6G無線接入關(guān)鍵技術(shù)

翟立君，王妮煒，潘沭銘，王宣宣

(中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引言

自20世紀(jì)80年代起，移動通信按照10年左右發(fā)展一代的速度完成了從1G到4G的演進(jìn)，2019年起世界各主要國家已陸續(xù)開始5G大規(guī)模商用部署。根據(jù)全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會(Groupe Speciale Mobile Association, GSMA)官網(wǎng)預(yù)測，2025年5G總連接數(shù)將達(dá)到18億，其中亞洲地區(qū)滲透率將達(dá)到50%，北美和歐洲則將分別達(dá)到48%和34%[1]。然而，由于5G還難以滿足人們生產(chǎn)生活中對未來網(wǎng)絡(luò)在全地形全時(shí)泛在覆蓋、精確時(shí)間和相位同步、亞米級定位精度和毫秒級定位速度、面向虛擬現(xiàn)實(shí)及全息影像的Tbit/s服務(wù)速率、確定服務(wù)質(zhì)量以及智能化服務(wù)與決策支持等方面的需求[2]，全球興起了研究6G移動通信技術(shù)的熱潮。本文首先介紹了國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)、第三代合作伙伴計(jì)劃(The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)、電氣和電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)等組織以及世界各國目前在6G領(lǐng)域開展的工作，闡述了6G愿景和主要性能指標(biāo)體系，然后針對無線接入這一核心技術(shù)環(huán)節(jié)，介紹了6G階段新型波形技術(shù)、多址接入技術(shù)、新型編碼技術(shù)以及無蜂窩大規(guī)模MIMO技術(shù)研究和發(fā)展的情況，重點(diǎn)敘述了全頻譜、全覆蓋、內(nèi)生安全、全應(yīng)用及人工智能(Artificial intelligence，AI)等6G新范式的內(nèi)涵、關(guān)鍵技術(shù)以及目前研究重點(diǎn)，最后對6G技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 6G發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國際組織開展的工作

(1) ITU

ITU于2018年7月成立了ITU-T 2030網(wǎng)絡(luò)技術(shù)焦點(diǎn)組(FG NET-2030)，主要針對2030年網(wǎng)絡(luò)需求，研究現(xiàn)有技術(shù)、平臺和標(biāo)準(zhǔn)的差距和挑戰(zhàn)，找出IMT-2020技術(shù)難以滿足的網(wǎng)絡(luò)需求，并制定網(wǎng)絡(luò)2030的愿景、需求、架構(gòu)、用例及評估方法等研究方向。其使命將于2020年結(jié)束，輸出成果將轉(zhuǎn)入新研究周期的未來網(wǎng)絡(luò)研究組(SG13)和信令協(xié)議研究組(SG11)，并將開始涉及6G相關(guān)的技術(shù)儲備[3]。在2020年2月的第34次ITU-R WP5D會議上，ITU正式啟動6G的研究工作，并開始撰寫關(guān)于5G之后的技術(shù)演進(jìn)方向的“未來技術(shù)趨勢報(bào)告”。此外，ITU還計(jì)劃于2021年上半年推出“未來技術(shù)展望建議書”，并于2021年啟動6G愿景研究。

(2) 3GPP

3GPP是全球電信標(biāo)準(zhǔn)的主要制定者。目前，隨著R16版本在2020年7月凍結(jié)，R17的全面啟動，3GPP的5G標(biāo)準(zhǔn)化將日益成熟，其對6G的研究也已經(jīng)提上日程。根據(jù)2019年6月公布的時(shí)間表來看，3GPP將于2023年開始對6G的研究，并將在2025年下半年開始6G標(biāo)準(zhǔn)化工作(計(jì)劃2028年上半年完成)，預(yù)計(jì)2028年下半年將會有6G設(shè)備產(chǎn)品面市。

(3) IEEE

2016年12月，IEEE啟動了IEEE 5G Initiative計(jì)劃，旨在呼吁全球行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者、政策制定者和學(xué)術(shù)界通過一個中立論壇進(jìn)行合作，推動5G的發(fā)展。隨后,該計(jì)劃于2018年8月更名為IEEE Future Networks，主要研究B5G以及6G相關(guān)技術(shù)。2020年9月，IEEE Future Networks公布了國際網(wǎng)絡(luò)世代路線圖(International Network Generation Roadmap，INGR)第一版[4]，用于指導(dǎo)運(yùn)營商、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、制造商以及研究人員等參與開發(fā)5G以及隨后的6G生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)方。INGR第一版公布了應(yīng)用與服務(wù)、邊緣自動化平臺、硬件、大規(guī)模分布式天線、衛(wèi)星、毫米波、安全、標(biāo)準(zhǔn)化模塊及實(shí)驗(yàn)平臺等9個關(guān)鍵技術(shù)趨勢，將影響5G和6G的未來發(fā)展。2019年3月，IEEE發(fā)起第一屆6G無線峰會，共同探討6G愿景和未來無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的研究挑戰(zhàn)和技術(shù)突破。

1.2 主要國家和地區(qū)開展的工作

(1) 美國

美國近年來已將6G放在國家戰(zhàn)略的重要位置，以確保美國在未來信息通信領(lǐng)域中重獲領(lǐng)導(dǎo)地位。2019年2月，美國總統(tǒng)特朗普在推特上呼吁美國要加快科技發(fā)展，通過競爭在5G以及6G領(lǐng)域取得勝利。2019年3月，美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)決定開放面向未來6G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的“太赫茲”頻譜(95 GHz～3 THz)，以供進(jìn)行6G實(shí)驗(yàn)[5]。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)著手6G研發(fā)，建議6G將覆蓋擴(kuò)展到整個地球乃至空間，要更加注重“人類需求”，達(dá)到“IoE3”(無物不互聯(lián)、無人不互聯(lián)、無地不互聯(lián))的愿景。美國紐約大學(xué)無線中心及美國加州大學(xué)的ComSenTer研究中心等多個研究機(jī)構(gòu)也在積極進(jìn)行“太赫茲”等6G關(guān)鍵技術(shù)的研究。

