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全球6G移动通信技术展望

2021-09-14 19:05



当前,5G(第五代移动通信技术)的研究、部署正在全球范围内如火如荼地进行,预计2020年左右大规模实现商用。在研发5G各项关键技术的同时,欧美已经开始在95GHz以上的超高频段对6G(第六代移动通信技术)等前沿领域进行探索。



6G移动通信技术演进历程


到目前为止,从表1全球移动通信技术发展历程简介看,1G 到 5G 的设计遵循着网络侧和用户侧的松耦合准则。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。


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。


在未来第六代移动通信系统(6G,the sixth generation mobile communication system)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,artificial intelligence)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。


如今6G已经在路上了,也许它的普及会来得更快,未来谁先占领6G网络的制高点,谁就能率先开启万物互联的新时代,6G的战略意义不言而喻。


表1  全球移动通信技术发展历程简介

全球各国6G移动通信技术研究进展


目前6G移动通信技术仍停留在设想阶段,预计该技术会在2020年正式进行研发进程,而会在2030年投入商用。近几年,全球各国都在积极进行6G的前沿技术研究和探索。


(一)美国


6G将迈向太赫兹频率时代,基于区块链的动态频谱共享技术是趋势。2018年9月13日,在MWCA2018上,美国美国联邦通讯委员会(FCC)官员首次在公开场合展望6G技术。一直支持“网络中立”的FCC(美国联邦通讯委员会)委员,Jessica Rosenworcel,在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。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。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。


同时,6G时代的网络安全将有显著改善,6G将来还可能与量子计算相结合,形成“量子互联网”。2019年1月,在拉斯维加斯举办的消费电子展历来被看作国际消费电子领域的“风向标”,参展的美国科技企业已在展望6G的概念。6G有望扩展至更广泛的层面、更高的空间,比如卫星移动,实现地空全覆盖网络,真正做到万物互联。


展会期间,美国思科公司的服务供应网首席技术官迈克尔·比斯利在一个分论坛上阐述了对6G技术的预判和展望,他认为,6G时代的网络安全将有显著改善。计算和人工智能将以更加小巧高效的方式嵌入到我们能想象到的所有物体中,“拥有这样的带宽和计算能力可以让我们实时发现架构中的异常行为,可以快速识别处理,更加安全”。同时,6G将来还可能与量子计算相结合,形成“量子互联网”。如果量子计算技术得到大规模应用,那么无论是个人设备、机器还是整个物联网,计算能力和计算密度可能会有一到两个数量级的增长。超快的网络连接速度配合超快的云端数据中心计算效率,未来“世界将不同凡响”。


(二)英国


6G在5G的基础上集成卫星网络来实现全球覆盖。英国电信集团(BT)首席网络架构师Neil McRae认为,6G将在5G的基础上集成卫星网络来实现全球覆盖。组成6G系统的卫星通信网络,包括电信卫星网络、地球遥感成像卫星网络、导航卫星网络等。6G系统将集成这些卫星网络,为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。同时,6G将面临如何实现不同卫星系统间的切换和漫游等挑战。具体地,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,可飞行的传感器将会得到应用——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)无线通信网络将为6G终端传输快速宽带信号。


(三)德国


德国开发了全球领先的太赫兹通信技术。德国伍珀塔尔大学则拿出了非常具体的太赫兹通信技术。研究人员基于锗化硅SiGe 材料构建了完整的信号收发系统,能够实现1米距离的260GHZ频段太赫兹通信。


但他们经过计算认为,如果采用直径6.5厘米的透镜天线,通信距离能够达到100米。“虽然实际和计算一定会有差距,但这应该也是全球最先进的太赫兹通信系统之一。


(四)日本


日本电信NTT开发出“OAM”技术传输速度可达5G的5倍。采用更高频段通信可能是6G的关键技术之一,广岛大学在全球最先实现了基于CMOS 低成本工艺的300GHZ频段的太赫兹通信。


此外,日本在太赫兹等各项电子通信材料领域“独步天下”,几乎达到垄断地位,这是其发展6G的独特优势。


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。虽然NTT DoCoMo(日本移动通信运营商)在峰会上没有宣布具体的技术路线。但看得出来,NTT DoCoMo对6G发展应该已经有明确的计划,并已经开始着手实施。


