5G已来,6G技术趋势展望及各国6G研发进展

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5G已来,对于处在无线通信技术最前沿的无线射频工程师来说,是时候该谈谈6G了。1G、2G、3G、4G、5G一路走来,为了提升容量和速度,移动通信的频谱越来越多,频段也越来越高,5G已经进入了毫米波频段,6G则很有可能引入THz。

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5G中国在标准、设备、终端、业务方面领先世界这已经是行业的共识。6G,中国必须成为主导,影响和推动世界通信业的发展。目前,除中国外,欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国等已有一些机构陆续启动B5G或者6G技术概念设计和研发工作,但是还远没有达到“统一6G定义”的阶段,比如有的认为6G基于太赫兹频段,有的认为5G+AI 2.0=6G,有的认为5G+空联网=6G。综合起来,行业专家认为6G要往4个方向去发展:一是多网络的融合--陆地、天空甚至多层次,将来卫星的联合组网跟陆地通信联合组网,不光有低轨卫星、还有高轨卫星、甚至有更高的卫星,“进行全网络的覆盖”可能是未来6G技术的一个发展方向;二是频段还得往上走---目前5G最高使用毫米波频段,未来可能随着芯片或者物理技术的成熟,6G会使用更高的频段比如太赫兹频段,而且频谱利用的方式也会发生一些变化;三是采用“去蜂窝”网络架构、无线能量传输技术等;四是要实现网络的IT化和个性化---比如可能发展成“个人定制类型的通信网络”等。

6G时代的技术趋势展望远

1、6G将进入太赫兹频段

从1G到5G,为了提高速率、提升容量,移动通信永远是向着更多的频谱、更高的频段扩展。

其实对射频工程师来说,不管是毫米波、太赫兹都并不陌生,只是之前并未应用到移动通信领域。早在15年前太赫兹技术就被评为 “改变未来世界的十大技术” 之一。5G的毫米波技术并不是在4G显示出局限性才开始研究的,其理论基础早在18年前就已经完成了。

到现在,毫米波5G的大规模商用部署仍然是一个难题。5G的毫米波尚且如此,更何况是6G使用的太赫兹频段呢。小编认为6G是否会进入太赫兹频段,还要看5G毫米波大规模商业后的应用程度和带来的技术价值,但当前对太赫兹的研究是不可或缺的。

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太赫兹频段是指100GHz-10THz,是一个频率比5G高出许多的频段。从通信1G(0.9GHz)到现在的4G(1.8GHZ以上),我们使用的无线电磁波的频率在不断升高。因为频率越高,允许分配的带宽范围越大,单位时间内所能传递的数据量就越大,也就是我们通常说的“网速变快了”。

目前,通信行业正在积极开拓尚未开发的太赫兹频段,已有厂商在300 GHz频段上实现了100Gbps的通信速率。

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该实验将一种高隔离技术应用于混频器元件,还开发了一种带有磷化铟高电子迁移率晶体管(InP-HEMT)的IC,成功抑制了每个IC内部和IC中端口之间的信号泄漏,解决了300 GHz频段无线前端长期以来面临的挑战,实现了100 Gbps的传输速率。

300GHz频段的频率是5G 28GHz毫米波频段的10倍,而迈向数THz频段将是下一代移动通信技术的重点研究领域。

2、地面无线与卫星通信集成的全连接世界

迈向太赫兹是为了不断提升网络容量和速率,但移动通信还有一个更伟大的梦想——缩小数字鸿沟,实现无处不在、永远在线的全球网络覆盖。5G是一个万物智联的世界,车联网、远程医疗等应用需要一个几乎无盲点的全覆盖网络,但“全覆盖”梦想不可能一蹴而就,我们相信这将在6G时代得到更好的完善和补充。

