再談6G
2020年行將結束,隨著5G網絡的建設推進,以及3GPP R16版本的凍結,越來越多的人將關注焦點轉移到6G身上。
7月14日,韓國三星電子發布了白皮書《下一代超連接體驗》。在白皮書中,三星預估6G標準完成及投入商業化的最早時間點是2028年,而大規模商業化可能發生在2030年左右。
這個預測時間點,和3月17日全球第二屆6G Wireless Summit會議上中興通訊給出的預測時間點非常接近:
從社會和技術的大趨勢來看,6G將具有以下顯著的特點:
? 人和機器都將是6G的用戶(并且機器反而會是6G的首要用戶)。
? AI將會滲透到各行各業,比如金融,健康,工業制造等領域,6G將會通過AI來進一步提升性能并且降低CAPEX和OPEX。
? 6G將會使通信技術變得更加開放(比如近年成立的O-RAN聯盟等)。
? 6G將會在諸多社會問題方面發揮關鍵作用。例如應對氣候變化(與數字技術結合減少溫室氣體排放量)和解決教育不平等(遠程教育)等問題,5G已經為此提供了一些幫助。6G提供的超連接,將會進一步協助完成聯合國提出的2030可持續發展目標。
站在服務的角度,6G又會帶來什么呢?
6G將進一步增強5G定義的eMBB、URLLC、mMTC等特性,并且融合更加先進的傳感、成像、顯示和AI等技術,提供超連接體驗。
6G必須滿足的要求
想要實現超連接體驗,6G必須滿足來自三個維度的要求,分別是性能、架構和可信度。
6G性能需求
相比5G,6G會有怎樣的性能提升?如下所示:
? 峰值數據速率1Tbps(1000Gbps),是5G的50倍
? 空口延遲小于100微秒(μs),是5G的十分之一
? 可靠性達到10-7,是5G的一百倍
? 設備連接密度達到107/Km2,是5G的十倍
? 頻譜效率達到5G的兩倍
繪制成蜘蛛網模型,大致如下:
6G體系結構需求
解決移動設備計算能力有限所帶來的問題,實現通信和計算的真正融合,以便最終用戶的各種設備能夠無縫地利用網絡中可用的計算能力,比如從技術開發的初期就引入AI(或者稱為原生AI)。
新的網絡功能的靈活集成,包括和非地面網絡的集成,比如飛機、近地軌道和地球靜止軌道衛星、高空平臺等。
6G可信度需求
解決用戶數據和AI技術的廣泛使用而帶來的安全和隱私問題。
▉ 6G的重點技術發展方向
6G的一些典型候選技術如下:
太赫茲頻段(THz)
5G NR已經開始討論在52.6GHz以上的頻段工作,遵循這一趨勢,6G時代移動通信恐怕將不可避免地使用太赫茲THz頻段。
但是實際使用THz頻段,有一些必須克服的技術挑戰,例如:
(1)本身的傳播特性(嚴重的路徑損耗和大氣吸收):需要針對室內和室外的場景建立適合THz的多徑信道模型。
(2)芯片和射頻器件:過去十年,研究者們致力于開發芯片級的太赫茲技術,現在基于InP、GaAs、SiGe、甚至CMOS技術已經在較低的THz頻段產生了一些突破。但是在更高的THz頻段,還需要進一步突破,以滿足高效率、低能耗和低成本需求。
(3)天線和波束賦形:太赫茲意味著路徑損耗的急劇增加。因此,需要超大規模的天線陣列來補償路徑損耗。另一方面,這會導致非常狹窄的細波束(類似于激光波束),因此如何優化波束賦形,以合理的成本和能效來提升系統的性能也非常重要。
(4)新的波形、信號、信道和協議:目前來看OFDM依然會是一個候選項,但是需要去探索新的備選波形,降低PAPR,滿足THz的硬件限制。另外,還需要開發合適的信號、信道和協議來有效地適配THz的各種操作。
新型天線技術
5G NR已經使用Massive MIMO技術,但是THz波段需要比毫米波更多的天線,因此會有更大的挑戰,以下是一些可選項:
(1)基于超材料的天線和射頻前端
第一種方法:將超表面透鏡作為移相結構應用于天線陣列信號,施加直流偏置來調整波束方向,有助于銳化波束形狀。
第二種方法:超材料天線作為諧振天線,其自身輻射定向波束,與超表面透鏡不同,它不需要一個帶移相器的獨立天線陣列。
