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6G会改变什么？

6G新频谱探索

6G将要用到的新频谱、优势、所面临的技术挑战、解决挑战的研究方向等如何？

下面我们来解析欧盟6G旗舰项目Hexa-X、欧盟5G-PPP SELFNET项目、德国联邦教育和研究部（BMBF）TACNET4.0项目的相关研究成果。

6G蜂窝网络将提供良好的异构无线接入技术（RAT）能力，其中具有低射频的传统RAT和视距（LOS）相关RAT（太赫兹、VLC频段和OWC频段）可以共存。

THz、VLC和OWC可以在分层RAN架构（例如微微小区）中构建一个新的层，其中具有不同RAT的异构小区相互重叠。

其形态类似于在5G网络中引入毫米波。

一、毫米波

毫米波技术已由5G新空口部分地引入，并被认为仍是未来6G网络的重要组成部分。

与在6GHz以下工作的传统射频技术相比，毫米波6G将通过高达300 GHz的新载波频率显著拓宽可用带宽。

正如香农定理所揭示的那样，如此巨大的新带宽将极大提升无线电信道容量并满足未来新兴应用对更高数据速率的迫在眉睫的渴望。

同时，更短的波长也使得天线尺寸更小。

这不仅提高了设备的便携性和集成度，还可以增加天线阵列的尺寸，从而缩小波束，有利于检测雷达和物理层安全等特定应用。

此外，大气和分子吸收在整个毫米波频段的不同频率上表现出高度不同的特性，为各种用例提供潜力。

一方面，在35GHz、94GHz、140GHz、220GHz等一些特殊频段可以观察到低衰减，使得在这些频率下进行长距离对等通信成为可能；另一方面，在某些“衰减峰值”频段（例如60 GHz、120 GHz和180 GHz）处会出现严重的传播损耗，这可以被具有严格安全要求的短距离隐蔽网络所利用。

目前，毫米波领域的标准化工作主要集中于在室内使用的60 GHz频段，例如ECMA-387、IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11ad。

毫米波技术也带来了新的挑战。

首先，毫米波频段的宽带宽和高传输功率会导致严重的非线性信号失真，这对集成电路提出了比射频器件更高的技术要求。

同时，由于毫米波的有效传输范围（特别是在60 GHz频段）受到大气和分子吸收的严重限制，毫米波信道通常以LOS路径为主。

这个主要的缺点在这个短波长处的较差衍射进一步放大，在车辆、行人甚至用户自身人体等小规模障碍物密集存在的场景中，这会导致强烈的阻塞损耗。

高传播损耗和LOS依赖性也显著提高了信道状态对移动性的敏感性，即衰落的影响比射频频段中的影响要强得多。

因此，对出色的移动性管理的需求变得空前高涨。

此外，在密集链路共存的场景下，尤其是在室内环境中，不同接入点之间的干扰会很大，因此需要研发高效的干扰管理方法。

二、太赫兹通信

尽管目前有丰富的频谱冗余，但毫米波几乎不足以解决未来十年日益增长的带宽不足问题。

展望6G时代，工作在更高频率（如太赫兹或光频段）的无线技术有望在下一代RAN中发挥重要作用，提供极高的带宽。

与毫米波类似，太赫兹波也存在高路径损耗，因此高度依赖定向天线和LOS信道，仅能提供非常有限的覆盖范围。

但是，当有令人满意的LOS链路可用时，高载频带来的带宽明显高于任何传统技术，这使得同时提供吞吐量、时延和可靠性方面的超高性能成为可能。

此外，与工作在较低频率的毫米波系统和工作在较高频段的无线光学系统相比，太赫兹通信系统对大气效应不敏感，从而可简化波束赋型和波束跟踪的任务。

除了针对特定用例（例如室内通信和无线回传）的主流射频技术之外，太赫兹通信被塑造成一个很好的补充解决方案以及具有极端服务质量（QoS）要求的未来网络物理应用的竞争选择（例如实时VR/AR）。