有行业专家已经提出,6G网络将是一个地面无线与卫星通信集成的全连接世界。通过将卫星通信整合到6G移动通信,实现全球无缝覆盖,让网络信号抵达任何一个偏远的乡村,让深处山区的病人能接受远程医疗,让孩子们能接受远程教育,这就是6G未来。同时,在全球卫星定位系统、电信卫星系统、地球图像卫星系统和6G地面网络的联动支持下,地空全覆盖网络还能帮助人类预测天气、快速应对自然灾害等。

3、软件与开源化颠覆网络建设方式

软件化和开源化趋势正在涌入移动通信领域,在6G时代,软件无线电(SDR)、软件定义网络(SDN)、云化、开放硬件等技术估计将进入成熟阶段。这意味着,从5G到6G,电信基础设施的升级更加便利,基于云资源和软件升级就可实现。同时,随着硬件白盒化、模块化、软件开源化,本地化和自主式的网络建设方式或将是6G时代的新趋势。

还要看到基站小型化的发展趋势,比如已有公司正在研究“纳米天线”,如同将手机天线嵌入手机一样,将采用新材料的天线紧凑集成于小基站里,以实现基站小型化和便利化,让基站无处不在。

总体看来,6G时代的网络建设方式或将发生前所未有的变化。

4、人工智能的网络规划和优化

随着网络越来越复杂、QoS要求和运维成本越来越高,未来的移动网络是一个自治系统,能够学习、预测和闭环处理,这已在业界达成共识。随着人工智能的发展,像无人驾驶一样的自动化网络,估计在6G时代将成为现实。一个全自动化的网络,意味着可以动态选择不同类型的无线接入技术,可以根据需求自动配置网络资源,可以自动提出网络规划建议等等。

简而言之,网络是有意识的,网络规划和优化本身属于网络的一部分,必然会代替一部分传统的、人力的网规网优工作。同时,越加分布式的网络构架越发需要基于人工智能的自动化网络来满足对QoS要求越来越严苛的应用,靠人力是无法满足网络敏捷性需求的。

最后不管关于6G的构想有多丰富,就如同5G之于4G,未来的6G也一定是5G的持续演进。5G有的,要靠6G来改进。而5G没有的,则要靠6G来扩展。

下面我们来了解各国在6G研究的进展。

中国在6G研发的布局

11月9日,中国移动副总裁李慧镝在第五届世界互联网大会上透露,中国移动正在全力推动5G商用,以2019年预商用、2020年商用为目标。工信部IMT-2020(5G)无线技术工作组组长粟欣透露,6G概念研究也在今年启动。

2018年两会期间,工信部部长苗圩表示,目前中国已经在研究6G的发展。他表示,未来随着移动通讯使用领域的扩大,除了解决人和人之间的无线通讯、无线上网的问题之外,还要解决物和物之间、物和人之间的这种联系,6G通信技术主要促进的就是物联网的发展。

科技部近日发布了关于国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”等重点专项2018年度项目申报指南的通知。其中5项涉及B5G/6G。

1、大规模无线通信物理层基础理论与技术(基础前沿类)

研究内容:针对未来移动通信的巨流量、巨连接持续发展需求,以及由此派生出的大维空时无线通信和巨址无线通信两个方面的科学问题,开展大规模无线通信物理层基础理论与技术研究,形成大规模无线通信信道建模和信息理论分析基础、无线传输理论方法体系及计算体系,获取源头创新理论与技术成果,构建实测、评估与技术验证原型系统。研究面向未来全频段全场景大规模无线通信系统构建,建立典型频段和场景下统一的大维信道统计表征模型,研究大维统计参数获取理论方法; 围绕大维空时无线通信和巨址无线通信,开展大规模无线通信极限性能分析研究,形成大规模无线通信信息理论分析基础;研究具有普适性的大维空时传输理论与技术,突破典型频段和场景下大维信道信息获取瓶颈,解决大维空时传输的系统实现复杂性以及对典型频段和场景的适应性等问题,支撑巨流量的系统业务承载;研究大维随机接入理论与技术,解决典型频段和场景下大维随机接入的频谱和 功率有效性、实时性及可靠性等问题,支撑巨连接的系统业务承载;研究大规模无线通信的灵巧计算、深度学习及统计推断等理论与技术,形成大规模无线通信计算体系,解决计算复杂性和分析方法的局限性等问题。