(2) 歐盟

歐盟于2017年開始研發(fā)6G技術(shù)，希望在下一代移動通信關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位。歐盟設(shè)想6G的峰值速率要在100 Gbit/s以上，實(shí)現(xiàn)1 GHz的單信道帶寬，并使用高于275 GHz的太赫茲頻段進(jìn)行通信。歐盟于2017年9月啟動6G基礎(chǔ)技術(shù)研究項(xiàng)目，探索面向6G網(wǎng)絡(luò)的下一代糾錯編碼、高級信道編碼及調(diào)制技術(shù)，預(yù)計(jì)3年完成。在Horizon 2020 ICT-09-2017資助下，歐盟和日本開展了一個名為“超越5G的網(wǎng)絡(luò)研究”項(xiàng)目，主要研究使用100～450 GHz太赫茲頻譜的可能性。通信巨頭諾基亞與奧盧大學(xué)、芬蘭國家技術(shù)研究中心投入巨資開展“6Genesis—支持6G的無線智能社會與生態(tài)系統(tǒng)”項(xiàng)目[5]，研究6G技術(shù)組件演進(jìn)方向，探索可能的6G標(biāo)準(zhǔn)。2019年3月，奧盧大學(xué)與IEEE發(fā)起了首屆全球6G峰會，基于大會專家意見擬定了全球首份6G白皮書[6]。

(3) 韓國

得益于5G時(shí)代扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，韓國希望在6G時(shí)代能夠繼續(xù)保持優(yōu)勢，成為全球首個推出商業(yè)服務(wù)的國家。2018年10月，SK電訊ICT研發(fā)中心的專家提出了太赫茲、無蜂窩架構(gòu)和非地面無線網(wǎng)絡(luò)的未來6G網(wǎng)絡(luò)三大使能技術(shù)。韓國在國家層面非常重視6G技術(shù)的研究，韓國通信與信息科學(xué)研究院于2019年4月召開6G論壇并成立研究小組，總統(tǒng)文在寅在6月出訪歐洲諸國過程中多次與各國首腦商討6G領(lǐng)域的合作，并與芬蘭總統(tǒng)Sauli Niinisto簽訂聯(lián)合開發(fā)6G的協(xié)議。2020年年初，韓國政府宣布與企業(yè)共同投資9 760億韓元，將于2028年在全球率先商用6G[5]。2020年7月14日，三星發(fā)布《下一代超連接體驗(yàn)》6G白皮書[7]，宣稱6G將達(dá)到太級的傳輸速率和微秒級的時(shí)延，并通過AI等技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正的通信與計(jì)算融合，使用戶可以自由地使用網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算能力。白皮書還提出實(shí)現(xiàn)6G服務(wù)須滿足性能、架構(gòu)和可信度三類要求，并通過沉浸式擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、全息圖和數(shù)字孿生等6G服務(wù)將“下一代超連接體驗(yàn)”帶入生活的每一個角落[7]。

(4) 日本

2005年，日本政府已將萬億赫茲(太赫茲)檢測分析技術(shù)確定為“國家支柱技術(shù)十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”中優(yōu)先開發(fā)事項(xiàng)。經(jīng)過多年發(fā)展，日本電報(bào)電話公司(Nippon Telegraph and Telephone，NTT)于2018年7月宣布成功開發(fā)出了面向6G的太赫茲通信技術(shù)，其設(shè)備技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的磷化錮(InP)化合物芯片完成了300 GHz的高速傳輸實(shí)驗(yàn)，當(dāng)采用16QAM調(diào)制時(shí)單載波可達(dá)到6G的峰值速率100 Gbit/s，未來將拓展到多載波，通過多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)和OAM等空間復(fù)用技術(shù)，將支持超過400 Gbit/s的大容量無線傳輸。此外，NTT公司已在超低能耗的光電子融合芯片技術(shù)方面取得進(jìn)展，使超長待機(jī)的6G設(shè)備成為可能。日本政府于2020年1月成立了6G技術(shù)研究會，負(fù)責(zé)制訂6G方面的性能指標(biāo)及國家發(fā)展戰(zhàn)略，并計(jì)劃投入2 200億日元用于6G研究[5]。2020年4月8日，日本總務(wù)省宣布計(jì)劃于2025年完成6G主要技術(shù)研發(fā)，于2027年開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在2030年啟用6G技術(shù)。此外，日本計(jì)劃成立由信息通信研究機(jī)構(gòu)、政府、企業(yè)和高校組成的6G組織，提高日本6G通信基站在世界市場份額中占比，并主導(dǎo)6G國際標(biāo)準(zhǔn)的制定。

