面向6G全場景的多頻段協同覆蓋擴展技術

韓書君/HAN Shujun，董晴/DONG Qing，許曉東/XU Xiaodong

（北京郵電大學，中國 北京 100876）

隨著5G商用及其在社會各個領域的滲透，移動通信已為全球80%的用戶提供移動通信服務。受限于覆蓋能力和建設成本等因素，目前移動通信網絡只覆蓋了約20%的陸地面積、小于6%的地表面積，尚未達到全球覆蓋的目標。未來6G業務對覆蓋能力提出了全面的需求，包括應用場景從單場景向多場景擴展，基礎設施從平面到立體、從局部到全球、從中低頻段向更高頻段擴展等。無線覆蓋能力的擴展成為6G的主要挑戰之一。為了滿足6G系統的多樣化需求，有效地重新利用低、中、高頻段頻譜資源至關重要。針對如何在6G網絡時空尺度跨度大、全場景業務質量差異大、超密集覆蓋能耗大等關鍵挑戰下實現容量和能效約束下的覆蓋能力擴展，我們從面向全場景的多頻段協同覆蓋擴展技術角度展開研究。

1 6G愿景及無線覆蓋擴展需求

1.1 6G愿景及典型應用場景

目前，雖然業界對6G移動通信的相關研究正處于百家爭鳴的預研階段，但已有了大概的愿景，可概括為：物理世界、數字世界、生物世界和泛在智能的融合，即“萬物智聯、數字孿生”?；谛畔?、通信與數據融合技術構建的軟硬件基礎設施，未來6G網絡業務將呈現數字化、智能化、精準化、情景化、個性化、沉浸化等全新發展趨勢。相比于5G時代典型的三大應用場景，增強型移動寬帶（eMBB）、高可靠低時延通信（URLLC）和大規模機器類型通信（mMTC），6G典型應用場景更加多樣化（如圖1所示），涵蓋沉浸式云擴展現實（XR）、全息通信、感官互聯、智慧交互、通信感知、普惠智能、數字孿生、全域覆蓋八大業務應用場景。6G應用場景對通信網絡的體系架構、覆蓋、速率、帶寬、時延等提出了新需求。

圖1 網絡需支撐的潛在全場景業務[2]

1.2 6G無線覆蓋擴展需求

覆蓋是移動通信基礎指標，頻譜是無線通信的核心資源。覆蓋、頻譜、容量和能效之間存在著互相約束的復雜關系。我們可以從6G全場景覆蓋擴展的角度來提煉這些應用場景的網絡覆蓋能力需求，具體包括移動寬帶在空間、地面的服務能力，在熱點區域提供的超高容量，以及針對垂直行業與物聯網連接特性等服務能力的拓展。我們可以將這些需求總結概括為廣域覆蓋、連續覆蓋以及深度覆蓋，如圖2所示。未來6G在高速率、低時延、高可靠、高密度、廣覆蓋等方面同步擴展無線覆蓋時面臨著巨大挑戰。因此，我們需要進一步考慮擴展且具有業務針對性的覆蓋能力，以有效地支撐新服務新業務所需覆蓋，保障通信以及新功能。5G重點關注了流量密度和連接密度等覆蓋指標。隨著6G的演進，如何在時空尺度跨度大、全場景業務質量差異大、超密集覆蓋能耗大等關鍵挑戰下實現容量和能效約束下的覆蓋能力擴展成為6G無線覆蓋的核心難題。

圖2 6G全場景覆蓋擴展需求

為了有效地支撐更為寬廣的新服務與新場景所需的覆蓋，未來6G網絡將在極致低時延高可靠、泛在海量連接、感知與定位等關鍵挑戰下，基于無線覆蓋擴展新架構，支持全場景業務。這樣可以實現廣度覆蓋能力與深度覆蓋能力按需覆蓋、全場景與大動態業務質量一致性保障、高容量與高能效組網需求有機融合，以及空天地立體協同、全頻段高效利用和通信計算融合基礎上的6G網絡無縫覆蓋。特別地，需要針對6G全場景業務有針對性地擴展6G無線網絡的覆蓋能力，包括容量與覆蓋能力的雙提升、服務與業務質量的連續性以及雙提升基礎上的高能效。

