淺析6G 通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

董妮婭

（重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院，重慶400065）

目前，5G 網(wǎng)絡(luò)得到大力發(fā)展，世界各國視5G 為帶動社會發(fā)展的新動能之一，競相開展5G 網(wǎng)絡(luò)部署，大力發(fā)展5G 新業(yè)務(wù)。盡管5G 尚處于規(guī)模商用起步階段,相關(guān)技術(shù)尚待繼續(xù)增強(qiáng)完善,但我們有必要同步前瞻未來信息社會的通信需求,啟動下一代移動通信系統(tǒng)（6G）技術(shù)研究，本文對6G 技術(shù)進(jìn)行探討，包括通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)智能化三個方面。

1 突破性的通信技術(shù)

新一代的移動網(wǎng)絡(luò)通常以一組新穎的通信技術(shù)為特征，這些通信技術(shù)能提供前所未有的性能。例如，大規(guī)模的多輸入多輸出（MIMO）和毫米波通信作為5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。6G 網(wǎng)絡(luò)不僅適用于常規(guī)頻段（即6 GHz 以下和毫米波頻段），還適用于尚未考慮用于蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的頻帶，即太赫茲頻段和可見光通信（VLC）。

1.1 太赫茲通信。頻率在100GHz 和10THz 范圍內(nèi)的電磁波被稱為太赫茲波，具有超高的通信帶寬、高穿透性等特性。利用太赫茲頻段可以解決信息高速傳輸和頻譜資源稀缺之間的矛盾。由于該頻段的特殊性，學(xué)術(shù)界與工程界對該技術(shù)的研究尚處于初級階段。相比5G 中使用的毫米波，太赫茲將高頻通信的潛力發(fā)揮到了極致的同時也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。阻礙太赫茲鏈路在商業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用的主要問題是傳播損耗、分子吸收、高穿透損耗以及天線和射頻電路工程。

1.2 可見光通信。隨著發(fā)光二極管（LED）照明器件的廣泛采用，可見光通信技術(shù)作為RF 通信的補(bǔ)充，具有無電磁干擾、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的發(fā)展前景。發(fā)送端控制光源在不同的光強(qiáng)度之間快速切換達(dá)到調(diào)制的目的并傳輸?shù)浇邮掌鹘邮铡Ｓ捎赩LC實(shí)驗(yàn)平臺成本較低，使得該研究比太赫茲通信更加成熟，形成了VLC 標(biāo)準(zhǔn)（即IEEE 802.15.7）；然而，由于VLC 覆蓋范圍有限，需要照明光源，易受到來自其他光源（如太陽）的散粒噪聲的影響，VLC 主要用于室內(nèi)；對于上行鏈路，需要通過RF 進(jìn)行補(bǔ)充，因此3GPP 未將該技術(shù)納入蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此，VLC 仍可用于在室內(nèi)場景中引入未被蜂窩標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的蜂窩覆蓋。在該場景中，VLC 可以利用非授權(quán)的寬頻段，在不同房間之間以相對便宜的硬件進(jìn)行無交叉干擾地部署。

得益于物理層和電路研究的進(jìn)步，6G 除了新的頻譜，可以通過利用一系列新興技術(shù)來改造無線網(wǎng)絡(luò)。

1.3 全雙工通信。得益于自干擾抑制電路的開發(fā)，使得基站和用戶設(shè)備（UE）在同頻信道中同時接收和發(fā)送信號的全雙工通信成為可能。這些技術(shù)使得可以通過上行鏈路傳輸確認(rèn)或控制消息實(shí)現(xiàn)連續(xù)的下行鏈路傳輸（反之亦然），在不使用額外帶寬的情況下增加復(fù)用能力和整個系統(tǒng)吞吐量。然而，6G 網(wǎng)絡(luò)仍需要全新的資源調(diào)度程序設(shè)計(jì)，并對全雙工過程和部署進(jìn)行仔細(xì)規(guī)劃及合理的調(diào)度，以避免干擾。

