6G無線接入關(guān)鍵技術(shù)

翟立君，王妮煒，潘沭銘，王宣宣

(中國電子科技集團公司電子科學研究院，北京 100041)

0 引言

自20世紀80年代起，移動通信按照10年左右發(fā)展一代的速度完成了從1G到4G的演進，2019年起世界各主要國家已陸續(xù)開始5G大規(guī)模商用部署。根據(jù)全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會(Groupe Speciale Mobile Association, GSMA)官網(wǎng)預測，2025年5G總連接數(shù)將達到18億，其中亞洲地區(qū)滲透率將達到50%，北美和歐洲則將分別達到48%和34%[1]。然而，由于5G還難以滿足人們生產(chǎn)生活中對未來網(wǎng)絡(luò)在全地形全時泛在覆蓋、精確時間和相位同步、亞米級定位精度和毫秒級定位速度、面向虛擬現(xiàn)實及全息影像的Tbit/s服務(wù)速率、確定服務(wù)質(zhì)量以及智能化服務(wù)與決策支持等方面的需求[2]，全球興起了研究6G移動通信技術(shù)的熱潮。本文首先介紹了國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)、第三代合作伙伴計劃(The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)、電氣和電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)等組織以及世界各國目前在6G領(lǐng)域開展的工作，闡述了6G愿景和主要性能指標體系，然后針對無線接入這一核心技術(shù)環(huán)節(jié)，介紹了6G階段新型波形技術(shù)、多址接入技術(shù)、新型編碼技術(shù)以及無蜂窩大規(guī)模MIMO技術(shù)研究和發(fā)展的情況，重點敘述了全頻譜、全覆蓋、內(nèi)生安全、全應用及人工智能(Artificial intelligence，AI)等6G新范式的內(nèi)涵、關(guān)鍵技術(shù)以及目前研究重點，最后對6G技術(shù)的未來發(fā)展進行了展望。

1 6G發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國際組織開展的工作

(1) ITU

ITU于2018年7月成立了ITU-T 2030網(wǎng)絡(luò)技術(shù)焦點組(FG NET-2030)，主要針對2030年網(wǎng)絡(luò)需求，研究現(xiàn)有技術(shù)、平臺和標準的差距和挑戰(zhàn)，找出IMT-2020技術(shù)難以滿足的網(wǎng)絡(luò)需求，并制定網(wǎng)絡(luò)2030的愿景、需求、架構(gòu)、用例及評估方法等研究方向。其使命將于2020年結(jié)束，輸出成果將轉(zhuǎn)入新研究周期的未來網(wǎng)絡(luò)研究組(SG13)和信令協(xié)議研究組(SG11)，并將開始涉及6G相關(guān)的技術(shù)儲備[3]。在2020年2月的第34次ITU-R WP5D會議上，ITU正式啟動6G的研究工作，并開始撰寫關(guān)于5G之后的技術(shù)演進方向的“未來技術(shù)趨勢報告”。此外，ITU還計劃于2021年上半年推出“未來技術(shù)展望建議書”，并于2021年啟動6G愿景研究。

(2) 3GPP

3GPP是全球電信標準的主要制定者。目前，隨著R16版本在2020年7月凍結(jié)，R17的全面啟動，3GPP的5G標準化將日益成熟，其對6G的研究也已經(jīng)提上日程。根據(jù)2019年6月公布的時間表來看，3GPP將于2023年開始對6G的研究，并將在2025年下半年開始6G標準化工作(計劃2028年上半年完成)，預計2028年下半年將會有6G設(shè)備產(chǎn)品面市。

(3) IEEE

2016年12月，IEEE啟動了IEEE 5G Initiative計劃，旨在呼吁全球行業(yè)領(lǐng)導者、政策制定者和學術(shù)界通過一個中立論壇進行合作，推動5G的發(fā)展。隨后,該計劃于2018年8月更名為IEEE Future Networks，主要研究B5G以及6G相關(guān)技術(shù)。2020年9月，IEEE Future Networks公布了國際網(wǎng)絡(luò)世代路線圖(International Network Generation Roadmap，INGR)第一版[4]，用于指導運營商、監(jiān)管機構(gòu)、制造商以及研究人員等參與開發(fā)5G以及隨后的6G生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)方。INGR第一版公布了應用與服務(wù)、邊緣自動化平臺、硬件、大規(guī)模分布式天線、衛(wèi)星、毫米波、安全、標準化模塊及實驗平臺等9個關(guān)鍵技術(shù)趨勢，將影響5G和6G的未來發(fā)展。2019年3月，IEEE發(fā)起第一屆6G無線峰會，共同探討6G愿景和未來無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的研究挑戰(zhàn)和技術(shù)突破。

