通信系统演进的重要指标。以多入多出和正交频分多址接入为核心技术的第四代移动通信系统不仅获取了频谱效率和支撑带宽能力的进一步提升，还成为了移动互联网的基础支撑。在4G获得巨大商业成功的同时，第五代移动通信系统(5G)逐渐渗透到垂直行业，把支持的传统增强移动宽带业务(eMBB)场景延拓至海量机器类通信(mMTC)场景和超高可靠低时延通信场景。基于大规模多入多出、毫米波(mmWave, millimeterwave)传输、多连接等技术，5G实现了峰值速率、用户体验数据速率、频谱效率、移动性管理、时延、连接密度、网络能效、区域业务容量性能的全方位提升。纵观上述的演进历程，满足用户的通信需求是每代系统演进的首要目标，而新的通信技术则是每代系统演进的驱动。到目前为止，1G到5G的设计通过技术驱动，用户和网络的基本需求(如用户数据速率、时延、网络谱效、能效等)得到了一定的满足。但是受制于技术驱动能力，1G到5G的设计并未涉及更深层次的通信需求。在未来第六代移动通信系统(6G)中，网络与用户将被看作一个统一整体。用户的智能需求将被进一步挖掘和实现，并以此为基准进行技术规划与演进布局。5G的目标是满足大连接、高带宽和低时延场景下的通信需求。在5G演进后期，陆地、海洋和天空中存在巨大数量的互联自动化设备，数以亿计的传感器将遍布自然环境和生物体内。基于人工智能(AI,artificialintelligence)的各类系统部署于云平台、雾平台等边缘设备，并创造数量庞大的新应用°6G的早期阶段将是5G进行扩展和深入，以AI、边缘计算和物联网为基础，实现智能应用与网络的深度融合，实现虚拟现实、虚拟用户、智能网络等功能。进一步，在人工智能理论、新兴材料和集成天线相关技术的驱动下，6G的长期演进将产生新突破，甚至构建新世界。2.6G技术研究现状随着5G网络成功规模寺用,全球产学研已在2019年正式启动&G潜在服务需求、网络架构与求一使能架术的研究「作「欧盟企业技术T®NetWorld2020在20睫年9时发布『EF-代因特网中的智能网络》白皮书，中此基础I.欧盟将在2020年第三季度制定2021-2027年产学研框架项目卜的6G战略研究与削新议程（C3RIA）与战略开发技术⑸XL并在为21年第-季度暨世界移动通信大会上正式成立欧盟6G伙伴含作顼目，在2021年4月开始执彳.第•批配智能网络服务产学研框票顼"？芬七政府在2018年5月率先成立了芬兰奥鲁大学牵头管理的6G旗舰此目，项目成员以芬兰企业、高校与研月所为主，该项目计划在泗2026年投入2.51欧元川「6G研发。芬兰奥鲁大学毒年3月牵头组投召开了两届6G无线峰会.「幻家与弟商均发表了配技术峰会演讲,井在会上与会F技术讨论基础上于2019年9月发布了《而向6G泛在无线智能的驱动七L要研咒挑崖》I。皮书-?女邛|/LJ心"1一1XPJ»目fiif6G无线峰会正在起草12个技术专题IT；」EG技术IT皮原最快在202。■I'卜半牛发布若F技术白出化包括6G驱动与联合国町持续发展门标、垂IL堂务直证与试验,无线诵信机服学习、既G联网、宽带连接、射频CRF）技术■」频谱、偏凯地X连接、EG商务、EG边缘计算、仁任安全亳隐私、EG关键与大规模机搽通信、定与与传感.『美国联押通信委员会（CFCC）在卷理年启动了95fflz-}-3THz频率范闱的太吐兹频谱新服务研究工伯从2019年6月开始发放为期L0年、可销售网络服备的试验频谱许W一其频谱研究主要问题包括：1）95-1-275GHz频段政府与非政府共享使用;2）275GHz-3THz不干扰现有频谱使用;3）非许可频谱合计21.2GHz带宽,包括115-123GHz,174.8-1.92GHz,185190GHz.244-246CHs『美国电信行业解决方案联盟（ATIS）^2020年5月19日发布了昭行珈昌了书，建议政府在6G核心技术突破上投入额外研发资金.鼓励政府1J企业枳极参与制宜国家频谱政策工山如•关11础盘子的大来5G」」6G核心技术包括5G集成」一」开放网络（工ONE,支持人工智能（AD的高锻网络和服家先进的无线与无线吧系统（例如95GHz以hTHz频段）、多接入网络服务（包括地非地网络、自我感应以支持超高清定位等应用）、智能医疗保健网络服务（包括远程诊断与手术,利用多感测应用、触完联网和超打分辨率3D影像等新，J能）和农业4.。