帶你走近下一代無線通信技術(shù)——6G

隨著全球5G網(wǎng)絡(luò)的逐步部署，我們正見證下一代無線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展。5G技術(shù)主要聚焦在三大領(lǐng)域：增強型移動寬帶(eMBB)、超可靠低延遲通信(URLLC)以及大規(guī)模機器類通信(mMTC)。而6G則將超越這些范疇，致力于構(gòu)建一個更全面、沉浸式的通信架構(gòu)，以靈活適應(yīng)和滿足各種網(wǎng)絡(luò)需求，同時努力降低成本、維護費用和服務(wù)時間。

6G技術(shù)將為我們帶來前所未有的性能、可靠性和安全性。其無處不在的特性將孕育出新的產(chǎn)業(yè)和商業(yè)模式。通過全面連接物理世界、數(shù)字世界以及人類世界，6G將助力我們應(yīng)對增長和可持續(xù)發(fā)展所帶來的機遇與挑戰(zhàn)。

為了實現(xiàn)這些廣泛的目標(biāo)，6G需要依賴一系列關(guān)鍵技術(shù)。接下來的內(nèi)容將為您介紹6G的幾個核心技術(shù)，包括新頻譜技術(shù)、人工智能與機器學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字孿生以及新網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

新頻譜技術(shù)

亞太赫茲帶寬的極高數(shù)據(jù)傳輸速率和潛在的傳感應(yīng)用將與多輸入多輸出（MIMO）、智能超表面（RIS）和全雙工等頻譜效率技術(shù)相結(jié)合，為 6G 通信提供無處不在的覆蓋范圍。

超大規(guī)模MIMO

頻譜效率是一個不斷重復(fù)的系統(tǒng)優(yōu)化問題。無線標(biāo)準(zhǔn)一直在不斷發(fā)展，以充分利用特定頻段的可用帶寬。在 5G 中，MIMO 和大規(guī)模 MIMO 技術(shù)將多個發(fā)射器和接收器整合到一個系統(tǒng)中，并通過波束成形，使用戶獲得更強的信號恢復(fù)能力，從而增強系統(tǒng)性能。

5G MIMO 主要出現(xiàn)在 6 GHz 以下頻段，用于在宏蜂窩環(huán)境中提供覆蓋。它通過空間多路復(fù)用來提高容量和吞吐量，從而在需要的地方提供精確覆蓋。Massive MIMO通常指大于 16 根天線發(fā)射和 16 根天線接收，隨著天線數(shù)量的增加，可實現(xiàn)數(shù)量級的改進。

在 6G 中，MIMO 希望將天線數(shù)量從數(shù)百根擴展到數(shù)千根，從而在動態(tài)環(huán)境中為用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和超本地化覆蓋。

智能超表面(RIS)

高自由空間路徑損耗和易阻塞是毫米波（mmWave）和亞太赫茲信號面臨的挑戰(zhàn)。RIS技術(shù)為克服這些困難提供了一種前景廣闊的解決方案。

RIS 是一種平面二維結(jié)構(gòu)，由三層或更多層組成，頂層包含多個無源元件，用于反射和折射傳入的信號。工程師可對這些元件進行實時編程，以控制相移。

由于工程師可以控制每個元件的相移，因此 RIS 可以將信號以窄波束反射到特定位置。RIS 可以與來自信號源的反射產(chǎn)生正向作用，從而增強信號強度。在密集的多用戶環(huán)境或多蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，RIS 可以與源信號發(fā)生負作用，以減少干擾。這種靈活性使 RIS 技術(shù)有助于擴大信號范圍并增強安全性。由 RIS 元件創(chuàng)建的天線陣列本質(zhì)上是無源的，這使得 RIS 成為高密度、低能耗部署的可能解決方案。

全雙工

十多年來，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的通信研究人員一直在研究如何通過在單個信道上同時發(fā)送（Tx）和接收（Rx）信號，將無線電信道的容量增加一倍。收發(fā)器以不同的頻率（頻分雙工，簡稱 FDD）或不同的時間（時分雙工，簡稱TDD）發(fā)送和接收信號。

無線電和數(shù)字技術(shù)的不斷進步為帶內(nèi)全雙工（IBFD）技術(shù)的發(fā)展開辟了道路。IBFD 使用一系列技術(shù)消除自干擾，這樣即使發(fā)射機同時在同一信道上工作，接收機也能保持高靈敏度。

一些用于點對點通信的商用無線電系統(tǒng)成功實現(xiàn)了IBFD。雖然仍不可能達到將射頻信道容量增加一倍的理論極限，但已經(jīng)取得了一些重大進展。

人工智能和機器學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)

6G 的兩項基礎(chǔ)技術(shù)是人工智能（AI）和機器學(xué)習(xí)（ML）?？梢院敛豢鋸埖卣f，在6G網(wǎng)絡(luò)中，AI將無處不在。