1.2 主要國家和地區(qū)開展的工作

(1) 美國

美國近年來已將6G放在國家戰(zhàn)略的重要位置，以確保美國在未來信息通信領(lǐng)域中重獲領(lǐng)導地位。2019年2月，美國總統(tǒng)特朗普在推特上呼吁美國要加快科技發(fā)展，通過競爭在5G以及6G領(lǐng)域取得勝利。2019年3月，美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)決定開放面向未來6G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的“太赫茲”頻譜(95 GHz～3 THz)，以供進行6G實驗[5]。美國貝爾實驗室已經(jīng)著手6G研發(fā)，建議6G將覆蓋擴展到整個地球乃至空間，要更加注重“人類需求”，達到“IoE3”(無物不互聯(lián)、無人不互聯(lián)、無地不互聯(lián))的愿景。美國紐約大學無線中心及美國加州大學的ComSenTer研究中心等多個研究機構(gòu)也在積極進行“太赫茲”等6G關(guān)鍵技術(shù)的研究。

(2) 歐盟

歐盟于2017年開始研發(fā)6G技術(shù)，希望在下一代移動通信關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位。歐盟設(shè)想6G的峰值速率要在100 Gbit/s以上，實現(xiàn)1 GHz的單信道帶寬，并使用高于275 GHz的太赫茲頻段進行通信。歐盟于2017年9月啟動6G基礎(chǔ)技術(shù)研究項目，探索面向6G網(wǎng)絡(luò)的下一代糾錯編碼、高級信道編碼及調(diào)制技術(shù)，預計3年完成。在Horizon 2020 ICT-09-2017資助下，歐盟和日本開展了一個名為“超越5G的網(wǎng)絡(luò)研究”項目，主要研究使用100～450 GHz太赫茲頻譜的可能性。通信巨頭諾基亞與奧盧大學、芬蘭國家技術(shù)研究中心投入巨資開展“6Genesis—支持6G的無線智能社會與生態(tài)系統(tǒng)”項目[5]，研究6G技術(shù)組件演進方向，探索可能的6G標準。2019年3月，奧盧大學與IEEE發(fā)起了首屆全球6G峰會，基于大會專家意見擬定了全球首份6G白皮書[6]。

(3) 韓國

得益于5G時代扎實的技術(shù)基礎(chǔ)，韓國希望在6G時代能夠繼續(xù)保持優(yōu)勢，成為全球首個推出商業(yè)服務(wù)的國家。2018年10月，SK電訊ICT研發(fā)中心的專家提出了太赫茲、無蜂窩架構(gòu)和非地面無線網(wǎng)絡(luò)的未來6G網(wǎng)絡(luò)三大使能技術(shù)。韓國在國家層面非常重視6G技術(shù)的研究，韓國通信與信息科學研究院于2019年4月召開6G論壇并成立研究小組，總統(tǒng)文在寅在6月出訪歐洲諸國過程中多次與各國首腦商討6G領(lǐng)域的合作，并與芬蘭總統(tǒng)Sauli Niinisto簽訂聯(lián)合開發(fā)6G的協(xié)議。2020年年初，韓國政府宣布與企業(yè)共同投資9 760億韓元，將于2028年在全球率先商用6G[5]。2020年7月14日，三星發(fā)布《下一代超連接體驗》6G白皮書[7]，宣稱6G將達到太級的傳輸速率和微秒級的時延，并通過AI等技術(shù)實現(xiàn)真正的通信與計算融合，使用戶可以自由地使用網(wǎng)絡(luò)中的計算能力。白皮書還提出實現(xiàn)6G服務(wù)須滿足性能、架構(gòu)和可信度三類要求，并通過沉浸式擴展現(xiàn)實、全息圖和數(shù)字孿生等6G服務(wù)將“下一代超連接體驗”帶入生活的每一個角落[7]。