2、太赫兹无线通信技术与系统(共性关键技术类)

研究内容:面向空间高速传输和下一代移动通信的应用需求,研究太赫兹高速通信系统总体技术方案,研究太赫兹空间和地面通信的信道模型,研究高速高精度的太赫兹信号捕获和跟踪技术;研究低复杂度、低功耗的高速基带信号处理技术和集成电路设计方法,研制太赫兹高速通信基带平台;研究太赫兹高速调制技术,包括太赫兹直接调制技术、太赫兹混频调制技术、太赫兹光电调制技术,研制太赫兹高速通信射频单元;集成太赫兹通信基带、射频和天线,开发太赫兹高速通信实验系统,完成太赫兹高速通信试验。

3、面向基站的大规模无线通信新型天线与射频技术(共性关键技术类,部省联动任务)

研究内容:面向未来移动通信应用,满足全场景、巨流量、广应用下无线通信的需求,解决跨频段、高效率、全空域覆盖天线射频领域的理论与技术实现问题,研究可配置、大规模阵列天线与射频技术,突破多频段、高集成射频电路面临的低功耗、高效率、低噪声、非线性、抗互扰等多项关键性挑战,提出新型大规模阵列天线设计理论与技术、高集成度射频电路优化设计理论与实现方法、以及高性能大规模模拟波束成型网络设计技术,研制实验样机,支撑系统性能验证。

4、兼容C波段的毫米波一体化射频前端系统关键技术(共性关键技术类,部省联动任务)

研究内容:为满足未来移动通信基站功率和体积约束下高集成部署和大容量的需求,研究30GHz 以内毫米波一体化大规模MIMO 前端架构和关键技术以及与Sub 6GHz 前端兼容的技术。针对毫米波核心频段融合分布参数与集总参数的电路建模与设计方法,采用低功耗易集成的分布式天线架构与异质集成技术,大幅提升同等阵列规模下毫米波阵列的发射EIRP 和接收通路的噪声性能。同时探索多模块毫米波核心频段分布式阵列与Sub 6GHz大规模全数字化射频前端的共天线罩集成化设计技术,探索高效率易集成收发前端关键元部件以及辐射、散热等关键技术问题,突破大规模MIMO 前端系统无源与有源测试和校正等系统级技术;最终前端系统在高频段与低频段同时实现大范围波束扫描,且保持高频段与低频段前端之间的高隔离。

5、基于第三代化合物半导体的射频前端系统技术(共性关键技术类,部省联动任务)

研究内容:针对新一代无线通信的需求,研究基于第三代化合物半导体工艺的射频前端系统集成技术及毫米波有源和无源电路设计理论与方法。探索具有完全自主知识产权适用于新一代无线通信毫米波频段的第三代半导体器件的功率密度、线性、散热等性能提升技术及使用该类器件实现高性能功率放大器、低噪声放大器、双工开关等关键有源电路的原创性拓扑结构;侧重研究从半导体器件结构、工艺制层等方面及创新电路架构设计提升功率放大器输出功率、效率以及线性度等关键指标的设计方法;研究GaN MMIC 中低损耗互联(传输线)以及其他高性能无源功能性器件(如功分器,耦合器等)的设计方法;提出基于GaN HEMT的高集成度射频集成前端的设计新理念与新方法;探索基于第三代化合物半导体芯片的集成与封装技术。研究包含多种功能电路的高集成度MMIC 上的设计及性能优化方法,研究从封装方面提升电路性能的方法,实现毫米波芯片、封装与天线一体化,优化前端系统的整体射频性能。

美国FCC:6G=区块链+动态频谱共享

9月13日,在MWCA2018上,美国FCC官员首次在公开场合展望6G技术。Jessica Rosenworcel,这位一直支持“网络中立”的FCC(美国联邦通讯委员会)委员,在今年洛杉矶举行的美国移动世界大会(MWCA2018)上的一次演讲中表示,6G将迈向太赫兹频率时代,随着网络越加致密化,基于区块链的动态频谱共享技术是趋势。

