一、6G概念

6G（第六代無線技術）是5G蜂窩技術的后繼者。6G網絡將能夠使用比5G網絡更高的頻率，并提供更高的容量和更低的延遲。6G網絡的目標之一是支持1微秒甚至亞微秒的延遲通信。

預計6G通信將支持五個應用場景：增強型移動寬帶Plus（eMBB-Plus），大通信（BigCom），安全的超可靠低延遲通信（SURLLC），三維集成通信（3D-InteCom）和非常規的數據通信（UCDC）。

5G于2019年開始部署，預計至少到2030年它將成為主要的移動通信技術。最初的6G部署可能會開始出現在2030年至2035年的時間范圍內。

6G網絡將致力于打造一個集地面通信、衛星通信、海洋通信于一體的全連接通信世界，沙漠、無人區、海洋等如今移動通信的“盲區”有望實現信號覆蓋

6G將會被應用于空間通信、智能交互、觸覺互聯網、情感和觸覺交流、多感官混合現實、機器間協同、全自動交通等領域

二、6G發展

自從日本電報電話公共公司(NTT)在1979年12月發起了世界上第一個蜂窩移動通信服務以來，移動通信技術每十年就發展到新一代系統。

從第一代(1G)到第二代(2G)，語音通話是主要的通信方式，簡單的電子郵件成為可能。從第三代(3G)開始，數據通信(如i-mode)和多媒體信息(如照片、音樂和視頻)可以通過移動設備進行通信。從第四代(4G)開始，由于采用了長期演進(Long Term Evolution, LTE)技術，超過100Mbps的高速通信技術使智能手機得到了爆炸性的普及，目前已達到接近最高1 Gbps的通信速度。

第五代(5G)網絡的數據傳輸速率遠遠高于以前的蜂窩網絡，最高可達10Gbit/s，網絡延遲低于1毫秒。第六代(6G)有望支持1TB/s的速度。這種級別的容量和延遲將是空前的，它將擴展5G應用的性能，并擴展功能范圍，以支持無線認知，感測和成像領域中越來越多的創新應用。

移動通信系統技術上每10年發展一次，而移動通信業務的變化周期約為20年。因此，由5G引發的“第三次浪潮”有望通過5G演進和第六代(6G)技術成為更大的浪潮，并將在21世紀30年代支撐產業和社會。

過去幾代移動通信技術發展到6G。在前幾代中，每一代都有一種代表性的技術。然而，自4G以來，基于正交頻分復用(OFDM)的無線電接入技術(RAT)已經包含了多種新技術的組合，而在6G中，技術領域被認為變得更加多樣化。這是因為基于OFDM的技術已經實現了接近Shannon極限的通信質量，同時，需求和使用場景將在前一代中進一步擴展。

后5G時代的通信系統研究必須考慮電路和設備制造能力，6G中需要特別關注的是設備的電池壽命，而不是數據速率和延遲。此外，可以預見的是，將來的無線通信將提供與有線通信相同水平的可靠性。基于區塊鏈技術的網絡去中心化被認為是簡化網絡管理并在6G中提供令人滿意的性能的關鍵。

在與6G有關的所有技術工作中，太赫茲通信、人工智能（AI）和可重新配置的智能表面是最引人注目的想法，它們被視為無線通信中的革命性技術。AI增強的6G被認為能夠提供一系列的新特性，例如，自聚合、上下文感知、自配置等。此外，具有AI功能的6G將釋放無線電信號的全部潛力，并實現從認知無線電到智能無線電的轉變。從 算法的角度

機器學習對于實現基于AI的6G尤其重要

基于人工智能的智能6G網絡體系結構

三、6G關鍵技術

高安全性，保密性和私密性

受香農限制的限制，很難大規模提高6G的頻譜效率。相反，新技術應大大增強6G通信的安全性、保密性和隱私性。盡管其他應用場景將變得無處不在并且越來越重要，但傳統的移動通信仍將是2030年代6G最重要的應用。因此，6G網絡應以人為中心，而不是以機器、應用程序或數據為中心。按照這一原理，高安全性、保密性和私密性應該是6G的關鍵特征。此外，用戶體驗將被用作6G通信網絡中的關鍵指標。

在5G網絡中，仍在使用基于RSA公鑰密碼系統的傳統加密算法來提供傳輸安全性和保密性。在大數據和AI技術的壓力下，RSA密碼系統已經變得不安全。改善通信中的網絡吞吐量、可靠性、延遲和服務用戶數量的最有效的方法是致密化網絡并使用更高的頻率來傳輸信號。物理層安全技術和通過可視光通信(VLC)的量子密鑰分發將是解決6G數據安全挑戰的解決方案。更先進的量子計算和量子通訊技術也可能被部署來提供對各種網絡攻擊的嚴密保護。