(4) 日本

2005年，日本政府已將萬億赫茲(太赫茲)檢測分析技術(shù)確定為“國家支柱技術(shù)十大重點戰(zhàn)略目標”中優(yōu)先開發(fā)事項。經(jīng)過多年發(fā)展，日本電報電話公司(Nippon Telegraph and Telephone，NTT)于2018年7月宣布成功開發(fā)出了面向6G的太赫茲通信技術(shù)，其設(shè)備技術(shù)實驗室研發(fā)的磷化錮(InP)化合物芯片完成了300 GHz的高速傳輸實驗，當采用16QAM調(diào)制時單載波可達到6G的峰值速率100 Gbit/s，未來將拓展到多載波，通過多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)和OAM等空間復用技術(shù)，將支持超過400 Gbit/s的大容量無線傳輸。此外，NTT公司已在超低能耗的光電子融合芯片技術(shù)方面取得進展，使超長待機的6G設(shè)備成為可能。日本政府于2020年1月成立了6G技術(shù)研究會，負責制訂6G方面的性能指標及國家發(fā)展戰(zhàn)略，并計劃投入2 200億日元用于6G研究[5]。2020年4月8日，日本總務(wù)省宣布計劃于2025年完成6G主要技術(shù)研發(fā)，于2027年開始進行實驗，并在2030年啟用6G技術(shù)。此外，日本計劃成立由信息通信研究機構(gòu)、政府、企業(yè)和高校組成的6G組織，提高日本6G通信基站在世界市場份額中占比，并主導6G國際標準的制定。

(5) 中國

我國的移動通信技術(shù)從1G空白，2G跟隨，3G同步，到4G突破，經(jīng)過多年的積累和發(fā)展在5G時代已處于引領(lǐng)地位。2019年12月，西班牙錫切斯舉行的3GPP RAN第86次全會上，3GPP公布的5G R17階段23個標準立項中近一半由中國企業(yè)牽頭，包含5G需求和核心網(wǎng)設(shè)計等多個重要的標準化研究課題。我國同樣很早已開始布局6G研究，工業(yè)和信息化部部長苗圩在2018年3月表示我國已著手研究6G。2019年11月3日，科技部會同相關(guān)部委在京召開6G技術(shù)研發(fā)工作啟動會，宣布國家6G技術(shù)研發(fā)推進工作組(政府部門組成)和總體專家組(研究機構(gòu)、大學和公司組成)成立。2019年，中國華為公司在加拿大渥太華成立了6G研發(fā)實驗室，目前正處于早期研發(fā)階段。中國三大運營商均已開啟6G研發(fā)，中國移動已和清華大學達成合作，面向6G技術(shù)等重點領(lǐng)域進行研究；中國電信已啟動主頻為毫米波、次頻為太赫茲的6G技術(shù)研究；中國聯(lián)通成立了毫米波太赫茲聯(lián)合創(chuàng)新中心，開展B5G和6G通信技術(shù)的研究[5]。此外，2019年4月26日，我國毫米波太赫茲產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟在北京成立，開始布局太赫茲通信技術(shù)領(lǐng)域。

2 6G的愿景和性能指標

未來，遠程醫(yī)療、自動駕駛、遠程全息顯示、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、智慧城市以及工業(yè)4.0等被大家廣泛期待的新服務(wù)需要依靠近乎實時的全球無線連接和更加智能的6G網(wǎng)絡(luò)來支持。目前各組織機構(gòu)還沒有給出6G的明確定義，荷蘭奧盧大學公布的6G白皮書中將6G愿景描述為“泛在無線智能(Ubiquitous Wireless Intelligence)”[6]，而ITU Network 2030則將愿景定義為“新媒體、新服務(wù)和新基礎(chǔ)設(shè)施”[8]。我國的研究者則主要將6G愿景歸納成“空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)”“從Sub-6GHz、毫米波、太赫茲到光頻段的全頻譜”“AI和大數(shù)據(jù)支持下的全應用”“強安全”等幾個方面[2]。5G與6G技術(shù)指標對比如表1所示。

