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6G的特点和条件

2020-11-04 16:43 次阅读

再谈6G

2020年行将结束,随着5G网络的建设推进,以及3GPPR16版本的冻结,越来越多的人将关注焦点转移到6G身上。

7月14日,韩国三星电子发布了白皮书《下一代超连接体验》。在白皮书中,三星预估6G标准完成及投入商业化的最早时间点是2028年,而大规模商业化可能发生在2030年左右。

这个预测时间点,和3月17日全球第二届6GWirelessSummit会议上中兴通讯给出的预测时间点非常接近:

从社会和技术的大趋势来看,6G将具有以下显著的特点:

•人和机器都将是6G的用户(并且机器反而会是6G的首要用户)。

AI将会渗透到各行各业,比如金融,健康,工业制造等领域,6G将会通过AI来进一步提升性能并且降低CAPEX和OPEX。

•6G将会使通信技术变得更加开放(比如近年成立的O-RAN联盟等)。

•6G将会在诸多社会问题方面发挥关键作用。例如应对气候变化(与数字技术结合减少温室气体排放量)和解决教育不平等(远程教育)等问题,5G已经为此提供了一些帮助。6G提供的超连接,将会进一步协助完成联合国提出的2030可持续发展目标。

站在服务的角度,6G又会带来什么呢?

6G将进一步增强5G定义的eMBB、URLLC、mMTC等特性,并且融合更加先进的传感、成像、显示和AI等技术,提供超连接体验。

6G必须满足的要求

想要实现超连接体验,6G必须满足来自三个维度的要求,分别是性能、架构和可信度。

6G性能需求

相比5G,6G会有怎样的性能提升?如下所示:

•峰值数据速率1Tbps(1000Gbps),是5G的50倍

•空口延迟小于100微秒(μs),是5G的十分之一

•可靠性达到10-7,是5G的一百倍

•设备连接密度达到107/Km2,是5G的十倍

•频谱效率达到5G的两倍

绘制成蜘蛛网模型,大致如下:

6G体系结构需求

解决移动设备计算能力有限所带来的问题,实现通信和计算的真正融合,以便最终用户的各种设备能够无缝地利用网络中可用的计算能力,比如从技术开发的初期就引入AI(或者称为原生AI)。

新的网络功能的灵活集成,包括和非地面网络的集成,比如飞机、近地轨道和地球静止轨道卫星、高空平台等。

6G可信度需求

解决用户数据和AI技术的广泛使用而带来的安全和隐私问题。

▉6G的重点技术发展方向

6G的一些典型候选技术如下:

太赫兹频段(THz)

5GNR已经开始讨论在52.6GHz以上的频段工作,遵循这一趋势,6G时代移动通信恐怕将不可避免地使用太赫兹THz频段。

但是实际使用THz频段,有一些必须克服的技术挑战,例如:

(1)本身的传播特性(严重的路径损耗和大气吸收):需要针对室内和室外的场景建立适合THz的多径信道模型。

(2)芯片和射频器件:过去十年,研究者们致力于开发芯片级的太赫兹技术,现在基于InP、GaAs、SiGe、甚至CMOS技术已经在较低的THz频段产生了一些突破。但是在更高的THz频段,还需要进一步突破,以满足高效率、低能耗和低成本需求。

(3)天线和波束赋形:太赫兹意味着路径损耗的急剧增加。因此,需要超大规模的天线阵列来补偿路径损耗。另一方面,这会导致非常狭窄的细波束(类似于激光波束),因此如何优化波束赋形,以合理的成本和能效来提升系统的性能也非常重要。

(4)新的波形、信号、信道和协议:目前来看OFDM依然会是一个候选项,但是需要去探索新的备选波形,降低PAPR,满足THz的硬件限制。另外,还需要开发合适的信号、信道和协议来有效地适配THz的各种操作。

新型天线技术

5GNR已经使用MassiveMIMO技术,但是THz波段需要比毫米波更多的天线,因此会有更大的挑战,以下是一些可选项:

(1)基于超材料的天线和射频前端

第一种方法:将超表面透镜作为移相结构应用于天线阵列信号,施加直流偏置来调整波束方向,有助于锐化波束形状。

第二种方法:超材料天线作为谐振天线,其自身辐射定向波束,与超表面透镜不同,它不需要一个带移相器的独立天线阵列。

第三种方法:可重构智能表面(RIS),通俗的讲,智能表面可以改变电磁波的电磁特性,从而影响周围的传播环境。

(2)轨道角动量(OAM)