服务（支持统…施用水、肥料和农药）.9:I本政府将在2020年夏季发布6G无线通伯网络研究战略匚韩国政府电子与电倍研究所（ETR］在2019年8月与芬龙奥鲁大学鉴订了6G网络.作研究协议疽星「12019年开始■点研究如，人’智能七机器人技术;LG/l:2019年1月与韩同科学技术研究所（RAIS'D合作建以「6G研充中心;SKT与厂家联合研-6G美槌性能指标与商务需求a?中国I：业和倍息化部己将原有的.1：MT-20珈推进组扩展到工MT-2030推进组.开展6G需求、愿景、关键技术与全球折标准的可行性研究I作中国科学技术部牵头-2019年11月启动了由3"家产学研机构参与的6G技术研发推进组「开展EG需求、结构顼空能技术的产学卅合作项目.?中国移动在2019年11月发布r（6G愿景为需求》、白中国,fDoCoMo在2020年1"筮布r炯SG与6G无线技术需求》”皮国际电，标准化部门在部分产学研机构驱动下在2M&年成立'6G需求与网■结构的研究顼tlH|lTMT-2030^点组，该研究项目先后发布了《必技术蓝图、应用与市场驱动》《WG新服务与网络技服务能力》与《代表性用例和关键网络需求》等白皮书或技术研咒报告。w3.6G需解决的问题6G能够实现用户定义视频（如抖音）上行流虽的便捷消费,机器视觉计算（如人脸识别）的广泛应皿扩展现实（XB）、光场的点去等光波全息传珑的潜在消费,零距离虚拟现场交互一（如异地“真人廿您.唱或乐瓯七：•演奏，）的出现,灵巧可靠的数字人/机宕机器人终端集群（如自动驾驶汽乍）服务,以及联合国2030年可持续发展目标逐步实施，都预示K人性一化、全总交互、群体协作的业务发展超势°4G与SG、物联网、云边计算、人工智能（AI）与机器学习（ML）f3-s}^大数据、区以链、，早一火箭.无人机、匚穿戴技术、机器人技术、可桩入技札超硅汁算u通信技术:*快速发展与应用，为业务创新莫定r坚实的技术基仁“••，.；",，技术的戏重创新驱动.决定W应用将在未来10年快速成长*并创皓出勒的生活方式、数字经济和社会方式,例如跨阶层的数字字活、网式经济、数字贵族等.为顺应人性化、全息交，1群体协作的业备毙展趋势.6G时代W能诞生的全新服务将服一步扩展到感知厄联网"U服务&联网与行业服务互联网,呈现出万笼殿哙世界的踞愿壬-9神1互联网神1互联网区决链4G',5G无近I0Hf'IA.W.部牝，b为，如；'，情何j&盎冲应中金，！H哦所搓S-•史+区决链4G',5G无近I0茂在em至忘一一四〜雄

6G

万套智踪用向定安禅网内若AFWR/XR/费堀点J、，衬I场财会与哉字人/抓牛州曲人图16G运用场景6G虽然美好，但是其发展仍旧存在问题。随着低端频段耗尽，下一代系统只能向高频发展。由于5G已经采用了毫米波频段，目前许多科研人员看好太赫兹频段在6G的使用。有些专家甚至称其将是6G的标志性频段。在5G的部署过程中，大家已经感觉到了毫米波在覆盖上的短板。iw频技术怎么解决覆盖问题是移动通信必须解决的难题。在5G设计初期，一些设计者已经提出了UDN的理念。既然频率越高，覆盖越小是绕不过去的物理特性，不如就顺应此特性，通过小基站群来解决覆盖，并同时可享受增加系统容量的优点。从目前部署计划来看，UDN的系统架构并没有被全球运营商大规模采纳。显然其主要原因是部署成木。根据Hata传播模型，在覆盖同样区域的条件下，UDN所需要的基站数呈指数增加。从目前趋势来看，无论是基站制造成木，还是系统部署成木，包括物业的价格趋势，运营商在6G时代可能还是大概率无法承受UDN所需要的基站数的增加成木。从现有技术来看，天线技术可能仍然是下一代覆盖增强的主攻方向之一。通过更高的芯片集成度及天线技术，发射功率需要更聚集发射方向，而接收功率能随接收天线数线性增加。此外，在时域方面，更好地自适应地增加时间的积累也是增强覆盖不可或缺的方向之一。除了以上基木方向，6G系统也可能延续5G采用的多频技术，系统性地通过高低频的智能组合来完成覆盖需求。在5G时代，标准已经同时定义了高低频段，即FR1和FR2频段。但高低频的混频通信的设计，还刚起步，有较大完善的空间。在6G时代，多频技术必将有更好的发展。也期待6G的科研能在高频覆盖上有新的突破。至于太赫兹频段的潜力，其是否会被6G采纳至少需要满足两个条件。