表1 5G與6G技術(shù)指標對比Tab.1 Comparison of 5G and 6G technical indicators

當前，一些主流機構(gòu)和廠商已經(jīng)發(fā)布了6G技術(shù)指標的初始草案，均認為6G與5G相比，要在大多數(shù)技術(shù)領(lǐng)域保持10～100倍的增長，即6G需要達到1 Tbit/s的峰值速率，能為特定用例(如工業(yè)控制、自動駕駛)提供低于1 ms的時延，擁有不高于十億分之一錯誤位的高可靠傳輸能力，且可為海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供大于每平方千米107個節(jié)點的連接密度。

3 無線接入關(guān)鍵技術(shù)

3.1 新型波形技術(shù)

一般的，波形設(shè)計需考慮整個通信系統(tǒng)，同時也需要對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，比如在5G NR系統(tǒng)所涉及的濾波系數(shù)、幀長、單位時隙內(nèi)的符號數(shù)以及子載波間隔等。對于6G通信系統(tǒng)來說，單個波形將包含比在5G NR系統(tǒng)中更多的配置參數(shù)，因此需要研究不同的波形處理方法和對新參數(shù)的優(yōu)化方法[9]。

在6G通信系統(tǒng)中，不僅參數(shù)配置的方法和處理難度增加，且在單幀中可能有多個波形共存，從而帶來干擾問題[10]。此外，波形處理技術(shù)需進一步提高。在5G NR系統(tǒng)中提出不同數(shù)術(shù)法對波形進行處理，通過對波形參數(shù)的優(yōu)化配置來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。6G系統(tǒng)需要更多不同的數(shù)術(shù)法來進一步提高參數(shù)配置的靈活性，除了已有的窗口法、濾波法等波形處理技術(shù)外[11]，文獻[12]面向5G演進以及6G通信系統(tǒng)，提出了一種非正交波形設(shè)計方法，以提高系統(tǒng)的頻譜效率。

為求得最優(yōu)的波形參數(shù)，需要將波形參數(shù)配置和資源分配進行聯(lián)合處理。當波形參數(shù)配置單元和資源分配單元進行交替優(yōu)化時，利用機器學習，在波形參數(shù)配置之間可以建立起有用且隱匿的關(guān)系，而不需要啟發(fā)式的工程設(shè)計和理論分析。同時，該方法也可以提高優(yōu)化的性能。由于6G通信系統(tǒng)會涉及很多潛在的新波形參數(shù)，因此在參數(shù)優(yōu)化配置過程中，如何基于機器學習的方法進行有效的數(shù)據(jù)訓練和制定相應的學習規(guī)則對6G的波形設(shè)計來說也是一個重要的挑戰(zhàn)[10]。它不僅需要考慮多波形之間的干擾因素，也需要探索能同時滿足干擾管理機制且兼顧新的波形處理技術(shù)和配置參數(shù)優(yōu)化的新框架。

如前所述，未來6G網(wǎng)絡(luò)的峰值速率有望達到100 Gbit/s～1 Tbit/s。正交時間頻率空間調(diào)制技術(shù)(Orthogonal Time Frequency Space Modulation, OTFS)是一種新型的將數(shù)據(jù)符號調(diào)制到時延-多普勒域的二維調(diào)制技術(shù)，它將信號調(diào)制到時延-多普勒域，將時延多徑信道轉(zhuǎn)換到時延-多普勒域，可以有力地支持未來無線通信系統(tǒng)中高移動性的場景。它比傳統(tǒng)的正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)的復雜度低，可以作為6G中高速移動通信場景下的候選方案。OTFS可以看作是在收發(fā)端進行了一系列的轉(zhuǎn)換，其詳細的調(diào)制方法如圖1所示[13]。

圖1 OTFS調(diào)制方法流程圖Fig.1 OTFS madulation method flow chart

3.2 多址接入技術(shù)

多址接入技術(shù)是移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，通過使多個用戶接入并共享相同的時頻資源來提高頻譜效率。前幾代移動通信系統(tǒng)已經(jīng)分別提出了不同的多址接入技術(shù)，比如時分多址(Time Division Multiple Address，TDMA)、頻分多址(Frequency Division Multiple Address，F(xiàn)DMA)、碼分多址(Code Division Multiple Address，CDMA)及空分多址(Space Division Multiple Address，SDMA)等。由于這些技術(shù)分別是在時/頻/碼/空域內(nèi)給接收端用戶進行正交地分配通信資源，因此容易造成資源浪費，難以滿足6G通信中超大容量、超低時延和超連接的性能需求[14]。

