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6G:你想了解的都在這里了!

摘要:關于6G,從覆蓋范圍上看,6G無線網絡不再局限于地面,而是將實現地面、衛星和機載網絡的無縫連接。從定位精度上看,傳統的GPS和蜂窩多點定位精度有限,難以實現室內物品精準部署,6G則足以實現對物聯網設備的高精度定位。同時,6G將與人工智能、機器學習深度融合,智能傳感、智能定位,智能資源分配、智能接口切換等都將成為現實,智能程度大幅度躍升。

  ICCSZ訊 2019年成了5G元年,韓國、瑞士、美國等多個國家今年上半年開始商用5G,中國也在6月份發放了5G牌照,提前一年開始運營5G,而且有望建設全球最大最先進的5G網絡。雖然5G才剛剛起步,完整網絡覆蓋還需要幾年時間,但是業界已經迫不及待探討6G時代了,這將是5G之后的新一代網絡技術,不過目前還處于暢想階段,公認會在十年之后才有可能問世。

  那6G到底會帶來什么變化呢?

  “在6G時代,或許我們在飛機上也能上網,同時不會影響飛行安全。登山運動員在登山遇到危險時,可實時發送位置信息與求救信號,不會出現時延。在海上航行時,船上的工作人員也不用擔心與陸地失聯,6G可保證其實時通信?!边@是南京航空航天大學電子信息工程學院常務副院長吳啟暉描繪的。

  芬蘭奧盧大學也聯合70多位專家發表了6G白皮書,介紹了6G時代的網絡特征和技術趨勢。白皮書認為,與從1G到5G的前幾次移動通信技術換代類似,6G的大多數性能指標相比5G將提升10到100倍。

  白皮書給出了幾個衡量6G技術的關鍵指標:峰值傳輸速度達到100Gbps-1Tbps,而5G僅為10Gpbs;室內定位精度10厘米,室外1米,相比5G提高10倍;通信時延0.1毫秒,是5G的十分之一;超高可靠性,中斷幾率小于百萬分之一;超高密度,連接設備密度達到每立方米過百個。此外,6G將采用太赫茲頻段通信,網絡容量大幅提升。

  從覆蓋范圍上看,6G無線網絡不再局限于地面,而是將實現地面、衛星和機載網絡的無縫連接。從定位精度上看,傳統的GPS和蜂窩多點定位精度有限,難以實現室內物品精準部署,6G則足以實現對物聯網設備的高精度定位。同時,6G將與人工智能、機器學習深度融合,智能傳感、智能定位,智能資源分配、智能接口切換等都將成為現實,智能程度大幅度躍升。

  5G才剛上,為什么6G就來了

  5G愿景“信息隨心至,萬物觸手及”,強調信息交互、萬物可連接,而且連接對象集中在陸地10km高度的有限空間范圍內。5G雖然在Rel-16版本開始研究并標準化非陸地通信網絡(non-terrestrial networks,NTN))技術特性,但NTN架構涉及的衛星通信網絡與蜂窩網絡標準及技術體系依然是彼此獨立,需要通過專門的網關設備連接交互,其通信能力和效率很難滿足十年后的“泛在連接”需求。為滿足未來“泛在連接”需求,6G需要引入空天地海一體化網絡,該網絡將是一個有機整體,也即需要統一的標準協議架構和技術體系,真正實現空天地海一體化的“泛在連接”。

  另外,5G海量連接特性(mMTC)強調連接數量,而不要求實時性;超可靠低時延特性(uRLLC)強調可靠性與實時性,但對連接數量和吞吐量沒有需求,是以降低頻譜效率和連接數量為代價實現的。而6G的“萬物隨心”愿景則同時需要海量連接、可靠性、實時性和吞吐量需求,因此,雖然6G愿景涵蓋的基本概念中部分在5G已有涉及,但6G愿景提出了更高的目標,以滿足未來全新的場景需求。

  從商業、社會驅動因素來看5G的驅動力來源消費者不斷增長的流量需求,以及垂直行業的生產力需求。本質上還是移動網絡運營商驅動。

  6G驅動因素包括商業和社會。社會因素包括政治、經濟、社會、技術、法律和環境等方面的社會需求,以進一步促進數字社會的包容性與公平性,比如,讓全球貧困人口、弱勢群體和偏遠的農村居民都能公平地享受到教育、醫療保健等服務。

  相比5G,6G具有更廣的包容性和延展性,因此6G的參與者將不只是傳統運營商的,而會在傳統運營商之外產生新的生態系統。比如,由于引入頻段越來也高,網絡越來越密集,針對垂直市場的本地網絡將越來越普遍,這些本地網絡將由不同的利益相關者部署,從而驅動“本地運營商”模式,繁衍出新的生態系統。

  6G將顛覆哪些場景?