1.4 新信道估計(jì)技術(shù)。對于毫米波，初始接入（IA）和波束跟蹤的信道估計(jì)將是蜂窩環(huán)境中超高頻通信的關(guān)鍵組成部分。然而，考慮到多頻帶以及超大帶寬，6G 系統(tǒng)需要新的信道估計(jì)技術(shù)。利用帶外估計(jì)來改進(jìn)波束管理方案的性能，該方法是利用6 GHz 以下信號的全向傳播特性，將信道估計(jì)映射到微波頻率。考慮到毫米波和太赫茲信道中信號角度方向的稀疏性，利用壓縮感知技術(shù)可以使用減少的樣本數(shù)進(jìn)行信道估計(jì)。

2 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通信技術(shù)的突破不僅促成新的6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，也需要對當(dāng)前的移動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新。例如，太赫茲通信的密度和高訪問數(shù)據(jù)速率將對底層傳輸網(wǎng)絡(luò)造成限制，必須提供比現(xiàn)在的回程網(wǎng)絡(luò)更多的光纖接入點(diǎn)和更高的容量。太赫茲通信的密度和高訪問數(shù)據(jù)速率將對底層傳輸網(wǎng)絡(luò)造成限制，因此必須提供比現(xiàn)有回程網(wǎng)絡(luò)更多的光纖接入點(diǎn)和更大的容量。此外，各通信技術(shù)將增加網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，需要對其進(jìn)行管理。6G 將引入的或部署以下架構(gòu)模式：

2.1 無邊界網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。6G 將打破傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)邊界，把網(wǎng)絡(luò)作為一個整體而非單小區(qū)連接到終端。例如，這可以通過多連接技術(shù)以及對設(shè)備中不同和異構(gòu)無線電的支持來實(shí)現(xiàn)。無蜂窩網(wǎng)絡(luò)程序保證移動終端的無縫連接，不會由于切換而產(chǎn)生開銷（在太赫茲頻率系統(tǒng)中較為常見），即使在具有挑戰(zhàn)性的移動性場景中（如車輛場景），也將提供QoS 保證。蜂窩概念的顛覆也將使不同的6G 通信技術(shù)緊密結(jié)合。用戶無需在設(shè)備中進(jìn)行手動干預(yù)或配置，不僅能夠在不同的異構(gòu)鏈路（例如，6 GHz 以下、mm Wave、太赫茲或VLC）之間無縫轉(zhuǎn)換，而且自動選擇可用的最佳通信技術(shù)。最后，UE 可以根據(jù)特定的使用場景，選擇不同的網(wǎng)絡(luò)接口適配各通信技術(shù)的互補(bǔ)特性，例如，6 GHz 以下鏈路用于控制，而太赫茲鏈路用于數(shù)據(jù)平面。

2.2 3D 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。傳統(tǒng)上，網(wǎng)絡(luò)提供幾乎所有的二維空間的連接，即部署網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)以提供到地面設(shè)備的連接。相反，未來的6G 異構(gòu)架構(gòu)不僅能提供三維（3D）覆蓋，利用非地面平臺（如無人機(jī)、氣球和衛(wèi)星）補(bǔ)充地面基礎(chǔ)設(shè)施；還能迅速部署這些設(shè)備，以確保無縫服務(wù)連續(xù)性和可靠性。例如，在農(nóng)村地區(qū)或活動期間，避免增加新建固定基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營和管理成本。

2.3 分布式網(wǎng)絡(luò)和虛擬化。隨著邊緣計(jì)算的發(fā)展，單一的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備逐步分解：例如，5G 網(wǎng)絡(luò)基站可以部署業(yè)務(wù)面下沉的分布式單元和邊緣數(shù)據(jù)中心的集中式單元。按照這一趨勢，6G 網(wǎng)絡(luò)采用更具創(chuàng)新性的架構(gòu)，基站設(shè)備將只包含物理天線和盡可能少的處理單元。此外，通用處理器功能的不斷進(jìn)步，使得虛擬化技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展：6G 將虛擬化目前需要專用的硬件實(shí)現(xiàn)的與MAC層和物理層相關(guān)的組件。虛擬化將降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的成本，使大規(guī)模密集部署變得可行。