當前，非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)技術(shù)被業(yè)界看作是后5G和6G無線通信網(wǎng)絡(luò)的潛在多址接入技術(shù)，該技術(shù)是以正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過功率復用或者特征碼本設(shè)計，使多個用戶占用相同的時間、空間及頻譜等資源，從而顯著提升頻譜效率[15]。文獻[15]研究了復雜度受限下NOMA設(shè)計的理論模型，并考慮NOMA與MIMO技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，同時給出該系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的設(shè)計方案。文獻[16]面向5G和未來6G通信系統(tǒng)，考慮將NOMA與毫米波通信技術(shù)相結(jié)合，以進一步提升系統(tǒng)的通信容量。文獻[17]面向6G感知物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，提出了一種基于非正交多址技術(shù)的復合頻譜感知方法。

極化碼是一種可達信道容量的高性能編碼，已被看作是未來6G通信中信道編碼的重要候選方案，因此將極化編碼技術(shù)引入6G無線通信系統(tǒng)，研究面向6G的極化編碼NOMA技術(shù)也得到了關(guān)注。文獻[18]提出了面向6G的極化編碼NOMA技術(shù)框架，通過理論分析和方針驗證指出極化編碼NOMA技術(shù)可以以一種“智簡”的方式應對在6G多樣化場景下所面對的超高可靠性、超高頻譜效率、超大連接的技術(shù)挑戰(zhàn)，是滿足未來6G移動通信需求的重要候選方案。文獻[19]將極化碼與NOMA技術(shù)結(jié)合，介紹了極化編碼NOMA的系統(tǒng)架構(gòu)，提出了提高6G系統(tǒng)容量的基本方案。

可以說NOMA是下一代6G移動通信的代表性多址技術(shù)。文獻[20]提出了6G無線通信系統(tǒng)的3種典型的應用場景。未來需要針對6G不同的場景需求，對NOMA的總體架構(gòu)及其相關(guān)技術(shù)進行深一步的研究和優(yōu)化處理。

3.3 新型編碼技術(shù)

信道編碼，也就是差錯控制編碼，通過在發(fā)送端增加與原數(shù)據(jù)相關(guān)的冗余信息，再在接收端利用此相關(guān)性進行檢測和糾正傳輸過程中產(chǎn)生的錯誤，從而對抗傳輸過程中的干擾。基于信道編碼可以實現(xiàn)無線傳輸?shù)恼`比特率。為了滿足更高可靠性、更低的時延和更高吞吐量的需求，探索新型的信道編碼技術(shù)對6G移動通信來說極其重要。目前業(yè)界已經(jīng)對此展開了大量的研究。

在過去的幾十年里，隨著對Turbo碼、LDPC碼和極化碼的不斷研究，很多以此為基礎(chǔ)的信道編碼方法也得到了廣泛關(guān)注。它們不僅可以無限逼近于香農(nóng)極限，并且在糾錯能力、碼率和碼字長度重構(gòu)、支持混合自動重傳請求的能力以及復雜性方面都取得了很好的特性。特別是LDPC碼，由于其在編碼速率、編碼長度和譯碼時延方面的靈活性以及可以方便地支持混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ)的能力，已經(jīng)被用于保護5G標準里制定的增強移動寬帶(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)應用場景下的數(shù)據(jù)信道。在5G標準里，也將BC-LDPC(Block Code LDPC)碼用于數(shù)據(jù)信道，將極化碼用于控制信道。但BC-LDPC碼在碼長較短和碼率較低時的性能比較差，而極化碼在碼長較長時的譯碼復雜度比較高。

考慮到6G更高傳輸速率、更低時延和更高吞吐量的需求，基于LDPC編碼的CC-LPDC(Conventional Code LDPC)則具有很大的潛在性。CC-LDPC的編碼結(jié)構(gòu)與卷積碼非常相似[21]。與BC-LDPC碼相比，CC-LDPC能夠?qū)崿F(xiàn)較低的誤碼率、更低的譯碼時延，同時具有更低的譯碼復雜度，可以更好地應用于6G無線移動通信[22]。