1992年,科学家通过实验证实,光子具有轨道角动量OAM这一基本性质。

OAM通信研究的核心,是把轨道角动量这一尚未利用的电磁波参数用于通信。OAM是电磁波在传播方向上在垂直平面上表示相位旋转的特性,相位旋转的次数称为OAM模式。不同的OAM模式相互正交,在同一频点上可传输多路正交信号,从而提升频谱效率和信道容量,这就是OAM复用技术:

2018年5月,日本NTT已经利用轨道角动量(OAM)多路复用在全球首次成功演示了100Gbps无线传输,实验室设计了OAM-MIMO复用传输。结果表明,系统能够显著提升传输容量。

这项技术看起来还是相当有前途的,但是实验室只进行了十米的传输实验,实际的实施和操作肯定还有很多的问题需要解决。

全双工技术

5GNR引入了动态TDD技术,提高双工灵活性,从而可以根据流量来动态调整下行链路和上行链路之间的时隙比率。

全双工技术可能会在6G得到应用,从而解除传统双工机制对收发信机频谱资源利用的限制,有助于进一步提高频谱效率(理论上同时同频全双工可提升一倍的频谱效率)和系统的灵活性。

上下行链路同时同频传输信号,会存在严重的自干扰和交叉干扰问题,需要在设备和网络部署时采取一定的干扰抑制和消除手段。

频谱共享技术

本着开源与节流并重的思想,如何更加充分地利用现有的频谱资源就显得格外重要(特别是在低频段)。

于是,动态频谱共享(DSS)技术闪亮登场。

它可以让不同制式的网络共享使用相同的频谱资源,相当于频谱和制式解耦合。比如,目前动态频谱共享技术已经可以在4G和5G之间动态分配频谱。

6G时代,动态频谱共享技术显然还要在原有基础上继续发展,也许会被称为“智能”频谱共享技术。

网络拓扑结构的演进

网络拓扑演进方面的一个显著趋势,就是使用非地面网络NTN,例如卫星和HAPS,即使在没有地面网络的地方也能提供覆盖。

NTN技术的实现,需要考虑地面网络所没有的新方面,包括对移动小区的支持、数百公里大的小区、较大的传播延迟、NTN的高速移动导致的较大多普勒频移和较大路径损耗等。

目前尚处于开发支持NTN的技术初始阶段,3GPPR17将会完成对NTN网络的第一阶段支持,让我们拭目以待吧。

PS:现阶段想要多了解一些NTN的内容,建议参考3GPPTR38.811。

AI技术

3GPP5G标准已经在核心网中引入了NWDAF网络功能,对网络进行数据收集和分析。相信该功能在后续版本中持续演进,之后3GPP也会对无线侧进行相关的技术研究。到了6G时代,AI技术的应用将会无处不在。

举例来说,本地AI技术给信道编码研究提供了一种全新的解决方案,使其不再依赖传统的编码理论进行设计,通过学习、训练、搜索就可以找到适合当前传输环境的最佳的调制编码方式。联合AI的一个例子是基于预测的切换优化,而端到端的AI可以识别或者说预测网络运行中的异常并提出纠正方案。

▉后话:现在谈6G,是不是太早了?

5G商业化尚处于起步阶段,现在开始准备6G正是时候。因为从开始研究到新一代通信技术商业化,通常需要10年左右的时间。

早在2019年3月,芬兰就举办了全球第一届6G峰会,来自各国的通信专家们商议拟定了全球首份6G白皮书:6G泛在无线智能的关键驱动与研究挑战。

在过去的一年,世界各国纷纷制定了本国6G的发展规划,并付诸实施。

世界各国的6G研究进展

此前有报道称,韩国5G网络实际传输速率仅为4G的三倍多,远远低于20倍的标准。由此可以看出,全球范围内的首要任务,还是先把5G的潜力充分激发出来,让企业和个人充分感受到5G所带来的真实价值。否则,空谈6G是没有任何意义的。

如果用一句话总结,那就是——

既要仰望星空(6G),也要脚踏实地(5G)。

责任编辑:haq

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