(5) 中國

我國的移動通信技術(shù)從1G空白，2G跟隨，3G同步，到4G突破，經(jīng)過多年的積累和發(fā)展在5G時(shí)代已處于引領(lǐng)地位。2019年12月，西班牙錫切斯舉行的3GPP RAN第86次全會上，3GPP公布的5G R17階段23個標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)中近一半由中國企業(yè)牽頭，包含5G需求和核心網(wǎng)設(shè)計(jì)等多個重要的標(biāo)準(zhǔn)化研究課題。我國同樣很早已開始布局6G研究，工業(yè)和信息化部部長苗圩在2018年3月表示我國已著手研究6G。2019年11月3日，科技部會同相關(guān)部委在京召開6G技術(shù)研發(fā)工作啟動會，宣布國家6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組(政府部門組成)和總體專家組(研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和公司組成)成立。2019年，中國華為公司在加拿大渥太華成立了6G研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，目前正處于早期研發(fā)階段。中國三大運(yùn)營商均已開啟6G研發(fā)，中國移動已和清華大學(xué)達(dá)成合作，面向6G技術(shù)等重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行研究；中國電信已啟動主頻為毫米波、次頻為太赫茲的6G技術(shù)研究；中國聯(lián)通成立了毫米波太赫茲聯(lián)合創(chuàng)新中心，開展B5G和6G通信技術(shù)的研究[5]。此外，2019年4月26日，我國毫米波太赫茲產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟在北京成立，開始布局太赫茲通信技術(shù)領(lǐng)域。

2 6G的愿景和性能指標(biāo)

未來，遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動駕駛、遠(yuǎn)程全息顯示、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、智慧城市以及工業(yè)4.0等被大家廣泛期待的新服務(wù)需要依靠近乎實(shí)時(shí)的全球無線連接和更加智能的6G網(wǎng)絡(luò)來支持。目前各組織機(jī)構(gòu)還沒有給出6G的明確定義，荷蘭奧盧大學(xué)公布的6G白皮書中將6G愿景描述為“泛在無線智能(Ubiquitous Wireless Intelligence)”[6]，而ITU Network 2030則將愿景定義為“新媒體、新服務(wù)和新基礎(chǔ)設(shè)施”[8]。我國的研究者則主要將6G愿景歸納成“空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)”“從Sub-6GHz、毫米波、太赫茲到光頻段的全頻譜”“AI和大數(shù)據(jù)支持下的全應(yīng)用”“強(qiáng)安全”等幾個方面[2]。5G與6G技術(shù)指標(biāo)對比如表1所示。

表1 5G與6G技術(shù)指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of 5G and 6G technical indicators

當(dāng)前，一些主流機(jī)構(gòu)和廠商已經(jīng)發(fā)布了6G技術(shù)指標(biāo)的初始草案，均認(rèn)為6G與5G相比，要在大多數(shù)技術(shù)領(lǐng)域保持10～100倍的增長，即6G需要達(dá)到1 Tbit/s的峰值速率，能為特定用例(如工業(yè)控制、自動駕駛)提供低于1 ms的時(shí)延，擁有不高于十億分之一錯誤位的高可靠傳輸能力，且可為海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供大于每平方千米107個節(jié)點(diǎn)的連接密度。

3 無線接入關(guān)鍵技術(shù)

3.1 新型波形技術(shù)

一般的，波形設(shè)計(jì)需考慮整個通信系統(tǒng)，同時(shí)也需要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，比如在5G NR系統(tǒng)所涉及的濾波系數(shù)、幀長、單位時(shí)隙內(nèi)的符號數(shù)以及子載波間隔等。對于6G通信系統(tǒng)來說，單個波形將包含比在5G NR系統(tǒng)中更多的配置參數(shù)，因此需要研究不同的波形處理方法和對新參數(shù)的優(yōu)化方法[9]。

在6G通信系統(tǒng)中，不僅參數(shù)配置的方法和處理難度增加，且在單幀中可能有多個波形共存，從而帶來干擾問題[10]。此外，波形處理技術(shù)需進(jìn)一步提高。在5G NR系統(tǒng)中提出不同數(shù)術(shù)法對波形進(jìn)行處理，通過對波形參數(shù)的優(yōu)化配置來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。6G系統(tǒng)需要更多不同的數(shù)術(shù)法來進(jìn)一步提高參數(shù)配置的靈活性，除了已有的窗口法、濾波法等波形處理技術(shù)外[11]，文獻(xiàn)[12]面向5G演進(jìn)以及6G通信系統(tǒng)，提出了一種非正交波形設(shè)計(jì)方法，以提高系統(tǒng)的頻譜效率。

為求得最優(yōu)的波形參數(shù)，需要將波形參數(shù)配置和資源分配進(jìn)行聯(lián)合處理。當(dāng)波形參數(shù)配置單元和資源分配單元進(jìn)行交替優(yōu)化時(shí)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)，在波形參數(shù)配置之間可以建立起有用且隱匿的關(guān)系，而不需要啟發(fā)式的工程設(shè)計(jì)和理論分析。同時(shí)，該方法也可以提高優(yōu)化的性能。由于6G通信系統(tǒng)會涉及很多潛在的新波形參數(shù)，因此在參數(shù)優(yōu)化配置過程中，如何基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)訓(xùn)練和制定相應(yīng)的學(xué)習(xí)規(guī)則對6G的波形設(shè)計(jì)來說也是一個重要的挑戰(zhàn)[10]。它不僅需要考慮多波形之間的干擾因素，也需要探索能同時(shí)滿足干擾管理機(jī)制且兼顧新的波形處理技術(shù)和配置參數(shù)優(yōu)化的新框架。

如前所述，未來6G網(wǎng)絡(luò)的峰值速率有望達(dá)到100 Gbit/s～1 Tbit/s。正交時(shí)間頻率空間調(diào)制技術(shù)(Orthogonal Time Frequency Space Modulation, OTFS)是一種新型的將數(shù)據(jù)符號調(diào)制到時(shí)延-多普勒域的二維調(diào)制技術(shù)，它將信號調(diào)制到時(shí)延-多普勒域，將時(shí)延多徑信道轉(zhuǎn)換到時(shí)延-多普勒域，可以有力地支持未來無線通信系統(tǒng)中高移動性的場景。它比傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)的復(fù)雜度低，可以作為6G中高速移動通信場景下的候選方案。OTFS可以看作是在收發(fā)端進(jìn)行了一系列的轉(zhuǎn)換，其詳細(xì)的調(diào)制方法如圖1所示[13]。

