再谈6G

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本文来自鲜枣课堂
 
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。
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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:
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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。
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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)
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• 高保真移动全息影像
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• 数字镜像(数字孪生)
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(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:
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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。
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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。
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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。
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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。
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(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:
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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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