6G移動(dòng)通信關(guān)鍵候選技術(shù)與應(yīng)用場(chǎng)景展望

陳依嶄，黃 達(dá)，廖若森

（1.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué) 吳玉章學(xué)院，四川 成都 610065）

1 研究背景

1.1 5G產(chǎn)業(yè)概述

預(yù)計(jì)到2023年，全球?qū)⒂?7億移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶，移動(dòng)通信設(shè)備總數(shù)將達(dá)到131億臺(tái)[1]。然而，5G仍存在以下不足[2]：一是未來的新應(yīng)用如全息投影相較5G數(shù)據(jù)速率高出3個(gè)數(shù)量級(jí)；二是隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的激增，5G物聯(lián)網(wǎng)的連接能力和覆蓋范圍亟待增強(qiáng)；三是手動(dòng)優(yōu)化配置的無線網(wǎng)絡(luò)不再適合超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｒ虼耍枰_發(fā)具有新功能特性的6G無線系統(tǒng)。6G既要實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)所有功能的融合，又要運(yùn)用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)和業(yè)務(wù)的拓展。

1.2 6G研發(fā)進(jìn)程

2018年11月，電子科技大學(xué)牽頭發(fā)布中國(guó)后5G（6G）移動(dòng)通信展望白皮書。2019年9月初，芬蘭奧盧大學(xué)6G旗艦研究計(jì)劃發(fā)布6G白皮書。2020年2月瑞士日內(nèi)瓦召開的第34次國(guó)際電信聯(lián)盟無線電通信部門5D工作組會(huì)議上，面向2030及6G的研究工作正式啟動(dòng)。目前，ITU尚未確定6G標(biāo)準(zhǔn)的制定計(jì)劃，中、美、韓、日、英和芬蘭已開展6G相關(guān)技術(shù)的研究。

2 關(guān)鍵候選技術(shù)

2.1 太赫茲技術(shù)

太赫茲指0.1～10 THz的電磁波，頻譜介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間，低波段與毫米波相鄰，高波段與紅外光相鄰，位于宏觀電子學(xué)與微觀光子學(xué)的過渡區(qū)域。作為下一代移動(dòng)通信關(guān)鍵候選技術(shù)，它具有方向性好、抗干擾、帶寬寬、穿透性強(qiáng)以及對(duì)天線尺寸要求更低等特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延會(huì)低于毫秒級(jí)而達(dá)到亞毫秒級(jí)[3]，網(wǎng)絡(luò)的傳輸響應(yīng)時(shí)間更短，保證了下一代網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信性能。不管是中、美、日、韓，還是華為、諾基亞、愛立信，都在大力研發(fā)太赫茲軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum，OAM）通信。早在2006年，日本已實(shí)現(xiàn)10 Gb/s、傳輸距離為200 m的高速無線通信。而我國(guó)也已在4.1 THz實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)2 m距離的太赫茲數(shù)字信號(hào)傳輸。

2.2 可見光通信

可見光通信的一大關(guān)鍵技術(shù)是光無線通信（Optical Wireless Communications，OWC），是指利用可見光波段（39～700 nm）的光波傳載信息的技術(shù)手段。它兼具照明與通信的節(jié)能性、頻譜不受限、帶寬寬以及安全性高等特點(diǎn)，可用于光熱點(diǎn)（特別是室內(nèi)場(chǎng)景）、短距離通信、星間鏈路激光通信和海底通信（克服衰減和電磁干擾）等[4]。未來6G成熟時(shí)，它也極有可能用在智慧城市、智能交通以及智慧家居的IoT萬物互聯(lián)上。

2.3 新型全雙工技術(shù)

新型全雙工技術(shù)包括超越時(shí)間與頻率的同時(shí)同頻全雙工技術(shù)（Co-time Co-frequency Full Duplex，CCFD）與靈活自由調(diào)度的AI結(jié)合的全雙工技術(shù)。CCFD由于采用了自干擾抑制技術(shù)，是最有潛力的全雙工方案，在理論上可以使頻譜效率提升一倍[5]。而AI結(jié)合的全雙工技術(shù)將AI用在資源調(diào)度上，自動(dòng)感知系統(tǒng)承壓，靈活分配時(shí)間、空間、頻率和編碼，將是未來發(fā)展的一大研究方向。

2.4 空天海地一體化通信

位于低軌道的天基衛(wèi)星與地面、海面存在的雷達(dá)天線構(gòu)成空天海地一體化通信核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地基、天基及星間鏈路3類數(shù)據(jù)的聯(lián)合通信網(wǎng)絡(luò)。地面基站與空天衛(wèi)星還可形成滿足空天海地多方位、多層次海量用戶的接入網(wǎng)，構(gòu)成一個(gè)覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)[6]，通過地面高速骨干網(wǎng)絡(luò)完成組網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)與其他地面通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通，如圖1所示。