圖1 OTFS調(diào)制方法流程圖Fig.1 OTFS madulation method flow chart

3.2 多址接入技術(shù)

多址接入技術(shù)是移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，通過使多個用戶接入并共享相同的時(shí)頻資源來提高頻譜效率。前幾代移動通信系統(tǒng)已經(jīng)分別提出了不同的多址接入技術(shù)，比如時(shí)分多址(Time Division Multiple Address，TDMA)、頻分多址(Frequency Division Multiple Address，F(xiàn)DMA)、碼分多址(Code Division Multiple Address，CDMA)及空分多址(Space Division Multiple Address，SDMA)等。由于這些技術(shù)分別是在時(shí)/頻/碼/空域內(nèi)給接收端用戶進(jìn)行正交地分配通信資源，因此容易造成資源浪費(fèi)，難以滿足6G通信中超大容量、超低時(shí)延和超連接的性能需求[14]。

當(dāng)前，非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)技術(shù)被業(yè)界看作是后5G和6G無線通信網(wǎng)絡(luò)的潛在多址接入技術(shù)，該技術(shù)是以正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過功率復(fù)用或者特征碼本設(shè)計(jì)，使多個用戶占用相同的時(shí)間、空間及頻譜等資源，從而顯著提升頻譜效率[15]。文獻(xiàn)[15]研究了復(fù)雜度受限下NOMA設(shè)計(jì)的理論模型，并考慮NOMA與MIMO技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，同時(shí)給出該系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[16]面向5G和未來6G通信系統(tǒng)，考慮將NOMA與毫米波通信技術(shù)相結(jié)合，以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的通信容量。文獻(xiàn)[17]面向6G感知物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，提出了一種基于非正交多址技術(shù)的復(fù)合頻譜感知方法。

極化碼是一種可達(dá)信道容量的高性能編碼，已被看作是未來6G通信中信道編碼的重要候選方案，因此將極化編碼技術(shù)引入6G無線通信系統(tǒng)，研究面向6G的極化編碼NOMA技術(shù)也得到了關(guān)注。文獻(xiàn)[18]提出了面向6G的極化編碼NOMA技術(shù)框架，通過理論分析和方針驗(yàn)證指出極化編碼NOMA技術(shù)可以以一種“智簡”的方式應(yīng)對在6G多樣化場景下所面對的超高可靠性、超高頻譜效率、超大連接的技術(shù)挑戰(zhàn)，是滿足未來6G移動通信需求的重要候選方案。文獻(xiàn)[19]將極化碼與NOMA技術(shù)結(jié)合，介紹了極化編碼NOMA的系統(tǒng)架構(gòu)，提出了提高6G系統(tǒng)容量的基本方案。

可以說NOMA是下一代6G移動通信的代表性多址技術(shù)。文獻(xiàn)[20]提出了6G無線通信系統(tǒng)的3種典型的應(yīng)用場景。未來需要針對6G不同的場景需求，對NOMA的總體架構(gòu)及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深一步的研究和優(yōu)化處理。

3.3 新型編碼技術(shù)

信道編碼，也就是差錯控制編碼，通過在發(fā)送端增加與原數(shù)據(jù)相關(guān)的冗余信息，再在接收端利用此相關(guān)性進(jìn)行檢測和糾正傳輸過程中產(chǎn)生的錯誤，從而對抗傳輸過程中的干擾。基于信道編碼可以實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)恼`比特率。為了滿足更高可靠性、更低的時(shí)延和更高吞吐量的需求，探索新型的信道編碼技術(shù)對6G移動通信來說極其重要。目前業(yè)界已經(jīng)對此展開了大量的研究。

在過去的幾十年里，隨著對Turbo碼、LDPC碼和極化碼的不斷研究，很多以此為基礎(chǔ)的信道編碼方法也得到了廣泛關(guān)注。它們不僅可以無限逼近于香農(nóng)極限，并且在糾錯能力、碼率和碼字長度重構(gòu)、支持混合自動重傳請求的能力以及復(fù)雜性方面都取得了很好的特性。特別是LDPC碼，由于其在編碼速率、編碼長度和譯碼時(shí)延方面的靈活性以及可以方便地支持混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ)的能力，已經(jīng)被用于保護(hù)5G標(biāo)準(zhǔn)里制定的增強(qiáng)移動寬帶(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)應(yīng)用場景下的數(shù)據(jù)信道。在5G標(biāo)準(zhǔn)里，也將BC-LDPC(Block Code LDPC)碼用于數(shù)據(jù)信道，將極化碼用于控制信道。但BC-LDPC碼在碼長較短和碼率較低時(shí)的性能比較差，而極化碼在碼長較長時(shí)的譯碼復(fù)雜度比較高。

考慮到6G更高傳輸速率、更低時(shí)延和更高吞吐量的需求，基于LDPC編碼的CC-LPDC(Conventional Code LDPC)則具有很大的潛在性。CC-LDPC的編碼結(jié)構(gòu)與卷積碼非常相似[21]。與BC-LDPC碼相比，CC-LDPC能夠?qū)崿F(xiàn)較低的誤碼率、更低的譯碼時(shí)延，同時(shí)具有更低的譯碼復(fù)雜度，可以更好地應(yīng)用于6G無線移動通信[22]。