為了進一步提高頻譜有效性，在6G無線通信中，將已有的信道編碼方法與高階調(diào)制相結(jié)合的方法也值得進一步關(guān)注。文獻[23]基于非二進制LDPC信道編碼，在8QAM和32QAM調(diào)制基礎(chǔ)上，研究了一種新穎的時序共享混合概率映射方法，并通過仿真結(jié)果證明該方法的可靠性高、靈活性好，可以應用于6G無線通信。與文獻[24]類似，文獻[25]基于非二進制LDPC信道編碼，進一步研究了128QAM的時序共享混合概率映射方法，并通過仿真驗證其特性，表明其應用于6G無線通信的潛在性。文獻[26]通過介紹滿足6G通信傳輸需求的極化編碼原理與傳輸技術(shù)，展望了極化碼在6G數(shù)據(jù)信道中的應用前景，并提出了極化處理的基本框架。

此外，當前業(yè)界的普遍觀點是智能化將貫穿6G網(wǎng)絡(luò)的每個環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)一個全自動化的網(wǎng)絡(luò)體系，因此需要基于現(xiàn)有的信道編碼理論，綜合考慮6G通信場景中更為復雜的信息傳輸特性，在已有的信道編碼方法上，結(jié)合相關(guān)的AI關(guān)鍵技術(shù)，研究新的智能信道編碼機制[25]。

3.4 無蜂窩大規(guī)模MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)目前已被廣泛應用，通過部署多根天線，極大提升了無線鏈路傳輸?shù)挠行院涂煽啃裕请S著運營商和用戶需求的急劇增加，頻譜資源顯得尤為匱乏。相較于傳統(tǒng)多用戶多天線技術(shù)，大規(guī)模MIMO技術(shù)[27]主要特征是在基站配置大量數(shù)目天線(幾十、幾百甚至上千)且同時為多個用戶服務(wù)，理論結(jié)果表明，當天線數(shù)目增大到無窮時，大規(guī)模 MIMO 具有信道硬化效應，能夠大幅度提升系統(tǒng)的頻率效率、能量效率和可靠性，成為未來通信中革命性技術(shù)之一。

隨著一代代通信系統(tǒng)的更迭，基站部署越來越密集，導致基站小區(qū)間干擾和頻繁越區(qū)切換等問題越來越嚴重，使得系統(tǒng)性能的提升遇到瓶頸。為解決這些瓶頸問題，T. L. Marzetta和E. G. Larsson等學者提出了無蜂窩大規(guī)模MIMO技術(shù)[28]，即在一個較大區(qū)域內(nèi)隨機放置大量的低發(fā)射功率的接入點(Access Points，APs)，且配置一根或多根天線，APs通過回程鏈路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚韱卧?Central Processing Unit，CPU)，并利用相同的時頻資源為多個用戶提供服務(wù)。無蜂窩大規(guī)模MIMO綜合了分布式天線系統(tǒng)和集中式大規(guī)模MIMO的優(yōu)點，相較于分布式天線系統(tǒng)，無蜂窩大規(guī)模MIMO回程開銷小，不需要基站間協(xié)作所需的額外導頻資源、復雜預編碼設(shè)計及調(diào)度等，且對時間同步要求不高；而相較于集中式大規(guī)模MIMO，無蜂窩大規(guī)模MIMO覆蓋范圍大，越區(qū)切換頻率低。無蜂窩大規(guī)模MIMO采用“以用戶為中心”的思想，通過減少APs和用戶間的距離，降低路徑損耗，獲得空間分集增益；同時，利用大量APs的傳播減少用戶干擾，大幅提升用戶體驗，研究表明，128×128配置的無蜂窩大規(guī)模 MIMO在100 MHz帶寬下可實現(xiàn) 10 Gbit/s數(shù)據(jù)速率[29]。

雖然無蜂窩大規(guī)模MIMO可在一定程度上降低小區(qū)間干擾，但用戶間干擾仍然不可忽視。為降低復雜度，一般采用簡單的共軛波束賦形(Conjugate Beamforming，CB)和迫零(Zero Forcing，ZF)算法，CB算法實現(xiàn)簡單且具有很小的回程要求，但會帶來更多的用戶間干擾；而ZF算法回程要求高且實現(xiàn)復雜度高，當用戶采用完全正交的導頻序列時，ZF算法可以提升無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能，降低用戶間干擾[30]。通過對導頻信號進行下行波束賦形，可以提升系統(tǒng)下行性能[31]。所有上述工作基于APs配置單天線，如果APs配置多根天線，可以增加分集和陣列增益，同時降低回程要求。