FCC 2015年在3.5GHz频段上推出了CBRSD(公众无线宽带服务),通过集中的频谱访问数据库系统来动态管理不同类型的无线流量,以提高频谱使用效率。

Rosenworcel表示,CBRS极具创造性、高效性和前瞻性,未来还可实现更智能、分布式更强的动态频谱共享接入技术,也就是区块链+动态频谱共享。

他指出,区块链是分布式数据库,无需中央中介即可安全更新,未来可以探索使用区块链作为动态频谱共享技术的低成本替代方案,不但可以降低动态频谱接入系统的管理费用,提升频谱效率,还可以进一步增加接入等级和接入用户。

Rosenworcel认为,使用去中心化的分布式账本来记录各种无线接入信息,可进一步激发新技术创新,甚至改变未来使用无线频谱的方式。

欧盟开始研发6G移动通信技术

2018年11月6日消息,欧盟近期发起第六代移动通信(6G)技术研发项目征询,旨在于2030年商用6G技术。欧盟对6G技术的初步设想为:6G峰值数据传输速率要大于100Gbps(5G峰值速率为20Gbps);使用高于275GHz频段的太赫兹(THz)频段;单信道带宽为1GHz(5G单信道带宽为100MHz);网络回程和前传采用无线方式。9月1日,欧盟已启动为期3年的6G基础技术研究项目,主要任务是研究可用于6G通信网络的下一代向前纠错编码技术、高级信道编码以及信道调制技术。

英国电信:6G、7G将是这样的

英国电信集团(BT)首席网络架构师Neil McRae在一个行业论坛中,展望了6G(第六代移动通信)、7G(第七代移动通信)系统。他认为:

1、5G将是基于异构多层的高速因特网,早期是“基本5G”(将在2020年左右进入商用),中期是“云计算&5G”,末期是“边缘计算&5G”(三层异构移动边缘计算系统);
2、6G将是“5G+卫星网络(通信、遥测、导航)”,将在2025年得到商用,特征包括以“无线光纤”技术实现超快宽带;
3、7G将分为“基本7G”与7.5G,其中“基本7G”将是“6G+可实现空间漫游的卫星网络”。
具体地,他解释,6G是在5G的基础上集成卫星网络来实现全球覆盖:

(1)6G应该是一种便宜、超快的因特网技术,可为无线或移动终端提供令人难以置信的高数据速率或极快因特网速率——高达11Gbps(即使是在偏远地区接入6G网络);
(2)组成6G系统的卫星通信网络,可以是电信卫星网络、地球遥感成像卫星网络、导航卫星网络。6G系统集成这些卫星网络,目的在于为6G用户提供网络定位标识、多媒体与互联网接入、天气信息等服务;
(3)6G系统的天线将是“纳米天线”,而且这些纳米天线将广泛部署于各处,包括路边、村庄、商场、机场、医院等。
(4)6G时代,可飞行的传感器将是得到应用——为处于远端的观察站提供信息、对有恐怖分子、入侵者活动的区域进行实时监测等;
(5)6G时代,在高速光纤链路之辅助下,点到点(P2P)无线通信网络将成为6G终端传输快速宽带信号。
日本电信NTT开发出“OAM”技术传输速度可达5G的5倍

日本三大电信运营商之一的NTT(Nippon Telegraph and Telephone),已成功开发出瞄准“后5G时代”的新技术。虽然仍面临传输距离极短的课题,不过传输速度可达5G(第5代通信标准)的5倍,即每秒100GB。

NTT使用一种名为“OAM”的技术,实现了相当于5G数倍的11个电波的叠加传输。OAM技术是使用圆形的天线,将电波旋转成螺旋状进行传输,由于物理特性,转数越高,传输越困难。NTT计划未来实现40个电波的叠加。

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