2 多頻段協同覆蓋特點

傳統移動通信主要針對人口密集區域提供網絡覆蓋，且覆蓋半徑有限，而6G將支持天地融合全域覆蓋，大幅提升小區覆蓋，預計將實現Tbit/s的傳輸速率，這意味著將需要大量的頻譜資源。作為“最后一米”的側行鏈路，短距通信將利用毫米波、太赫茲等高頻段提供極致無線連接，重點滿足短距通信超高吞吐、超低時延和超低功耗的系統需求。沉浸式云XR、全息通信、全新的元宇宙接口等業務場景，都可以通過短距通信實現從有線到無線的躍遷，實現自由移動以及真正的沉浸式體驗。因此，未來6G無線網絡將充分利用低中高全頻譜資源。其中，中低頻段將提供基礎覆蓋，毫米波、太赫茲和可見光等高頻段按需高效利用，主要應用于高容量、高速率場景中。多頻段協同融合覆蓋技術可以實現空天地一體化的全球無縫覆蓋，隨時隨地滿足安全可靠的“人機物”無限連接需求。

2.1 中低頻段：Sub-6 GHz

Sub-6 GHz頻段主要是指工作頻率在450～6 000 MHz以下的6 GHz以下頻段，用于提供廣域覆蓋和深度覆蓋。根據第3代合作伙伴計劃（3GPP）的劃分，5G新空口（NR）主要包括兩大頻譜范圍：Sub-6 GHz頻段和毫米波頻段。2.1 GHz和3.5 GHz頻段的協同組網是5G網絡覆蓋容量雙提升的重要手段。然而，隨著移動通信賦能數字產業化和產業數字化的發展，面向企業（ToB）業務的大上行、端到端服務保證需求使得其對上行吞吐量的要求越來越高。美國聯邦通信委員會建議6G頻段應考慮高于5G，如95 GHz～3 THz，但是高頻段意味著高成本。因此，如何重耕低頻段并重新審視低頻段的使用方法，利用中低頻段與毫米波頻段協同組網，實現6G網絡覆蓋和容量的雙提升，是一個亟待解決的問題。

2.2 毫米波

5G NR高頻段的頻率范圍為24.25～52.6 GHz。與Sub-6 GHz頻段相比，毫米波雖然具有較高的穿透和路徑損耗（每千米的路徑損耗為數十分貝）等缺點，但是可提供數百倍的帶寬，滿足下行高速傳輸的需求。大規模陣列天線及數字+模擬方式的波束賦形技術，可降低高頻密集組網的蜂窩系統小區間干擾。為了實現更好的網絡性能，我們可利用毫米波頻段進行微小區按需靈活部署。這不僅可以與低頻段混合組網，提供大帶寬和高速率的公網服務，還可以將部分頻點單獨規劃，滿足行業專網大帶寬、低時延和安全可靠的網絡需求。但利用毫米波頻段難以實現連續覆蓋組網。如何利用智能有源中繼器或有/無源智能反射面，擴展毫米波通信的傳輸距離和覆蓋范圍，仍待進一步研究。

2.3 太赫茲

太赫茲作為6G技術候選頻段之一，頻段在0.1～10 THz范圍內。相比于現有的通信技術手段，太赫茲通信技術除了具有豐富的頻譜資源和高速數據傳輸能力以外，在空間組網通信中具有更強的跟蹤捕獲能力，更強的抗干擾、抗截獲能力。另外，其具備的克服臨近空間通信黑障能力，可以為臨近空間高速飛行器提供測控通信手段。然而，太赫茲覆蓋范圍受限，更適用于短距離通信，如地面超高速無線移動場景、高速無線回傳場景、無線數據中心場景、短距離保密無線通信、空間無線通信等特定應用場景。因此，6G需要從軟硬件角度綜合考慮，進一步設計低成本、低功耗、低復雜度的太赫茲通信系統和高頻通信組網策略，進而提升太赫茲通信效率和覆蓋性能。