圖1 空天海地一體化通信示意圖

2.5 其他候選技術(shù)

其他6G候選技術(shù)還包括新的信道編碼技術(shù)、突破極限的物理層革命、超大規(guī)模MIMO陣陣列、非正交（Non-Orthogonal）波形以及超奈奎斯特理論（Faster than Nyquist）等。其中，由于需要提升整體網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和容量，傳統(tǒng)的物理層技術(shù)必將被顛覆，而這極有可能需要6G或以后時(shí)代的科技才能辦到。由于采用太赫茲技術(shù)，它的波長(zhǎng)減小，天線尺寸也將減小。未來6G天線陣將是集成天線陣列的天線陣，集成度更高也更加密集。同時(shí)，由于正交波形不再滿足未來容量與速度，未來6G將探究使用非正交變換的波形打破Gabor理論，如采用非正交多址接入技術(shù)（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）等。超奈奎斯特理論在5G技術(shù)中作為一大關(guān)鍵技術(shù)，也將在6G中繼續(xù)被優(yōu)化與發(fā)展。

3 移動(dòng)通信技術(shù)的愿景及應(yīng)用

3.1 6G的愿景

6G將是第一個(gè)圍繞多學(xué)科需求開發(fā)的無線和移動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)，是對(duì)用戶期望、社會(huì)需求、垂直應(yīng)用的需求、頻譜可用性、經(jīng)濟(jì)約束、法規(guī)和許多其他方面聯(lián)合分析的結(jié)果。2030年的智能信息社會(huì)將是高度數(shù)字化的、全球數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，并有望實(shí)現(xiàn)近乎零時(shí)延的全無線連接。6G將是一個(gè)具有類人智能和意識(shí)的自主生態(tài)系統(tǒng)，將從以人類為中心向以人類和機(jī)器為中心發(fā)展，提供多種方式。例如，通過手指、聲音、眼睛和腦電波（或神經(jīng)信號(hào)）與智能終端進(jìn)行通信和交互[7]。

3.2 6G應(yīng)用舉例

3.2.1 智能醫(yī)療

6G提供的安全通信、高性能、超低延遲、高數(shù)據(jù)速率和高可靠性，使遠(yuǎn)程手術(shù)消除時(shí)間和空間障礙，保證醫(yī)療工作流程的優(yōu)化。此外，由于太赫茲波段的小波長(zhǎng)支持通信和納米傳感器的發(fā)展，也將促進(jìn)開發(fā)新的納米尺寸的設(shè)備。

3.2.2 車聯(lián)網(wǎng)

自動(dòng)駕駛汽車需要前所未有的可靠性和低延遲，以滿足車輛網(wǎng)絡(luò)的高靈活性和敏感的避碰能力等獨(dú)特的要求來保證乘客安全。同時(shí)，每輛汽車上的傳感器數(shù)量不斷增加，將需要比當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)容量更高的數(shù)據(jù)速率，而6G中能夠?qū)崿F(xiàn)。

3.2.3 其他領(lǐng)域

此外，6G還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域。第一，6G可以應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，提高防竊聽和防干擾的能力。第二，6G可以應(yīng)用于超高速通信，保證更大帶寬、更大容量、超高數(shù)據(jù)速率和安全傳輸。第三，6G可以應(yīng)用于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)VR與AR的混合。第四，6G可以應(yīng)用于宇宙探索，增大探索距離。第五，6G可以應(yīng)用于安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，利用太赫茲的穿透性識(shí)別物品。第六，6G可以應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域，診斷疾病，分析情感，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤。第七，6G可以應(yīng)用于娛樂設(shè)施領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)超高清視頻體驗(yàn)，虛擬真實(shí)游戲。第八，6G可以應(yīng)用于超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)，增加共生無線電和衛(wèi)星輔助。第九，6G可以應(yīng)用于人工智能，實(shí)現(xiàn)情感交流和智能學(xué)習(xí)。

4 展望與未來

6G與5G相比，將改善網(wǎng)絡(luò)性能，整合不同技術(shù)，提高QoS，為超智能社會(huì)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。然而，有些技術(shù)還沒有做好市場(chǎng)準(zhǔn)備，一些技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室或構(gòu)想階段，且6G研制成功前，一些新的技術(shù)與手段也可能被研發(fā)與提出。因此，6G的研發(fā)將是世界各國(guó)在科技領(lǐng)域的一場(chǎng)爭(zhēng)奪戰(zhàn)。