無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)對回程鏈路有更多要求，這無形中增加了總功率消耗，可能帶來頻譜效率增益的降低。隨著無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模迅速擴大，為滿足越來越高的數(shù)據(jù)速度需求，網(wǎng)絡(luò)能量效率已經(jīng)變得越來越重要，因此，能量效率也是6G通信系統(tǒng)的重要性能，無蜂窩大規(guī)模MIMO的能量有效性研究至關(guān)重要。文獻[32]提出在不需要額外增加頻率帶寬的情況下，采用最大-最小功率控制方法可有效節(jié)省無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能量；文獻[33]基于一種創(chuàng)新分析模型得到無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行性能閉式解，并當APs服從泊松分布時，在頻率效率和發(fā)射功率受限情況下，基于隨機幾何得到系統(tǒng)最大能量效率及其最優(yōu)解；無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行非理想傳輸中，考慮單用戶服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)和單AP傳輸功率受限情況下，文獻[34]提出一種基于ZF預編碼的低復雜度功率控制技術(shù)，在提高能量效率的同時降低用戶間干擾。眾所周知，能量效率會受到信道估計、功率控制、AP選擇策略、硬件及回程功率損耗等多方面影響，如何優(yōu)化設(shè)計這些因素來降低無蜂窩大規(guī)模MIMO能量效率還有待進一步研究。

4 6G新范式

4.1 全頻譜

繼Sub-6GHz以及24.25～52.60 GHz的毫米波頻段在5G階段分別列為可用FR1、FR2頻段后，6G開始探索更高頻率太赫茲頻段的應用。太赫茲是指頻率范圍0.1～10 THz頻段、波長3 mm～30 μm的電磁波[21]，其具有可用帶寬大、可穿透沙塵、煙霧和跟蹤相對激光通信更為簡單的特點，在與毫米波和激光通信競爭中獲得了極大的比較優(yōu)勢，是下一階段支撐100 Gbit/s及以上速率量級通信的主要技術(shù)手段。太赫茲在6G中除了應用于終端的無線接入之外，還可用于6G基站的高速無線回程以及機房設(shè)備間的高速無線總線場景，具有廣闊的應用場景。

目前，太赫茲通信的研究仍處于點到點的實驗室研究階段，大規(guī)模工程應用還面臨著太赫茲源、功率器件以及天線等一系列制約。在太赫茲信號源和調(diào)制方面，目前結(jié)合通信應用可分為電子學和光學兩個途徑。文獻[35]提出了一種肖特基二極管的次諧波混頻的超外差接收機，通過一個Ka頻段的本振源多次倍頻后信號作為混頻器的輸入，然后利用方向并聯(lián)肖特基二級管的輸出電流只有偶次諧波[36]的特點實現(xiàn)2或4倍頻太赫茲頻段載波信號。這種方案的主要問題在于具有較大的變頻損耗，后繼需要通過多級的功放實現(xiàn)輸出，但其相位噪聲等性能明顯優(yōu)于多次倍頻直接輸出載波方案[37]，且易于QAM、APSK等調(diào)制相結(jié)合。在光學途徑方面，大多是通過改變材料的物理學特點實現(xiàn)調(diào)制、可達傳輸速率較低，例如文獻[38]提出了一種利用激光動態(tài)改變有機聚合物非線性光學晶體的太赫茲信號透射率方案實現(xiàn)了1.26 MHz的調(diào)制。在太赫茲功率器件方面，基于InP工藝的固態(tài)功放輸出可達50 mW(220 GHz)量級[39]，行波管功放雖然輸出可達數(shù)W，但存在電源體積大、涉及高壓電路且功率效率低等問題，構(gòu)建高速、遠距離傳輸以及高集成太赫茲通信系統(tǒng)仍然面臨較大挑戰(zhàn)。由于太赫茲信號波束窄(約為毫弧度量級)，支持波束掃描的相控陣天線、超表面天線[40]和液晶天線[41]也是當前攻關(guān)的熱點。