  5G技術一直與延遲、功耗、部署成本、硬件復雜性、吞吐量、端到端可靠性和通信彈性等權衡因素聯系在一起。然而到2030年及以后的市場將引入新的應用,在超高可靠性、容量、能效和低延遲方面有更嚴格的要求,可能會使傳統無線系統技術的容量飽和。

  盡管大規模通信、增強現實(AR)和虛擬現實(VR)等這些應用已經在5G中討論過,但由于技術限制或市場不夠成熟,它們很可能不會成為未來5G部署的一部分。上圖展示了不同應用對低延遲、吞吐量、可靠性的需求。

  從人與人、人與物、物與物的角度出發,將來6G將會被用于空間通信、智能交互、全息、觸覺互聯網、情感和觸覺交流、虛擬助理、多感官混合現實、機器間的協同、身體域網絡、全自動交通等場景。(具體用例參考《“浴霸”iPhone 11不支持5G,但6G已蠢蠢欲動!》一文)

  XR體驗

  XR體驗很可能由輕巧的眼鏡提供,它們以高分辨率,幀速率和動態范圍將圖像投射到眼睛上。此外,通過耳機和觸覺界面將感受反饋其他器官。

  遠程通信

  遠程全息技術通過實時捕獲、傳輸和渲染技術,將身處不同地方的人的3D全息影像傳送到同一位置,使大家如面對面坐在一起一樣交流溝通。

  聯網自動駕駛汽車

  未來網絡中的每輛車都將配備許多傳感器,包括相機,激光掃描儀,可能用于3D成像的THz陣列,里程表和慣性測量單元。算法必須快速融合來自多個來源的數據,判斷周邊人員,動物或建筑物的信息,以快速控制車輛避免碰撞或人員受傷。

  6G三大關鍵技術

  在“2018年世界移動通信大會·北美”上,Jessica Rosenworcel作為美國聯邦通信協會(FCC)對外公開討論6G無線服務的第一位專員,提出了6G的3大類關鍵技術,分別涉及到6G頻譜、6G無線“超大容量”如何實現、6G頻譜使用如何創新這3大方面。

  6G將進入太赫茲頻段

  隨著用戶數和智能設備數量的增加,有限的頻譜帶寬就需要服務更多的終端,這會導致每個終端的服務質量嚴重下降。而解決這一問題的可行的方法便是開發新的通信頻段,拓展通信帶寬。就像一條公路,即便再寬闊,所容納車量也是有限的。當路不夠用時,車輛就會阻塞無法暢行,此時就需要考慮開發另一條路。

  目前,我國三大運營商的4G主力頻段位于1.8GHz-2.7GHz之間的一部分頻段,而國際電信標準組織定義的5G的主流頻段是3GHz-6GHz。到了6G,將邁入頻率更高的太赫茲頻段100GHz-10THz。

  6G時代網絡將“致密化”,我們的周圍會充滿小基站。5G時代據說就200米一個小基站了,6G會更多。影響基站覆蓋范圍的因素比較多,比如信號的頻率、基站的發射功率、基站的高度等。就信號的頻率而言,頻率越高則波長越短,所以信號的繞射能力就越差,損耗也就越大。并且這種損耗會隨著傳輸距離的增加而增加,基站所能覆蓋到的范圍會隨之降低。(注:繞射也稱衍射,在電磁波傳播過程中遇到障礙物,這個障礙物的尺寸與電磁波的波長接近時,電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。)

  此外由于6G信號的頻率屬于太赫茲級別,這個頻率已經進入分子轉動能級的光譜了,很容易被空氣中的被水分子吸收掉,所以在空間中傳播的距離不像5G信號那么遠,6G需要更多的基站“接力”。

  小編擔心5G的基站已經很密了,6G的密度會變成什么?是否會有更多的輻射困擾?

  空間復用技術

  當信號的頻率超過10GHz時,其主要的傳播方式就不再是衍射。對于非視距傳播鏈路來說,反射和散射才是主要的信號傳播方式。同時,頻率越高,傳播損耗越大,覆蓋距離越近,繞射能力越弱。這些因素都會大大增加信號覆蓋的難度。

  不止是6G,處于毫米波段的5G也是如此。5G目前是采用Massive MIMO和波束賦形這兩個關鍵技術來解決此類問題的。Massive MIMO主要是通過增加發射天線和接收天線的數量,即設計一個多天線陣列,來補償高頻路徑上的損耗。