高承受力和完全定制

從以人為本的角度來看，技術成功不應直接或間接增加財務負擔或剝奪用戶的選擇權。因此，高承受能力和完全定制化應該是6G通信的兩個重要技術指標。完全定制允許用戶選擇服務模式并調整個人偏好。例如，某些用戶可能希望獲得低速但可靠的數據服務；其他人可能會容忍不可靠的數據服務，以換取較低的通信費用；其他人可能仍然只關心其設備的能耗；由于擔心數據安全性和隱私性，有些人甚至可能希望擺脫智能功能。將授予所有用戶選擇6G中他們喜歡的內容的權利，并且不應因智能技術或不必要的系統配置而減少這些權利。因此，6G通信系統的性能分析也應將多個性能指標整合為一個整體，而不是獨立對待它們。用戶體驗將被明確定義并作為6G時代性能評估的關鍵指標。

能耗低，電池壽命長

4G/LTE網絡中智能手機和平板電腦的每日充電需求將繼續。為了克服大多數通信設備的日常充電限制并促進通信服務，低能耗和長電池壽命是6G通信的兩個研究重點。為了降低能耗，可以將用戶設備的計算任務卸載到具有可靠電源或普及的智能無線電空間的智能基站。協作中繼通信和網絡的致密化也將有助于減少移動設備的發射功率通過降低每跳信號傳播距離。為了獲得較長的電池壽命，將在6G中應用各種能量收集方法，不僅可以從周圍的射頻信號中收集能量，而且還可以從微振動和太陽光中收集能量。遠程無線充電也將是延長電池壽命的一種有前途的方法

高智能

6G的高智能將有利于網絡運營、無線傳播環境和通信服務，分別指運營智能、環境智能和服務智能。常規的網絡操作涉及許多受一系列復雜約束的多目標性能優化問題。需要以適當的方式布置包括通信設備、頻帶、傳輸功率等在內的資源，以實現令人滿意的網絡操作水平。此外，這些多目標性能優化問題通常很難解決，并且難以實時獲得最優解決方案。隨著機器學習技術（尤其是深度學習）的發展，配備有圖形處理單元的基站或核心網絡的控制中心可以執行相關的學習算法，以高效地分配資源，以達到接近最佳的性能。

與5G相比，帶寬極高

定義在0.1THz到10THz之間的太赫茲波段被稱為微波和光學光譜之間的間隙帶，但是太赫茲電子、光子和混合電子-光子方法現在已經發展了。因此，混合太赫茲/自由空間光學系統預計將使用混合電子-光子收發器在6G中實現，其中光學激光可用于產生太赫茲信號或發送光學信號。未來的無線數據網絡將必須達到更高的傳輸速率和更短的延遲，同時還要提供越來越多的終端設備。為此，將需要由許多小型無線電小區組成的網絡結構。為了連接這些電池，將需要高達太赫茲范圍的高頻高性能傳輸線。此外，如果可能的話，必須確保與光網絡的無縫連接。

未來的無線通信網絡必須處理每條鏈路上幾十甚至幾百個Gbit/s的數據速率，這就需要在未分配的太赫茲(THz)頻譜上使用載波頻率。在這種情況下，無縫集成THz鏈路到現有的光纖基礎設施是非常重要的，以補充固有的可移植性和靈活性優勢的無線網絡的可靠和幾乎無限的能力，光傳輸系統。在技術層面上，這需要新的設備和信號處理概念來直接轉換數據流。

四、太赫茲到光纖的 轉換

6G一項關鍵技術——太赫茲到光纖的轉換

太赫茲波是指頻譜在0.1～10THz之間的電磁波，波長為30至3000微米。頻譜介于微波與遠紅外光之間，在其低波段與毫米波相鄰，而在其高波段與紅外光相鄰，位于宏觀電子學與微觀光子學的過渡區域。太赫茲作為一個介于微波與光波之間的全新頻段尚未被完全開發，太赫茲通信具有頻譜資源豐富、傳輸速率高等優勢，是未來移動通信中極具優勢的寬帶無線接入（Tb/s級通信）技術。正是因為其特殊性，讓其具有頻率高、脈沖短、穿透性強，且能量很小，對物質與人體的破壞較小等特質。太赫茲波以其獨有的特性，使太赫茲通信比微波和無線光通信擁有許多優勢，決定了太赫茲波在高速短距離寬帶無線通信、寬帶無線安全接入、空間通信等方面均有廣闊的應用前景，但同時面臨著多方面的挑戰。