此外，高载波频率还使得天线的尺寸更小以实现更高的集成度。

预计在单个太赫兹6G基站中可以嵌入超过10000根天线，并且提供数百个超窄波束，从而克服高传播损耗，同时实现极高的流量容量和海量连接，从而构成其在超大规模机器类型通信中的应用，例如万物互联（IoE）。

尽管如此，虽然太赫兹在许多方面优于毫米波，但太赫兹6G也面临着更大的技术挑战，尤其是在实现基本硬件电路（包括天线、放大器和调制器）方面。

特别是，长期以来，用集成电路将基带信号有效地调制到这种高频载波上一直是太赫兹技术实际部署的最关键挑战。

为了解决这个问题，一些研究机构在过去的十年中做出了巨大的努力，其中主要涉及混频的固态太赫兹系统。

最近，在太赫兹系统中应用空间直接调制以便将基带信号直接调制到太赫兹频段（而无需任何中频）开始受到研究者的关注。

三、可见光通信（VLC）

VLC工作在400 THz到800 THz的频率范围内。

与使用较低太赫兹范围内的射频技术不同，VLC依赖照明源——尤其是发光二极管（LED以及图像传感器或光电二极管阵列来实现收发器。

使用这些收发器，可以轻松地以低功耗（100毫瓦 10Mbps至100Mbps）实现高带宽，而不会产生电磁或无线电干扰。

主流LED的良好功率效率、长寿命（长达10年）和低成本，以及可以使用非授权频段，使VLC成为对电池寿命和频谱使用成本敏感的用例的有吸引力的解决方案，例如大规模物联网和无线传感器网络（WSN）。

此外，VLC在一些非地面场景（例如航空航天和水下。这些可能是未来6G生态系统的重要组成部分）中也表现出比RF技术更好的传播性能。

与RF相比，VLC中的MIMO增益非常脆弱（尤其是在室内场景中）。

这源于传播路径之间的高相干性，即低空间分集。

虽然这种相干性可以通过使用间隔LED阵列以某种方式降低，但MIMO-VLC也受到接收器设计和实施的挑战：非成像接收器对它们与发射器的空间对齐极为敏感，而成像接收器在成本上不适用。

因此，尽管十年来学术界不断努力，但迄今为止还没有将MIMO方法标准化到IEEE 802.15.7的主流VLC物理层。因此，VLC中的波束赋型与基于MIMO的射频波束赋型不同，它是通过一种称为空间光调制器（SLM）的特殊光学设备来实现的。

与毫米波和太赫兹技术类似，VLC也依赖于LOS信道，因为它既没有穿透能力，也没有足够的衍射来绕过常见类型的障碍物。

同时，由于担心相邻小区干扰和几乎无处不在的环境光噪声，VLC系统通常需要具有窄波束的定向天线。

这些事实使得VLC系统对用户的位置和移动性高度敏感，从而对波束跟踪提出了很高的要求。另一方面，这个特性也使得VLC可以在某些使用场景中发挥优势，例如更好的室内定位精度和更低的车载通信干扰。

VLC的另一个关键技术挑战源于对可见光谱的开放和不受监管（更具体地说是“无法监管”），与传统蜂窝系统相比，这意味着更高的安全风险，对VLC系统提出更严格的安全要求。