  空間復用技術就是在MIMO多副天線的配置下來提高傳輸數據數量。在發射端,高速率的數據流被分割為多個較低速率的子數據流,不同的子數據流在不同的發射天線上在相同頻段上發射出去。由于發射端與接收端的天線陣列之間的空域子信道足夠不同,接收機能夠區分出這些并行的子數據流,而不需付出額外的頻率或者時間資源。

  MIMO的多天線陣列會使大部分發射能量聚集在一個非常窄的區域。由于區域比較窄,不同波束之間的干擾會比較少。

  但由于基站發出的窄波束不是360度全方向的,不能保證波束能覆蓋到基站周圍任意一個方向上的用戶,此時可采用波束賦形技術。波束賦形就是通過復雜的算法對波束進行管理和控制,使之變得像“聚光燈”一樣。這些“聚光燈”可以找到手機都聚集在哪里,然后更為聚焦地對其進行信號覆蓋。

  5G采用的是MIMO技術提高頻譜利用率。而6G所處的頻段更高,MIMO未來的進一步發展很有可能成為6G提供關鍵的技術支持。

  動態頻譜共享+區塊鏈

  歐美國家運營商獲取頻譜方式主要是頻譜拍賣(頻譜拍賣是指授權用戶規劃某一頻段,對外進行公開拍賣,以公開競價的方式,將該頻段的使用權轉讓給最高應價者使用。)但頻譜拍賣的分配方式難以勝任6G時代“對于頻譜資源的高效利用”這一訴求,因為它存在授權用戶獨占頻段而造成頻譜閑置、利用不充分等問題。

  為了合理配置頻譜資源,使其得到高效充分的利用,美國FCC于2015年開展推動了動態頻譜共享,在3.5GHz上推出CBRS(公眾無線寬帶服務)。通過集中的頻譜訪問數據庫系統來動態管理不同類型的無線流量,以提高頻譜使用效率。簡單來講,就是某一使用者不用的話,其他使用者可以接入使用,像共享單車一樣,這樣不僅能有效減少資源浪費,也可減少擁塞的問題。

  目前CBRS聯盟第3版將解決使用3.5 GHz頻段共享頻譜支持5G部署的問題。近期美國運營商Verizon與高通、愛立信已完成DSS 5G數據通話;AT&T在2018年9月就開始測試支持5G的CBRS設備。

  不過到了6G時代,動態頻譜共享顯然還要在原有基礎上繼續發展。CBRS是通過集中式的數據庫來支持頻譜共享接入的,若系統能基于采用分布式數據庫的區塊鏈技術,探索使用區塊鏈作為動態頻譜共享技術的低成本替代方案,則不僅可以降低動態頻譜接入系統的管理費用,提升頻譜效率,還能進一步增加接入等級、接入用戶數量等。區塊鏈在6G中的應用,使用“去中心”的分布式賬本來記錄各種無線接入信息,將可進一步激發新技術創新,甚至“改變未來6G使用無線頻譜的方式”。

  除上述的三大技術,6G需要的技術還有很多。有專家認為要想提升帶寬,就要依靠芯片技術和射頻電路技術的發展。同時,還有專家指出,太赫茲芯片的散熱問題也亟待解決。如今,芯片越做越小,而傳輸功率的增加會讓芯片更容易“發燙”,所以微散熱技術也亟待提升。

  此外6G時代,我們可能需要固態電池、石墨烯電池等新電池技術;采取怎樣的無線安全方案使得相關通信系統能夠應對由量子計算機發起的攻擊等等,包括此次白皮書提出的各種中注意事項,都需要我們不停地探索以完善6G。

  6G研究進展

  6G各國硝煙再起

  中國:目前國內IMT2020新技術工作組已開始開展6G的總體研究,科技部2018-2019重點專項中11項與6G相關,信通院等單位牽頭負責《后5G/6G系統愿景與需求研究》。2019年4月26日,毫米波太赫茲產業發展聯盟在京成立,該聯盟由信通院與產業界、科研院所等相關企業和專家共同籌建,旨在加快我國毫米波太赫茲產業發展,提升我國在通信領域的技術水平與產業化能力。同時由國家發改委、工信部、科技部共同支持舉辦的未來移動通信論壇(“Future論壇”)已發布《ApeekBeyond5G》等3本6G相關白皮書。ITU-T啟動的FGNET2030研究,中國運營商也深度參與。2019年11月6日,6G技術研發工作啟動會召開,國家6G技術研發推進工作組和總體專家組正式成立。