其一，其高频技术能否在10年内解决昂贵的器件成木问题，使之有商业的可能。其二，能否找到适合其部署的商业动力。对于5G来说，毫米波采纳的主要动力是Verizon的无线固定电视的应用。如果找不到确切的太赫兹的应用场景，在这短短6G标准制定的十年内，6G更可能继续完善其毫米波频段的应用。太赫图1不同算法的窗吞吐量（例子）兹的应用大概率将在6G之后。众所周知，全双工在5G设计初期非常火热，但终究由于技术成熟度不够及实际的增益有限，而没能成功。在6G时期是否有希望，还需拭目以待。FDD要求成对的带宽，因此在高频比TDD需要的单独带宽更难获得，因此，6G标准可能还会同时定义FDD与TDD两种模式，以适应各国不同频谱条件的部署。从5G开始，系统频段也开始在低高频同时定义。低频一般被作为锚点频段，用于移动通信，而高频作为随从频段，被附属于锚点频段或用于特殊场景，如无线固定电视业务场景。当我们系统地观察锚点频率的演进，我们看到，2G-GSM的频宽是2x200kHz,3G-UMTS是2x5MHz,4G-LTE是2x20MHz，而5G是100MHz，如图1所不。很明显，每代增加的幅度都非常一致。这是因为频宽的增加并不是随意的，而与新一代系统的10倍速率目标，系统覆盖要求及芯片技术的发展有密切的关联。图2移动通信系统1G到6G的频宽演进从图2可以看到，根据历代带宽的增加趋势，6G的锚点频段的频宽有可能从目前的100MHz增加到300MHz。如果6G能在高频获得很大的频宽，最可能的设计思路是将其按300兆的带宽分成几份，由CA载波聚合或其他聚合技术来解决，以方便系统灵活度，模块化，并减少系统对芯片密度的压力。目前的非锚点FR2频段在5G的最大频宽已经定义成400兆。但由于灵活性等方方面面的考虑，即使是FR2，其基木处理频段还是多为100兆。从图3可以看到，功率效率存在着明显的瓶颈（见功率效率区间）。无论将来有怎么样的技术突破，图3告诉我们，每比特所需的最小功率，由以上香农曲线限图3单位带宽里的速率与功率效率之间的关系定，不可能再小了随着比特率的增加，所需的最小接收功率成正比增长。这种情形，有点像我们的公路系统。频宽的增加相当于车道的增加。而运载量的增加需要在增加车道的同时，增加实际在车道里跑的车辆。这种功率线性增加的要求无疑对6G及米来无线通信的发展，产生了较大的困难。在手机端，由于电池技术的突破发展缓慢，手机发射功率一直受限，无限制的成倍增长无法实现。在基站端，虽然发射功率不受电池限制，但发射功率的成倍增加带来的电费的运营成木的矛盾，在5G时代已经非常突出了。再继续成倍增加，显然不是明智的选项。根据已知的分析，信道编码与信号调制领域的突破空间可能已经不大。对于6G的功率效率的提高，可能还将落在天线的技术领域。目前，无论接收机在哪里，手机的发射功率被均匀地分散在360度的方向，而基站的发射功率也被分散在较宽的角度里。很显然，通过波束赋形，将发射功率继续聚集在接收方向是下一代通信科研的必经之路。除了聚焦发射功率，在接收机方面也需加大接收功率的能力及处理力度。结合天线接收技术，我们需要更好的处理算法。此外，多跳技术和接力技术在过去几代至5G都没有成功。是否有更好的突破使得其能在6G崭露头角，我们拭目以待。4.对6G技术的展望勺5G网络主要面向人和物联网之间通信不146G时代的移动通信网络将会侧中"质智能体之间的通桔.网络传输性能已不再.网络所知主的唯-1)标，网络旧域协M计算的支撑大数舟:、人「智能芯片弃力粕新意境，情境等屯标也有待刊宓研?L6G将以人类百一持续发展的个性化借求为中亡，"IL日人们所关注的各椅需要,一到那时,网络.E体将演化为林人-网-物-境”4个维度,并以”把人丕*联，元处丕皿联、无时丕比联、尸事丕应联"勺网络新.心态深涕融入到人们的牛.产牛沾环境中“网络不断地向空天地海疗在.空间、人类感知空间和数据虚拟个勺］渗透,，为用■提供更智能、更安全、史厂便的网络基础设施。随着A「智能淫论:和技术的不断刘新变革.两者相E协作赋能，&G网络将成为智能移动通信乏①为实现本文所描绘的美好愿景,需要对配关键性基础技术进行持续不断地研咒这正是我们匚域I：作的虱R如今5G己经|和皿6G寓我们也并—.任刘人为的阻碍和♦制都不咱停止人类科技前进的润戈，我们蔓遵循网络与通信发展规律.以开阔的心胸利崭新的视野|F里过去、立足当F、迎接未来.