2.4 可見光

可見光無線通信的工作頻段范圍在400～800 THz。與目前的移動通信網絡相比，可見光通信具有寬帶高速、泛在覆蓋、安全兼容、融合包容、綠色節能五大獨特優勢，其在室內環境中更是先天具有廣覆蓋的優勢?？梢姽馔ㄐ偶夹g的應用橫跨空天地海立體網絡，這導致其傳輸信道異常復雜，信號在經過傳輸的過程中會受到線性與非線性效應的影響。特別是在復雜信道與高功率的情況下，非線性損傷將成為制約可見光通信系統性能的主要瓶頸問題。如何在可見光傳輸收發芯片與模塊等領域實現突破，已成為實現超高速率、高可靠可見光通信系統所面臨的挑戰。

3 多頻段協同使能全場景覆蓋擴展

隨著移動數據流量呈指數式增長，無線通信正面臨有限頻譜資源和迅速增長的高速業務需求的矛盾。太赫茲通信與可見光引入移動通信網絡后，需統籌考慮Sub-6 GHz、毫米波、太赫茲等全頻譜的協同融合組網（如圖3所示），實現各個頻段的動態互補，進而提升全場景網絡覆蓋性能。

圖3 多頻段協同使能全場景覆蓋擴展

3.1 多頻段協同組網

目前，3GPP在5G NR系統中引入了載波聚合、補充上行和雙連接3種高低頻協同技術，在保障基礎覆蓋的基礎上，可以提高峰值速率，更好地滿足大帶寬業務需求。在6G時代，基于毫米波、太赫茲通信的各類技術，將成為提升6G網絡覆蓋性能，促進6G新場景、新業務部署的關鍵使能動力。6G需要充分地適配高頻毫米波通信的各種特點。針對其覆蓋范圍受限的情況，我們需要研究如何通過多頻段協同組網來高效利用各層資源，滿足6G全場景異構用戶的覆蓋需求，如圖4所示。在動態復雜的無線環境下，針對6G全場景多頻段共存問題，利用人工智能、數字孿生等技術構建智能化頻譜資源管理架構，研究多頻段資源智能感知、信息交互與聯合調度，可實現多頻段資源的隨需可達、按需分配等，滿足6G多維立體全場景的泛在接入和無縫覆蓋。

圖4 多頻段協同組網

3.2 多頻段協作感知

6G將會綜合利用不同頻段的優勢和特點，提供豐富的感知服務。在相同頻段同時提供通信功能與感知功能，可以實現頻譜利用率的提升。由于天然的物理性質的約束，不同頻段電磁波所能提供的感知功能和業務能力是不同的。理論上，頻段越高，波長越短，頻帶越寬，提供的感知精度和時頻分辨率就會越高；但是，由于無線信號的衰減或遮擋，感知有效作用的距離會越短，范圍會越小。通常，低頻通感融合信號可以做大輪廓的粗淺感知應用，而高頻通感融合信號可以做更精細的感知應用。例如，在環境監測場景下，如圖5所示，可以綜合利用Sub-6 GHz基站的穿墻效果好、廣覆蓋特性做低精度的環境檢測，同時，利用毫米波基站或太赫茲基站在重點區域做高精度、小范圍的環境檢測。工作在不同頻段的基站需要相互協作以進行信息共享，通過對特定用戶或區域進行聯合感知，優化傳輸或提供豐富的感知服務，降低高頻段通信開銷。