对此，物理层安全作为一种有前途的解决方案已被广泛研究。

四、光无线通信（OWC）

OWC是指使用红外线（IR）、可见光或紫外线（UV）作为传输介质的无线通信。

对于在射频频段上运行的传统无线通信来说，它是一种很有前途的补充技术。

在可见波段工作的OWC系统通常被称为VLC，它最近引起了很多关注，并在上文第3部分中单独讨论。

无需全球通信监管机构的许可，光频段就可以提供几乎无限的带宽。

由于光发射器和检测器的可用性，它可以用于以低成本实现高速接入。

由于红外线和紫外线波具有与可见光相似的行为，因此可以显著限制安全风险和干扰，并且可以消除无线电辐射对人体健康的潜在影响。

预计在智能交通系统中的车载通信、飞机乘客照明、对电磁干扰敏感的医疗机器等部署场景中具有明显优势。

尽管OWC具有上述优势，但它也受到环境光噪声、大气损耗、LED非线性、多路径色散和指向错误等缺陷的影响。

在OWC中，使用LED或激光二极管（LD）在发射器处将电信号转换为光信号，而接收器则使用光电二极管（PD）将光信号转换为电信号。

通过广泛使用的方案，如开关键控或脉冲位置调制，以及先进的多载波方案（如OFDM），可简单地调制光脉冲的强度来传递信息，以获得更高的传输速率。

为了在单个光接入点支持多个用户，OWC不仅可以应用典型的时分、频分、码分多址等电复用技术，还可以应用波分多址等光复用技术。

光学MIMO技术也在OWC中实施，其中应用了多个LED和多个PD---就像在RF频带中运行的典型MIMO系统一样。

应用图像传感器检测光脉冲的光学系统也被称为光学相机系统。图像传感器可以将光信号转换为电信号，由于内置摄像头的智能手机的广泛普及，它具有“更容易实现”这一优点。

另一方面，地面点对点OWC也被称为自由空间光通信（FSO）。

在发射器处使用高功率高集中激光束，FSO系统可以实现高数据速率，即每波长10 Gbps，远距离传输（长达10000公里）。

它为地面网络中的回传瓶颈提供了一种经济高效的解决方案，实现了空间、空中和地面平台之间的交叉链接，并促进了新兴LEO卫星星座的高容量星间链路。

此外，由于用于非视距紫外通信的固态光发射器和检测器取得了最新进展，OWC有望提供广泛的覆盖范围和高安全性。

五、6G动态频谱管理（DSM）

除了在更高频率上不断挖掘未使用的频谱之外，业界对6G带宽繁荣的愿景还有第二种方法——通过DSM提高无线电资源利用率。

有关DSM的想法可以追溯到IEEE 802.11中应用的著名的会话前侦听（LBT）协议，该协议在基于竞争的频谱访问控制中平等地对待所有用户。

在免授权的工业、科学和医疗（ISM）频段，LBT在碰撞和干扰控制方面取得了巨大成功。

同时，在授权频谱方面，“受监管接入”导致的频谱利用不足，比频谱的物理稀缺性更重要。

这一事实引起了学术界对具有异构RAT和不同优先级以访问许可/未许可频段的各种系统之间类似LBT的动态频谱共享领域的强烈研究兴趣。

在软件定义无线电技术的成功发展的激励下，这些研究工作催生了认知无线电（CR）技术，并在本世纪的第一个十年迅速成熟。

自LTE时代以来，研究授权蜂窝系统和非授权ISM频段技术共存下的DSM已成为无线网络领域的一个热门课题。

对于未来的6G系统，对DSM的需求变得前所未有的迫切。

一方面，无线接入ISM频段（尤其是IEEE 802.11频段）几乎成为当今主流蜂窝终端的标准功能，成为在用户密集场景下提供更大网络容量的通用解决方案。

另一方面，由于不可能将6G新频谱的宽频带保留给许可使用（尤其是可见光频谱），预计6G系统在其频谱的未许可部分将受到无处不在的干扰。

其他系统和环境噪声是高度动态的和环境相关。

因此，6G系统必须能够根据瞬时情况动态来认知地选择最合适的工作频段。

6G DSM面临着许多技术挑战。

在硬件实现上，6G新频谱的广泛性导致设计具有动态全频谱感知能力的收发器存在困难。

6G前端必须能够在超宽的6G频段上进行快速高效的频谱感知，从而实现在线无线电环境认知和频谱接入的及时适应。

在系统层面，为了提高DSM的效率和安全性，基于频谱感知的物理层CR需要通过对信息物理层上下文信息的感知来进一步完成，以获得对通信环境（包括地形场景、通信模式、当地法规等）的更深入的理解。

这导致了上下文感知的各个方面（从数据供应到数据所有权）的挑战。

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