第三種方法:可重構智能表面(RIS),通俗的講,智能表面可以改變電磁波的電磁特性,從而影響周圍的傳播環境。
(2)軌道角動量(OAM)
1992年,科學家通過實驗證實,光子具有軌道角動量OAM這一基本性質。
OAM通信研究的核心,是把軌道角動量這一尚未利用的電磁波參數用于通信。OAM是電磁波在傳播方向上在垂直平面上表示相位旋轉的特性,相位旋轉的次數稱為OAM模式。不同的OAM模式相互正交,在同一頻點上可傳輸多路正交信號,從而提升頻譜效率和信道容量,這就是OAM復用技術:
2018年5月,日本NTT已經利用軌道角動量(OAM)多路復用在全球首次成功演示了100Gbps無線傳輸,實驗室設計了OAM-MIMO復用傳輸。結果表明,系統能夠顯著提升傳輸容量。
這項技術看起來還是相當有前途的,但是實驗室只進行了十米的傳輸實驗,實際的實施和操作肯定還有很多的問題需要解決。
全雙工技術
5G NR引入了動態TDD技術,提高雙工靈活性,從而可以根據流量來動態調整下行鏈路和上行鏈路之間的時隙比率。
全雙工技術可能會在6G得到應用,從而解除傳統雙工機制對收發信機頻譜資源利用的限制,有助于進一步提高頻譜效率(理論上同時同頻全雙工可提升一倍的頻譜效率)和系統的靈活性。
上下行鏈路同時同頻傳輸信號,會存在嚴重的自干擾和交叉干擾問題,需要在設備和網絡部署時采取一定的干擾抑制和消除手段。
頻譜共享技術
本著開源與節流并重的思想,如何更加充分地利用現有的頻譜資源就顯得格外重要(特別是在低頻段)。
于是,動態頻譜共享(DSS)技術閃亮登場。
它可以讓不同制式的網絡共享使用相同的頻譜資源,相當于頻譜和制式解耦合。比如,目前動態頻譜共享技術已經可以在4G和5G之間動態分配頻譜。
6G時代,動態頻譜共享技術顯然還要在原有基礎上繼續發展,也許會被稱為“智能”頻譜共享技術。
網絡拓撲結構的演進
網絡拓撲演進方面的一個顯著趨勢,就是使用非地面網絡NTN,例如衛星和HAPS,即使在沒有地面網絡的地方也能提供覆蓋。
NTN技術的實現,需要考慮地面網絡所沒有的新方面,包括對移動小區的支持、數百公里大的小區、較大的傳播延遲、NTN的高速移動導致的較大多普勒頻移和較大路徑損耗等。
目前尚處于開發支持NTN的技術初始階段,3GPP R17將會完成對NTN網絡的第一階段支持,讓我們拭目以待吧。
PS:現階段想要多了解一些NTN的內容,建議參考3GPP TR38.811。
AI技術
3GPP 5G標準已經在核心網中引入了NWDAF網絡功能,對網絡進行數據收集和分析。相信該功能在后續版本中持續演進,之后3GPP也會對無線側進行相關的技術研究。到了6G時代,AI技術的應用將會無處不在。
舉例來說,本地AI技術給信道編碼研究提供了一種全新的解決方案,使其不再依賴傳統的編碼理論進行設計,通過學習、訓練、搜索就可以找到適合當前傳輸環境的最佳的調制編碼方式。聯合AI的一個例子是基于預測的切換優化,而端到端的AI可以識別或者說預測網絡運行中的異常并提出糾正方案。
▉ 后話:現在談6G,是不是太早了?
5G商業化尚處于起步階段,現在開始準備6G正是時候。因為從開始研究到新一代通信技術商業化,通常需要10年左右的時間。
早在2019年3月,芬蘭就舉辦了全球第一屆6G峰會,來自各國的通信專家們商議擬定了全球首份6G白皮書:6G泛在無線智能的關鍵驅動與研究挑戰。
在過去的一年,世界各國紛紛制定了本國6G的發展規劃,并付諸實施。
世界各國的6G研究進展
此前有報道稱,韓國5G網絡實際傳輸速率僅為4G的三倍多,遠遠低于20倍的標準。由此可以看出,全球范圍內的首要任務,還是先把5G的潛力充分激發出來,讓企業和個人充分感受到5G所帶來的真實價值。否則,空談6G是沒有任何意義的。
如果用一句話總結,那就是——
既要仰望星空(6G),也要腳踏實地(5G)。
責任編輯:haq
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