為了進(jìn)一步提高頻譜有效性，在6G無線通信中，將已有的信道編碼方法與高階調(diào)制相結(jié)合的方法也值得進(jìn)一步關(guān)注。文獻(xiàn)[23]基于非二進(jìn)制LDPC信道編碼，在8QAM和32QAM調(diào)制基礎(chǔ)上，研究了一種新穎的時(shí)序共享混合概率映射方法，并通過仿真結(jié)果證明該方法的可靠性高、靈活性好，可以應(yīng)用于6G無線通信。與文獻(xiàn)[24]類似，文獻(xiàn)[25]基于非二進(jìn)制LDPC信道編碼，進(jìn)一步研究了128QAM的時(shí)序共享混合概率映射方法，并通過仿真驗(yàn)證其特性，表明其應(yīng)用于6G無線通信的潛在性。文獻(xiàn)[26]通過介紹滿足6G通信傳輸需求的極化編碼原理與傳輸技術(shù)，展望了極化碼在6G數(shù)據(jù)信道中的應(yīng)用前景，并提出了極化處理的基本框架。

此外，當(dāng)前業(yè)界的普遍觀點(diǎn)是智能化將貫穿6G網(wǎng)絡(luò)的每個環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)一個全自動化的網(wǎng)絡(luò)體系，因此需要基于現(xiàn)有的信道編碼理論，綜合考慮6G通信場景中更為復(fù)雜的信息傳輸特性，在已有的信道編碼方法上，結(jié)合相關(guān)的AI關(guān)鍵技術(shù)，研究新的智能信道編碼機(jī)制[25]。

3.4 無蜂窩大規(guī)模MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用，通過部署多根天線，極大提升了無線鏈路傳輸?shù)挠行院涂煽啃裕请S著運(yùn)營商和用戶需求的急劇增加，頻譜資源顯得尤為匱乏。相較于傳統(tǒng)多用戶多天線技術(shù)，大規(guī)模MIMO技術(shù)[27]主要特征是在基站配置大量數(shù)目天線(幾十、幾百甚至上千)且同時(shí)為多個用戶服務(wù)，理論結(jié)果表明，當(dāng)天線數(shù)目增大到無窮時(shí)，大規(guī)模 MIMO 具有信道硬化效應(yīng)，能夠大幅度提升系統(tǒng)的頻率效率、能量效率和可靠性，成為未來通信中革命性技術(shù)之一。

隨著一代代通信系統(tǒng)的更迭，基站部署越來越密集，導(dǎo)致基站小區(qū)間干擾和頻繁越區(qū)切換等問題越來越嚴(yán)重，使得系統(tǒng)性能的提升遇到瓶頸。為解決這些瓶頸問題，T. L. Marzetta和E. G. Larsson等學(xué)者提出了無蜂窩大規(guī)模MIMO技術(shù)[28]，即在一個較大區(qū)域內(nèi)隨機(jī)放置大量的低發(fā)射功率的接入點(diǎn)(Access Points，APs)，且配置一根或多根天線，APs通過回程鏈路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚韱卧?Central Processing Unit，CPU)，并利用相同的時(shí)頻資源為多個用戶提供服務(wù)。無蜂窩大規(guī)模MIMO綜合了分布式天線系統(tǒng)和集中式大規(guī)模MIMO的優(yōu)點(diǎn)，相較于分布式天線系統(tǒng)，無蜂窩大規(guī)模MIMO回程開銷小，不需要基站間協(xié)作所需的額外導(dǎo)頻資源、復(fù)雜預(yù)編碼設(shè)計(jì)及調(diào)度等，且對時(shí)間同步要求不高；而相較于集中式大規(guī)模MIMO，無蜂窩大規(guī)模MIMO覆蓋范圍大，越區(qū)切換頻率低。無蜂窩大規(guī)模MIMO采用“以用戶為中心”的思想，通過減少APs和用戶間的距離，降低路徑損耗，獲得空間分集增益；同時(shí)，利用大量APs的傳播減少用戶干擾，大幅提升用戶體驗(yàn)，研究表明，128×128配置的無蜂窩大規(guī)模 MIMO在100 MHz帶寬下可實(shí)現(xiàn) 10 Gbit/s數(shù)據(jù)速率[29]。

雖然無蜂窩大規(guī)模MIMO可在一定程度上降低小區(qū)間干擾，但用戶間干擾仍然不可忽視。為降低復(fù)雜度，一般采用簡單的共軛波束賦形(Conjugate Beamforming，CB)和迫零(Zero Forcing，ZF)算法，CB算法實(shí)現(xiàn)簡單且具有很小的回程要求，但會帶來更多的用戶間干擾；而ZF算法回程要求高且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，當(dāng)用戶采用完全正交的導(dǎo)頻序列時(shí)，ZF算法可以提升無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能，降低用戶間干擾[30]。通過對導(dǎo)頻信號進(jìn)行下行波束賦形，可以提升系統(tǒng)下行性能[31]。所有上述工作基于APs配置單天線，如果APs配置多根天線，可以增加分集和陣列增益，同時(shí)降低回程要求。

無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)對回程鏈路有更多要求，這無形中增加了總功率消耗，可能帶來頻譜效率增益的降低。隨著無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模迅速擴(kuò)大，為滿足越來越高的數(shù)據(jù)速度需求，網(wǎng)絡(luò)能量效率已經(jīng)變得越來越重要，因此，能量效率也是6G通信系統(tǒng)的重要性能，無蜂窩大規(guī)模MIMO的能量有效性研究至關(guān)重要。文獻(xiàn)[32]提出在不需要額外增加頻率帶寬的情況下，采用最大-最小功率控制方法可有效節(jié)省無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能量；文獻(xiàn)[33]基于一種創(chuàng)新分析模型得到無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行性能閉式解，并當(dāng)APs服從泊松分布時(shí)，在頻率效率和發(fā)射功率受限情況下，基于隨機(jī)幾何得到系統(tǒng)最大能量效率及其最優(yōu)解；無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行非理想傳輸中，考慮單用戶服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)和單AP傳輸功率受限情況下，文獻(xiàn)[34]提出一種基于ZF預(yù)編碼的低復(fù)雜度功率控制技術(shù)，在提高能量效率的同時(shí)降低用戶間干擾。眾所周知，能量效率會受到信道估計(jì)、功率控制、AP選擇策略、硬件及回程功率損耗等多方面影響，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)這些因素來降低無蜂窩大規(guī)模MIMO能量效率還有待進(jìn)一步研究。