圖5 高低頻協作環境感知

3.3 多頻段智能共享

頻譜資源緊缺及利用效率低等問題驅動著智能頻譜共享技術的研究。頻譜資源是制約星地融合的主要瓶頸之一。在星地網絡中，頻譜資源的使用存在著衛星網絡頻譜利用率較低、地面網絡頻譜資源稀缺性嚴重的問題。為了建立星地統一的頻譜資源分配機制，我們需要利用衛星網絡和地面網絡在通信覆蓋方面互補的特性，針對每個子系統對頻譜資源不斷變化的使用需求，將智能引入基站，從而建立一套智能頻譜共享管理體系，如圖6所示。該系統可以使各子系統協調使用受限的頻譜資源。智能頻譜共享技術就是利用認知智能理論和技術實現動態頻譜管理。具體地，基于神經計算、深度學習、數據挖掘、推理訓練等人工智能（AI）新技術，設計智能頻譜共享機制，提出基于數據驅動型和模型驅動型空間頻譜環境快速感知、基于AI的空閑頻譜精準預測與智能調度，實現動態頻譜管理。然而，衛星通信系統與地面通信系統共享頻率時，雙方都會受到對方同頻干擾的影響。我們需要針對不同頻段、不同場景，考慮不同的干擾抑制方案。此外，研究基于區塊鏈的分布式且高效的干擾避免或緩解技術，能夠實現6G應用中的大規模連接與系統性能增強。

圖6 面向6G的智能頻譜共享管理體系架構

4 未來研究展望

4.1 智能反射面輔助的高頻段通信技術

智能反射面是解決高頻段毫米波和太赫茲傳輸時路徑損耗大、覆蓋能力弱的一項有前景的低功耗、低成本技術。在終端和基站之間部署智能反射面，可以對無線信號進行智能調控與波束賦形，實現無線傳播環境的重構，進而解決信號強度較弱或視距通信不可達的小區邊緣或盲區覆蓋問題，按需動態建立非視距通信鏈路，提高6G無線網絡覆蓋深度性能。為了進一步提高6G無線覆蓋擴展能力，業界亟待探討如何將具有波束賦形能力的智能反射面與傳統通信系統融合，以及如何實現基站處智能反射面參數與信道環境中的智能反射面參數聯合設計。

4.2 綠色高效的高頻段通信技術

更高的通信頻段使巨量設備接入無線網絡，這為移動通信系統實現綠色節能帶來了挑戰。更高的頻段意味著更大的傳輸損耗，因此如何通過密集部署高頻段基站來保證無線覆蓋的連續性，成為亟待解決的問題。然而，密集的小區部署使用戶面臨更頻繁的小區切換，這給網絡負載和終端能耗帶來新的挑戰。此外，基于毫米波和太赫茲的基站，其射頻、功放等電能消耗巨大。據運營商官方統計，5G基站的最大功耗約是4G的3～4倍，因此急需一種低成本、低能耗、高能效的高頻段通信技術來支撐綠色6G無線網絡覆蓋擴展的連續性。我們還可以從多頻段協同組網的終端能力出發，通過多學科融合和系統性設計，提升終端射頻模塊傳輸能力，降低射頻模塊功耗。

4.3 安全可信的動態頻譜共享技術

針對集中式的頻譜管理模式面臨的頻譜資源利用效率低、安全性威脅強和維護費用高等問題，全球相關機構開展了動態頻譜共享技術研究。然而，未來6G網絡是一個多子系統多業務共存共建的全場景網絡系統，不同實體之間存在頻譜感知誤差。而且，不同實體在信息共享中可能實施虛假欺騙行為，潛在的分布式多頻段系統組網方式將會帶來更多的管控盲點和更隱蔽的攻擊風險點。因此，如何建立一個具有可用性、可信性、安全性、公平性和高效性的“動態頻譜共享”和“網絡共建共享”體系架構，是實現6G無線網絡覆蓋擴展的重要保證。

5 結束語

隨著新場景、新業務的出現及垂直行業的發展，探索基于多頻段協同的覆蓋擴展技術變得日益重要。學術界及產業界正考慮如何通過多頻段協同覆蓋擴展技術，支撐時空尺度跨度大、業務質量差異大的全場景業務，從而實現6G容量與覆蓋的雙提升、多維立體星地融合場景下的服務與業務質量連續性、1 000 km/h的超高速移動場景，以及綠色超密集異構深度覆蓋場景中的關鍵業務。