到目前為止，技術發展的一個漏洞一直存在于太赫茲頻譜和硬光傳輸線之間的接口上。如何將太赫茲（THz）（基本上是微波和紅外線之間的空中頻譜）連接到長距離數據發送所需的傳輸線上？一方面，地球的曲率會限制視線，因此距離必須硬接線。短距離也可能受到環境障礙的阻礙：隨著波長的變短，光譜越高，被物體（甚至是雨或霧）的阻擋就越明顯。為了使6G無線成為現實，它必須克服一些技術障礙，例如將太赫茲頻譜連接到硬光傳輸線。

下圖顯示了THz無線鏈路通過直接光到THz (O/T)和THz到光(O/T)轉換無縫集成到光纖基礎設施中。

無縫集成到光網絡的無線鏈路，通過在THz Rx上的直接T/O轉換補充了在THz Tx上的直接O/ T轉換。該無線鏈路以0.2885 THz的載波頻率運行，最大線路速率為50 Gbit/s，橋接距離為16米。THz信號是由UTC光電二極管中的O/T轉換產生的。在接收端，利用超寬帶POH調制器將太赫茲信號轉換為光域。該概念依賴于通過廣泛部署的光纖網絡基礎設施，將分布式THz收發器(TRx)前端連接到強大的中央數字信號處理(DSP)站點，這些網絡基礎設施利用光載波來有效地遠距離傳輸數據信號。該結構依賴于TRx前端的直接O/T和T/O轉換，這是實現光纖與THz天線有效接口的關鍵。模擬光信號和THz波形之間的直接轉換大大降低了天線位置的復雜性，提高了對大量地理分布的高性能THz鏈路或蜂窩網絡的可伸縮性。類似地，將計算昂貴的基帶(BB)信號的數字處理轉移到大型數據中心等集中地的概念提供了前所未有的網絡可伸縮性、關鍵資源的靈活和高效共享以及改進的網絡彈性。短距離THz鏈路與長程光纖網絡的無縫結合，可能是克服無線通信基礎設施容量瓶頸的關鍵一步。

圖1a所示的結構依賴于THz發射機(Tx)和接收機(Rx)前端，允許光和THz信號之間的直接轉換。在DSP站點產生數據信號的模擬基帶波形后，通過光學發射機(Opt. Tx)將其調制到頻率為f0的光載體上，然后通過光纖網絡發送到THz Tx。在THz Tx，然后用連續波(CW)本振(LO) 通過UTC光電二極管在fTx,LO頻率上進行掩模，將光信號轉換為THz波形，見圖1b。然后，以差頻為中心的THz數據信號通過天線傳輸到自由空間。

基本連接如圖1b和c所示。圖1c所示的方案主要依靠超寬帶電光調制器，提供延伸到THz頻譜的調制帶寬。圖1c，在T/O轉換器上，THz數據信號由另一天線接收并饋送至THz放大器。為了轉換成光載波，放大后的信號被耦合到POH馬赫-曾德爾調制器(MZM)，該調制器由頻率為fRx,LO的光載體提供。該MZM產生一個上和一個下調制邊帶使用光帶通濾波器(BPF)抑制載波并選擇其中一個邊帶，如圖1c所示。該方案允許在大范圍的THz頻率范圍內進行操作，并且在將數據編碼到光學載波之前不需要進行任何下變頻轉換到中頻，從而大大降低了THz前端的復雜性。經過T/O轉換后，模擬信號通過光纖網絡返回到集中的DSP站點上的光接收器(Opt. Rx)。

圖1d用偽色掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了制備的POH MZM。光通過片上光柵耦合器(未顯示)耦合到硅光子(SiP)芯片上，并以準橫向電(準-TE)模式在硅條形波導(藍色)中傳播。多模干涉(MMI)耦合器將光從輸入波導中分離出來，并將其發射到一個不平衡的MZM的兩個臂中。在MZM的另一端有一個MMI耦合器，它將調制后的信號組合成一個輸出波導，并與另一個光柵耦合器相連。MZM的每條臂都包含一個POH相位調制器部分，在金電極(黃色)之間有一個窄的金屬槽(寬度w=75 nm)，如圖1e所示。在每個臂上使用一對錐形的硅波導將硅帶波導的光子模式轉換為金屬槽波導中的表面等離子激元(SPP)模式，反之亦然，見圖1e插圖。槽內填滿了有機EO材料SEO100。應用于電漿子MZM的地-地(GSG)接點的THz信號會在兩個臂的槽中產生THz電場，從而產生光學相移。從圖1f和圖g可以看出，準-TE光場和THz電場都緊緊地束縛在電漿子縫隙波導中，使得二者具有很強的重疊性和較高的調制效率。MZM被配置成在推拉模式下工作，在每只手臂上的相移大小相等，但符號相反。這是通過適當選擇EO材料的極化方向來實現的，該極化方向與兩個槽波導內的THz場調制有關。

審核編輯：黃飛