4 6G新范式

4.1 全頻譜

繼Sub-6GHz以及24.25～52.60 GHz的毫米波頻段在5G階段分別列為可用FR1、FR2頻段后，6G開始探索更高頻率太赫茲頻段的應(yīng)用。太赫茲是指頻率范圍0.1～10 THz頻段、波長3 mm～30 μm的電磁波[21]，其具有可用帶寬大、可穿透沙塵、煙霧和跟蹤相對激光通信更為簡單的特點(diǎn)，在與毫米波和激光通信競爭中獲得了極大的比較優(yōu)勢，是下一階段支撐100 Gbit/s及以上速率量級通信的主要技術(shù)手段。太赫茲在6G中除了應(yīng)用于終端的無線接入之外，還可用于6G基站的高速無線回程以及機(jī)房設(shè)備間的高速無線總線場景，具有廣闊的應(yīng)用場景。

目前，太赫茲通信的研究仍處于點(diǎn)到點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室研究階段，大規(guī)模工程應(yīng)用還面臨著太赫茲源、功率器件以及天線等一系列制約。在太赫茲信號源和調(diào)制方面，目前結(jié)合通信應(yīng)用可分為電子學(xué)和光學(xué)兩個途徑。文獻(xiàn)[35]提出了一種肖特基二極管的次諧波混頻的超外差接收機(jī)，通過一個Ka頻段的本振源多次倍頻后信號作為混頻器的輸入，然后利用方向并聯(lián)肖特基二級管的輸出電流只有偶次諧波[36]的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)2或4倍頻太赫茲頻段載波信號。這種方案的主要問題在于具有較大的變頻損耗，后繼需要通過多級的功放實(shí)現(xiàn)輸出，但其相位噪聲等性能明顯優(yōu)于多次倍頻直接輸出載波方案[37]，且易于QAM、APSK等調(diào)制相結(jié)合。在光學(xué)途徑方面，大多是通過改變材料的物理學(xué)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)調(diào)制、可達(dá)傳輸速率較低，例如文獻(xiàn)[38]提出了一種利用激光動態(tài)改變有機(jī)聚合物非線性光學(xué)晶體的太赫茲信號透射率方案實(shí)現(xiàn)了1.26 MHz的調(diào)制。在太赫茲功率器件方面，基于InP工藝的固態(tài)功放輸出可達(dá)50 mW(220 GHz)量級[39]，行波管功放雖然輸出可達(dá)數(shù)W，但存在電源體積大、涉及高壓電路且功率效率低等問題，構(gòu)建高速、遠(yuǎn)距離傳輸以及高集成太赫茲通信系統(tǒng)仍然面臨較大挑戰(zhàn)。由于太赫茲信號波束窄(約為毫弧度量級)，支持波束掃描的相控陣天線、超表面天線[40]和液晶天線[41]也是當(dāng)前攻關(guān)的熱點(diǎn)。

作為6G全頻譜概念另一個重要組成部分的光通信主要包括自由空間光通信(Free Space Optical Communications, FSO)、可見光通信(Visible Light Communication, VLC)以及光學(xué)相機(jī)通信(Optical Camera Communication, OCC)，其具有快速安全、健壯高效以及頻譜資源比射頻高出3個數(shù)量級等優(yōu)勢。FSO[42]是以激光為載波來信息傳輸?shù)姆绞剑捎谄浯嬖诠獠ㄊh(huán)境振動和外界擾動明顯、易受大氣湍流等問題，需要突破激光束準(zhǔn)直、精確跟蹤控制、高效激光放大以及高效信道編碼等關(guān)鍵技術(shù)。目前，F(xiàn)SO技術(shù)路線主要包括強(qiáng)度調(diào)制/直接探測光通信(IM/DD)[43]和相位調(diào)制/相干探測光通信系統(tǒng)[44]。前者具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的優(yōu)勢，后者在相同碼速率和誤碼率條件下較IM/DD可將探測靈敏度提高至少一個數(shù)量級，更有利于降低功率需求和終端體積。VLC[45]是一種利用照明發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED) 作為發(fā)射光源，并通過光強(qiáng)度調(diào)制和直接探測方法實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)囊环N通信方式，其具有兼顧照明和傳輸、無電磁干擾以及發(fā)射功率大等優(yōu)勢。由于照明LED光源的調(diào)制帶寬較窄，且需要對抗環(huán)境復(fù)雜性帶來的多徑傳輸效應(yīng)，VLC需要結(jié)合OFDM以及MIMO技術(shù)來獲得較高的頻譜效率[46]。OOC[47]是VLC的一個分支，差異在于OCC借助智能手機(jī)的攝像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)接收，并利用CMOS圖像傳感器卷簾快門特征實(shí)現(xiàn)RGB三色傳感器逐行曝光、記錄信息來實(shí)現(xiàn)接收。