2.4 先進(jìn)的回傳整合。新的6G 接入技術(shù)提供的海量數(shù)據(jù)速率需要回程容量的大幅增長。此外，由于太赫茲和可見光通信的覆蓋距離受限，對接入點(diǎn)的密度和回傳網(wǎng)絡(luò)提出更高的要求。因此，6G 技術(shù)的高速率大容量可作為回傳鏈路的解決方案，基站的無線傳輸可為用戶提供接入和回傳服務(wù)。雖然5G 已將類似方案納入考慮范圍，但6G 將會給回傳網(wǎng)絡(luò)規(guī)模帶來新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇：網(wǎng)絡(luò)需要更高的自主配置能力來優(yōu)化和回傳一體化和無線接入方案的性能，實(shí)現(xiàn)接入容量增加無需增加相應(yīng)的光纖數(shù)量。

2.5 低功耗的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。為了滿足未來的連接需求6G 設(shè)備需要廣泛部署。鑒于6G 網(wǎng)絡(luò)的預(yù)期規(guī)模，用戶終端和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將需要用能源供電，系統(tǒng)相對于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該更加高效，能耗更低。這意味著硬件電路和協(xié)議棧軟件的開發(fā)都應(yīng)注重低功耗設(shè)計(jì)。可選擇使用能量收集電路來允許設(shè)備自供電，這對實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)操作、長期在線的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器、很少使用的設(shè)備、設(shè)備的長待機(jī)時間至關(guān)重要。

3 網(wǎng)絡(luò)智能化

6G 通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)部署的復(fù)雜性導(dǎo)致難以進(jìn)行手動優(yōu)化。盡管智能技術(shù)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用已在5G 領(lǐng)域中進(jìn)行了討論，但6G 智能網(wǎng)絡(luò)部署更加密集（根據(jù)接入點(diǎn)和用戶的數(shù)量）、更加異構(gòu)化（根據(jù)不同技術(shù)的集成），相對5G 在網(wǎng)絡(luò)性能方面要求更高。因此，智能化技術(shù)將在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中扮演更重要的角色。

3.1 實(shí)時網(wǎng)絡(luò)決策的無監(jiān)督強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)。無監(jiān)督和強(qiáng)化學(xué)習(xí)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用仍處于起步階段，但在復(fù)雜的6G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下有著廣闊的應(yīng)用前景。運(yùn)用監(jiān)督學(xué)習(xí)方法標(biāo)記網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大的數(shù)據(jù)是不可行的。無監(jiān)督學(xué)習(xí)不需要標(biāo)注，可用于自動構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)并依此執(zhí)行一般優(yōu)化，超出了有監(jiān)督方法的能力。此外，通過將無監(jiān)督與強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法結(jié)合在一起，可以使網(wǎng)絡(luò)真正以自主方式運(yùn)行。

3.2 用戶間、運(yùn)營商間的信息共享。實(shí)踐證明，頻譜和基礎(chǔ)設(shè)施共享在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中有利于最大限度地提高復(fù)用能力。在自主和機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，運(yùn)營商和用戶也可能對共享特定網(wǎng)絡(luò)部署或用例的學(xué)習(xí)表示感興趣，如何實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)元間的信息共享，從而實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)作將成為提高網(wǎng)絡(luò)復(fù)用能力的關(guān)鍵之一。

4 結(jié)論

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革，網(wǎng)絡(luò)智能化的發(fā)展，6G 通信系統(tǒng)將會在人類生活、工業(yè)化發(fā)展、各行各業(yè)應(yīng)用中起到重要作用。本文從不同維度包括物理層通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)智能化應(yīng)用等方面介紹了6G 的若干關(guān)鍵技術(shù)，以加深對6G 通信系統(tǒng)的認(rèn)識和開展相關(guān)研究工作。