2022年3月，3GPP完成了一項關(guān)于使用AI和 ML 的5G RAN架構(gòu)的研究。該研究調(diào)查了三個主要用例：網(wǎng)絡(luò)節(jié)能、負載平衡和移動性優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)節(jié)能側(cè)重于通過流量卸載、覆蓋修改和關(guān)閉非活動小區(qū)來實現(xiàn)整個 RAN 的節(jié)能。負載平衡研究如何應(yīng)用人工智能將網(wǎng)絡(luò)負載分配到多個小區(qū)、多個頻率或多 RAT 部署，以實現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)性能。移動性優(yōu)化用例探討了如何通過預(yù)測用戶設(shè)備的移動性來幫助在各種移動性情況下保持網(wǎng)絡(luò)性能。

在 3GPP 之外，AI和ML正在協(xié)助硬件設(shè)計。ML 使工程師能夠優(yōu)化收發(fā)器、射頻前端和天線系統(tǒng)。AI也在考慮以創(chuàng)新方式進行基帶處理。除了輔助設(shè)計，AI還將幫助解決無線網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)化難題。例如，AI可以幫助優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)的延遲。

數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是對 6G 設(shè)計更具顛覆性的技術(shù)之一。數(shù)字孿生是物理系統(tǒng)基于軟件的實現(xiàn)。它們類似于模擬，但通過數(shù)據(jù)反饋回路連接起來，可以實時整合物理或數(shù)字系統(tǒng)的變化。數(shù)字孿生工作流程的價值在于，它能夠在對硬件進行更改之前對系統(tǒng)進行迭代驗證。隨著 6G 進入原型設(shè)計和開發(fā)階段，兩個關(guān)鍵的數(shù)字孿生工具將成為高效、經(jīng)濟地設(shè)計 6G 的關(guān)鍵：電路建模數(shù)字孿生和網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生。

電路數(shù)字孿生

數(shù)字孿生概念旨在將大多數(shù)物理系統(tǒng)工程活動轉(zhuǎn)化為虛擬活動。在難以進行物理測試和難以重現(xiàn)真實世界效果的情況下，數(shù)字孿生具有很高的價值，例如在 5G、雷達、衛(wèi)星和其他射頻系統(tǒng)場景中。射頻電路的高度復(fù)雜性和昂貴的元件，尤其是毫米波和太赫茲波段等較高頻率的射頻電路，使設(shè)計過程難以迭代。由于傳統(tǒng)的建模工具需要高度復(fù)雜的處理才能準(zhǔn)確地表示復(fù)雜的射頻電路，數(shù)字孿生可以通過描述物理電路的響應(yīng)并將其反饋到數(shù)字表示中來提供優(yōu)勢。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生

隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)的分解和更加以軟件為中心的 RAN，持續(xù)集成/持續(xù)部署工作流程已成為運營商和集成商在網(wǎng)絡(luò)管理方面努力實現(xiàn)的目標(biāo)。利用數(shù)字孿生技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)可以將物理 RAN 測量與上層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用直接聯(lián)系起來，并在軟件環(huán)境中測試新特性和功能，然后再將其投入使用。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生使工程師能夠?qū)F(xiàn)有模型或其他數(shù)字孿生集成到系統(tǒng)中，并在不進行昂貴的現(xiàn)場測試的情況下進行試驗。例如，根據(jù)新的部署或?qū)⒎堑孛?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1343729.html">基站集成到架構(gòu)中以提供設(shè)計覆蓋，在不同信道條件下對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行建模，可降低發(fā)射高空平臺或衛(wèi)星的成本?？梢阅M覆蓋模型進行規(guī)劃，但這些模型可以隨著覆蓋的部署以及驅(qū)動測試或站點驗收測試等活動的結(jié)果從現(xiàn)場返回而不斷更新。

在評估網(wǎng)絡(luò)威脅和通過模擬攻擊測試網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生也很有價值。在系統(tǒng)上并行運行多個攻擊矢量時，數(shù)字孿生可以從網(wǎng)絡(luò)中收集有關(guān)真實世界行為的反饋，并確定各種模擬威脅中存在的漏洞。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生還能查看攻擊后的數(shù)據(jù)，顯示網(wǎng)絡(luò)攻擊在整個網(wǎng)絡(luò)中的連鎖反應(yīng)。這類信息極具價值。使用數(shù)字孿生可以在多次模擬中反復(fù)快速地獲取此類數(shù)據(jù)。

新的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

6G 將依靠開放、可擴展的虛擬網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作。為了解決覆蓋難題，并為盡可能多的用戶提供下一代數(shù)據(jù)速率，必須考慮采用許多新的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)來擴大接入范圍。以 5G 中使用的軟件為中心的 RAN 架構(gòu)為基礎(chǔ)，是使網(wǎng)絡(luò)更易于部署、成本更低的一種方法，但這并不能解決農(nóng)村或偏遠地區(qū)的覆蓋問題。

覆蓋不同海拔高度和地區(qū)的非地面網(wǎng)絡(luò)可能是將 6G 連接帶到世界每個角落的解決方案之一。但是，隨著這些新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的出現(xiàn)，脆弱性也隨之而來，必須確保其免受數(shù)字威脅。未來網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)安全對于維護服務(wù)、確保網(wǎng)絡(luò)和用戶的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

6G 將會推動通信技術(shù)通過其可持續(xù)性和連接性目標(biāo)產(chǎn)生社會影響。如今，6G 標(biāo)準(zhǔn)正處于早期階段。目前正在對候選技術(shù)進行研究、原型開發(fā)和模擬，以確定標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展方向。