4.2 全覆蓋

利用衛(wèi)星、臨近空間飛行器(無人機(jī)或者飛艇)來拓展覆蓋、構(gòu)造天地融合網(wǎng)絡(luò)是6G實(shí)現(xiàn)全球泛在通信的一個核心技術(shù)手段。3GPP從R14階段就開始關(guān)注衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡(luò)融合問題。R16階段3GPP提交了新提案TR38.821[48]，包括針對典型場景的鏈路級和系統(tǒng)級性能仿真驗(yàn)證、NTN對5G物理層的影響、層2和層3的可選解決方案以及研究無線接入網(wǎng)的框架和對應(yīng)的接口協(xié)議。在2019年12月西班牙錫切斯舉行的會議上，3GPP公布了R17階段的23個標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)，其中5G非地面網(wǎng)絡(luò)由法國公司泰雷茲(Thales)牽頭，而NB-IOT與eMTC的非地面網(wǎng)絡(luò)由臺灣公司聯(lián)發(fā)科(Mediatek)和歐洲通信衛(wèi)星公司(Eutelsat)共同牽頭。根據(jù)R17的時(shí)間表“NR over NTN”將持續(xù)到2021年第1季度，“基于非地面網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IOT over NTN)”計(jì)劃于2021年初啟動，于2021年6月結(jié)束。與此同時(shí)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自身的發(fā)展也非常迅速，作為代表的美國Starlink星座截至2020年10月已經(jīng)完成了14次發(fā)射，在軌衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到895顆，初步公布服務(wù)資費(fèi)為99美元/月，試驗(yàn)速率達(dá)到150 Mbit/s。在臨近空間飛行器方面，據(jù)報(bào)道2020年1月，中國移動聯(lián)合華為完成全球首個無人機(jī)5G高空基站應(yīng)急通信測試，高空無人機(jī)基站飛行200 m高空時(shí)覆蓋能力超過6.5 km。2017年9月，中科院電光研究院在內(nèi)蒙古首飛成功一顆超壓氣球，承重達(dá)到150 kg，飛行高度達(dá)到25 km，為未來基站長時(shí)滯空提供了條件。

天地一體、多維度立體覆蓋的主要難點(diǎn)在于相較于地面基站，衛(wèi)星或者臨近空間飛行器具有移動性，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、基站的覆蓋以及基站間相互的干擾都具有時(shí)變特征，且這些平臺的供電、載重以及器件處理能力都受到明顯的限制。在空中接口設(shè)計(jì)方面，必須考慮到衛(wèi)星軌道運(yùn)動與無人機(jī)飛行造成多普勒效應(yīng)以及動態(tài)時(shí)變的星地/空地延時(shí)[49]對子載波間干擾、同步和HARQ帶來的影響，以及更為嚴(yán)格的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)限制。在多址方面，為了支撐物聯(lián)網(wǎng)海量終端應(yīng)用，非正交多址在星地鏈路中的應(yīng)用得到了重視[50]，但仍需考慮衛(wèi)星用戶間通常無法實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步、同一個波束內(nèi)的多用戶間功率差異小等因素對算法設(shè)計(jì)的影響，并能與當(dāng)前衛(wèi)星廣泛采用的跳波束技術(shù)[51]結(jié)合在一起。干擾是星地協(xié)同覆蓋必須考慮的另一個重要問題。在寬帶衛(wèi)星通信的場景中，不僅要考慮與其他系統(tǒng)LEO、GEO之間的干擾，還要考慮自身未來多個軌道之間、不同衛(wèi)星間以及星地的干擾。目前與GSO的干擾協(xié)調(diào)有效方案是利用NGSO與GSO衛(wèi)星軌道高度差產(chǎn)生的俯仰漸進(jìn)隔離角避免干擾[52]，簡單地說主要是避免被干擾對象落入衛(wèi)星與終端之間連線或者連線延長線為軸的圓錐體內(nèi)，錐體的底半徑取決于干擾的門限。這一方法也適用于不同NGSO系統(tǒng)之間以及自身多顆衛(wèi)星之間的干擾協(xié)調(diào)，前提是對被干擾衛(wèi)星的軌道進(jìn)行精確估計(jì)。最后，在架構(gòu)方面，由于LEO星座的拓?fù)渲芷谛缘淖兓痆53],星載網(wǎng)元與地面網(wǎng)元實(shí)體之間的路由變化、支撐虛擬化底層多種處理資源之間互聯(lián)關(guān)系的變化以及用戶與網(wǎng)絡(luò)設(shè)施之間的相對位置變化對未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

除了使用天基節(jié)點(diǎn)滿足海洋表面應(yīng)用需求之外，水聲通信[54]在解決水面下覆蓋較藍(lán)綠激光通信、中微子通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、信號下潛深、成本相對較低的突出優(yōu)勢。根據(jù)研究，帶寬50 kHz的聲波在水下衰減為10-2～10-4dB/m，而聲速度是溫度、深度與鹽度的函數(shù)[54]，這使聲音信號可以傳遞至數(shù)百米深度或者數(shù)十千米外的水下目標(biāo)。目前水聲通信的難點(diǎn)在于速率不高，且需要解決水下環(huán)境多變、信道條件復(fù)雜導(dǎo)致的多徑和時(shí)變衰落問題。

4.3 內(nèi)生安全

網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的安全性主要依賴于位級加密技術(shù)和不同層級的安全協(xié)議，這些解決方案采用的都是‘補(bǔ)丁式’‘外掛式’的設(shè)計(jì)思想[55]。為了解決面臨的安全挑戰(zhàn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就植入防御機(jī)制，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)體自身的“免疫力”，物理層安全通信、量子密鑰分發(fā)以及區(qū)塊鏈與通信技術(shù)可望成為未來實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生安全的有效途徑。