  美國:6G的研發推進以政府資助高校的模式為主,重點研發“融合太赫茲通信與傳感”的項目。近期,美國聯邦通訊委員會已經正式投票決定將太赫磁波開放給6G技術試驗使用。

  日本:6G的研究工作以國內最大電信運營商NTTDoCoMo為主體,主攻太赫茲、軌道角動量等方向。

  韓國:主要由三星負責6G技術預研。據韓國亞洲日報6月4日報道,三星電子已經成立了新一代通信研究中心,由6G研究組等先導解決組和標準研究組構成。

  歐盟:歐盟2017年成立由德國、希臘、芬蘭、葡萄牙、英國等跨國TERRANOVA計劃,明確提出研發超高速太赫茲創新無線通信技術。歐洲電信標準化協會(ETSI)也逐步開展6G基礎技術的研究項目及其他研發方向的征詢工作。

  跨區域的合作:近日,索尼、英特爾和NTT(日本電話電報公司)宣布,它們將合作開發6G移動網絡技術。

  國內6G項目

  2018年10月26日,科技部發布“寬帶通信和新型網絡”重點專項2018年度項目,專項實施周期為5年(2018-2022年),總體目標是“使我國成為B5G無線移動通信技術和標準研發的全球引領者;在‘未來無線移動通信′方面取得一批突破性成果掌握自主知識產權”。涉及B5G/6G無線移動通信技術和標準硏發的項目一共有5個:

  • 大規模無線通信物理層基礎理論與技術(基礎前沿類);
  • 太赫茲無線通信技術與系統(共性關鍵技術類);
  • 面向基站的大規模無線通信新型天線與射頻技術(共性關鍵技術類);
  • 兼容C波段的毫米波體化射頻前端系統關鍵技術(共性關鍵技術類);
  • 基于第三代化合物半導體的射頻前端系統技術(共性關鍵技術類)。

  6G玩家涵蓋各領域巨頭:運營商、學術界、工業界

  中國移動第二次科技創新大會5月13日召開。工信部張峰總工程師提了三點建議,其中之一涉及“布局未來6G基礎研究,助力關鍵核心技術突破“。9月17日,中國移動研究院召開“暢想未來”6G系列研討會第一次會議,為業界尋找6G研究方向提供了重要的參考。在2019中國移動全球合作伙伴大會期間,中國移動研究院聯合產業界共同發布了《2030+愿景與需求報告》,這是中國移動第一份6G報告。

  中國聯通網研院5G創新中心負責人馮毅日前在太赫茲通信技術研討會上表示,網研院已經開始5G6G通信技術的研究,中國聯通太赫茲通信推進計劃將分三步走。馮毅透露,中國聯通還將牽頭成立毫米波太赫茲聯合創新中心,聯合20家以上成員單位,制定10個以上太赫茲通信標準,打造3個以上的太赫茲示范項目(冬奧會),建立1個以上太赫茲通信開放實驗室。

  2018年12月,東南大學發布十大科學與技術問題,其中一個是“6G移動通信先期研究“包含6大研究方向:

  ①開展智能移動通信硏究,探索基于大數據和人工智能的移動通信新型體系構架

  ②開展大規模無線通信硏究探索速率容量和用戶容量量級提升機理及理論方法。

  ③開展毫米波/亞毫米波無線通信研究,系統地探討其架構、理論、射頻與天線陣列技術、以及核心器件。

  ④開展大容量光無線通信硏究,探尋無線通信新技術,為滿足大容量的業務需求,尋求低代價技術途徑

  ⑤開展寬帶衛星移動通信研究,將5G移動通信技術及其演進技術拓展應用到寬帶衛星移動通信場景

  ⑥構建—體化試驗平臺,支撐6G移動通信理論與技術研究,承擔國家相關科研任務。

  據加拿大媒體在8月中旬的報道,華為已經開始在設于加拿大渥太華的研發實驗室硏發6G技術。該實驗室將助力引領華為在全球的6G發展。華為加拿大負責研究戰略與合作伙伴關系的副總裁 Song Zhang素示:5G非常新,而‘研發6G’是所謂的‘5G演進’的部分。

  中興通訊投資組建了約40-50人的團隊梳理“愿景”“需求”“重要指標關鍵技術”四個方面的工作以推進6G,系統研究6G網絡架構、新頻譜、新空口以及和人工智能、區塊鏈等技術的結合,并在6G相關的前沿基礎材料、器件等領域同樣予以關注和布局。

  移動通信技術從模擬技術演進到以GSM為標志的第二代移動通信技術(2G)用了30年,從2G到3G時代的演進用了15年,從3G到4G的推出用了5年。技術升級速度越來越快,每一代通信技術成為商用主流的時間越來越短。如今6G已經在路上了,也許它的普及會來得更快!

內容來自:SDNLAB
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關鍵字: 5G 6G
文章標題:6G:你想了解的都在這里了!
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