(五)欧盟


有序开展6G基础技术研究项目研究。2018年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。2018年11月6日,欧盟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。此前,由芬兰政府资助的芬兰科学院宣布启动了“6Genesis”,这是一项为期 8年的项目,将投入资金约为 2.5 亿欧元,其任务是研究最终将包括 6G 网络的无线通信技术。


6G移动通信技术未来发展方向


总的来说,6G通信技术不再是简单的网络容量和传输速率的突破,它更是为了缩小数字鸿沟,实现万物互联这个“终极目标”,这便是6G的意义。美国、欧盟、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。


6G是往更短的网络延迟时间、更大的带宽、更广的覆盖和更高资源利用率的方向发展。除了此前已有的高密度组网、全双工技术(一种能实现在同一频率信道下同时进行发射和接收信号,从而提高频谱资源利用率的技术)等之外,业界还在探讨一些全新的技术方案,例如卫星通信技术、平流层通信技术与地面技术的融合。这样的融合技术一旦研制成熟,意味着此前大量未被通信信号覆盖的地方,如无法建设基站的海洋、难以铺设光纤的部分地区,今后都有可能收发信号,信号覆盖“死角”将进一步减少。综合起来,6G通信技术往4个方向去发展:


(一)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


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。


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。


(二)6G网络将是一个地面无线与卫星通信集成的全连接世界,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


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。


(三)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。


(四)人工智能的网络规划和优化


随着网络越来越复杂、服务质量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。6G网络还会是一个全新组织的智能化网络,能对不同用户和不同业务进行智能化分类管理。


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、人力的网络规划工作。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服务质量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。


结语


在移动通信网络技术发展历程之中,1G(进入移动通信阶段)、3G(进入移动互联网阶段)和5G(进入万物互联阶段)是具有革命性的移动通信技术。“4G改变生活,5G改变社会”已成为通信业界的普遍共识。客观来看,5G技术并不完美,其发展中的不足将由6G技术来解决。与之前各个阶段的移动通信技术一样,5G技术自身在不断演进的同时也存在新的不足,而其不足则需通过移动通信技术的继续演进来弥补。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。


网络和用户的通信性能不是后 5G 网络演进的唯一目标。为了实现人类更深层次的智能通信需求,6G 将实现从真实世界体系到虚拟世界体系的延拓。虚拟世界体系源于对真实世界体系的采样、传输、分析和重构。为了实现 6G,需要在信息理论、传输和组网方面实现理论和技术突破。其中,在基本信息理论方面,6G 将拓展传统信息理论,从理论上保证基于语义信息度量、压缩、传输和网络的优化;在传输关键技术方面,6G 将进一步挖掘极化相关理论,获取极化编解码、极化 MIMO、极化多址、极化中继等关键技术突破,实现差异化传输。在组网技术方面,6G 将采用人−机−物−灵的全新网络架构,满足认知增强与决策推演的智能定义网络需求,保证安全可靠的网络传输,实现意念驱动网络。


放眼国内,2018 至 2020 年之间,可谓我国移动通信 5G 技术规模商用的重要预演期和发轫期。2019年6月,随着 5G 网络在我国的正式商用,其技术创新和融合效应将为我国信息传播领域产业发展带来新的可能性。在 2020 年至2030 年这 10 年间,我国 5G 产业以及信息传播领域相关产业都将得到快速发展,并形成新的产业结构和产业生态系统。


当前,对于 5G 产业发展特征和产业政策的梳理则有助于洞察和把握我国信息传播领域产业的发展新机遇。在移动通信网络从 4G 到 5G、从 5G 到 6G 演进过程中,我国信息传播领域相关产业抓住历史机遇,整合各类资源,形成独特产业优势,辐射社会经济各个相关领域,从而进一步推动我国产业结构升级转型、社会经济高质量发展、国家治理水平的总体提升。


免责声明:本文根据转自信息安全与通信保密杂志社,原作者Cismag。文章内容系原作者个人观点,本公众号转载仅为分享、传达不同观点,如有任何异议,欢迎联系我们!



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转自丨信息安全与通信保密杂志社

作者丨Cismag

编辑丨郑实




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