物理層安全技術(shù)源于Wyner提出的竊聽信道模型[56]，其模型表示當(dāng)且僅當(dāng)竊聽者的信道條件較合法接收者差時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)物理層安全，即竊聽者無法獲取任何有效信息。后面的研究根據(jù)這一原理充分利用無線通信中各種因素(噪聲、衰落及干擾等)，來構(gòu)建合法接收者的優(yōu)勢信道，使信道質(zhì)量差異大于“安全間隙”并結(jié)合安全編碼[57]等手段實(shí)現(xiàn)安全傳輸。在優(yōu)勢信道構(gòu)建方面，人工噪聲[58]是合法接收者利用一部分功率來注入一個干擾信號，干擾和阻礙竊聽接收端的接收。面向波束成型的物理層安全技術(shù)是將信號指向合法接收者，例如基于天線陣列空間自由度進(jìn)行波束賦形[59]。在安全編碼方面，因?yàn)闃O化碼的編碼過程為信道極化過程，與信道特征天然契合(比如可以將保密信息映射到合法接收者質(zhì)量好而竊聽者質(zhì)量差的輸入位)，因而成為當(dāng)前安全編碼研究的熱點(diǎn)[60]。

量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution， QKD)是利用量子的不確定性以及不可克隆等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)密鑰安全分發(fā)的通信技術(shù)，其原理不依賴于數(shù)學(xué)復(fù)雜性，因而具有極強(qiáng)的安全性。QKD可基于光纖也可以基于無線光通信實(shí)施。BB84[61]是QKD最為成熟的分發(fā)協(xié)議，其利用單光子的偏振現(xiàn)象在量子信道中傳遞信息。2012年起，為解決針對探測設(shè)備的攻擊，業(yè)界進(jìn)一步提出了基于時(shí)間反演糾纏協(xié)議的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議(Measurement Device Independent QKD,MDI QKD)[62]，后繼的實(shí)驗(yàn)研究大多是基于MDI-QKD的。目前據(jù)報(bào)道，2018年底日本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10 Mbit/s的高速Q(mào)KD實(shí)驗(yàn)。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種綜合分布式存儲、點(diǎn)到點(diǎn)傳輸、新型共識機(jī)制及加密算法等多種技術(shù)的一種新型技術(shù)。區(qū)塊鏈利用許多現(xiàn)成的加密機(jī)制，加密地將用戶偽身份與標(biāo)記資產(chǎn)交易聯(lián)系在一起，并創(chuàng)造性地建立一種共識機(jī)制，可以在大量無信任節(jié)點(diǎn)間提供關(guān)于全局分類賬-數(shù)據(jù)狀態(tài)的共識[63]，具有數(shù)據(jù)不可篡改、操作受監(jiān)督及無需高成本處理中心等突出優(yōu)勢，可為6G安全提供支撐。目前區(qū)塊鏈在6G中的應(yīng)用研究主要集中在頻譜智能安全共享[64]和在物聯(lián)網(wǎng)中提供分布式安全機(jī)制并設(shè)計(jì)輕量化的算法[65]。

4.4 全應(yīng)用和AI

豐富多彩的應(yīng)用是推動移動信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的核心動力，未來6G的泛在、高速、低延時(shí)以及確定性的服務(wù)質(zhì)量保障可望有效賦能以下領(lǐng)域的發(fā)展：① 虛擬現(xiàn)實(shí)，包括VR(Virtual Reality)、AR(Augmented Reality)和MR(Mixed Reality)，支撐全息顯示應(yīng)用，研究如何利用云計(jì)算解決降低用戶使用成本、并解決帶來的延時(shí)等服務(wù)質(zhì)量問題[66], 2019年中國信息通信研究院聯(lián)合多家單位共同發(fā)布了《5G云化虛擬現(xiàn)實(shí)白皮書》[67]；② 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等, 3GPP組織在R16階段為垂直行業(yè)應(yīng)用立項(xiàng)了多個標(biāo)準(zhǔn)[68]，后繼6G還將根據(jù)需求進(jìn)一步強(qiáng)化對智能制造、社會治理的支撐；③ 車聯(lián)網(wǎng)，支持可靠的車與萬物相連(Vehicle to Everything, V2X)，支持無人機(jī)與地面控制器之間的通信，構(gòu)建新一代智慧交通網(wǎng)絡(luò)；④ 其他，如AI助理、數(shù)字孿生[69]等。智慧內(nèi)生是支撐未來6G 全頻譜、全覆蓋、全應(yīng)用的核心關(guān)鍵要素。目前，在無線接入層面，AI可用于解決大連接場景、復(fù)雜信道下頻譜共享[70]、自適應(yīng)傳輸[71]和優(yōu)化多址[72]。在網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層面，AI可用于智能QoS保障[73]、資源分配[74]、云計(jì)算優(yōu)化[75]和安全保障[76]。

5 未來展望

如果說5G時(shí)代可以實(shí)現(xiàn)信息的泛在可得，6G應(yīng)在5G基礎(chǔ)上全面支持整個世界的數(shù)字化，并結(jié)合AI等技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智慧泛在可得、全面賦能萬事萬物[77]。隨著技術(shù)攻關(guān)的進(jìn)展，預(yù)計(jì)到2030年6G網(wǎng)絡(luò)可望進(jìn)入商用階段，構(gòu)建起承載下一步人類社會數(shù)字發(fā)展轉(zhuǎn)型任務(wù)的新一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，達(dá)到實(shí)現(xiàn)全地形、全空域、全時(shí)域的低延遲、敏捷按需和可靠安全的服務(wù)能力，真正實(shí)現(xiàn)泛在隨心、智慧隨行、萬物互聯(lián)的發(fā)展愿景。