作為6G全頻譜概念另一個重要組成部分的光通信主要包括自由空間光通信(Free Space Optical Communications, FSO)、可見光通信(Visible Light Communication, VLC)以及光學相機通信(Optical Camera Communication, OCC)，其具有快速安全、健壯高效以及頻譜資源比射頻高出3個數(shù)量級等優(yōu)勢。FSO[42]是以激光為載波來信息傳輸?shù)姆绞?，由于其存在光波束窄、環(huán)境振動和外界擾動明顯、易受大氣湍流等問題，需要突破激光束準直、精確跟蹤控制、高效激光放大以及高效信道編碼等關(guān)鍵技術(shù)。目前，F(xiàn)SO技術(shù)路線主要包括強度調(diào)制/直接探測光通信(IM/DD)[43]和相位調(diào)制/相干探測光通信系統(tǒng)[44]。前者具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的優(yōu)勢，后者在相同碼速率和誤碼率條件下較IM/DD可將探測靈敏度提高至少一個數(shù)量級，更有利于降低功率需求和終端體積。VLC[45]是一種利用照明發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED) 作為發(fā)射光源，并通過光強度調(diào)制和直接探測方法實現(xiàn)傳輸?shù)囊环N通信方式，其具有兼顧照明和傳輸、無電磁干擾以及發(fā)射功率大等優(yōu)勢。由于照明LED光源的調(diào)制帶寬較窄，且需要對抗環(huán)境復雜性帶來的多徑傳輸效應，VLC需要結(jié)合OFDM以及MIMO技術(shù)來獲得較高的頻譜效率[46]。OOC[47]是VLC的一個分支，差異在于OCC借助智能手機的攝像系統(tǒng)實現(xiàn)接收，并利用CMOS圖像傳感器卷簾快門特征實現(xiàn)RGB三色傳感器逐行曝光、記錄信息來實現(xiàn)接收。

4.2 全覆蓋

利用衛(wèi)星、臨近空間飛行器(無人機或者飛艇)來拓展覆蓋、構(gòu)造天地融合網(wǎng)絡(luò)是6G實現(xiàn)全球泛在通信的一個核心技術(shù)手段。3GPP從R14階段就開始關(guān)注衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡(luò)融合問題。R16階段3GPP提交了新提案TR38.821[48]，包括針對典型場景的鏈路級和系統(tǒng)級性能仿真驗證、NTN對5G物理層的影響、層2和層3的可選解決方案以及研究無線接入網(wǎng)的框架和對應的接口協(xié)議。在2019年12月西班牙錫切斯舉行的會議上，3GPP公布了R17階段的23個標準立項，其中5G非地面網(wǎng)絡(luò)由法國公司泰雷茲(Thales)牽頭，而NB-IOT與eMTC的非地面網(wǎng)絡(luò)由臺灣公司聯(lián)發(fā)科(Mediatek)和歐洲通信衛(wèi)星公司(Eutelsat)共同牽頭。根據(jù)R17的時間表“NR over NTN”將持續(xù)到2021年第1季度，“基于非地面網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IOT over NTN)”計劃于2021年初啟動，于2021年6月結(jié)束。與此同時，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自身的發(fā)展也非常迅速，作為代表的美國Starlink星座截至2020年10月已經(jīng)完成了14次發(fā)射，在軌衛(wèi)星數(shù)量達到895顆，初步公布服務(wù)資費為99美元/月，試驗速率達到150 Mbit/s。在臨近空間飛行器方面，據(jù)報道2020年1月，中國移動聯(lián)合華為完成全球首個無人機5G高空基站應急通信測試，高空無人機基站飛行200 m高空時覆蓋能力超過6.5 km。2017年9月，中科院電光研究院在內(nèi)蒙古首飛成功一顆超壓氣球，承重達到150 kg，飛行高度達到25 km，為未來基站長時滯空提供了條件。

天地一體、多維度立體覆蓋的主要難點在于相較于地面基站，衛(wèi)星或者臨近空間飛行器具有移動性，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、基站的覆蓋以及基站間相互的干擾都具有時變特征，且這些平臺的供電、載重以及器件處理能力都受到明顯的限制。在空中接口設(shè)計方面，必須考慮到衛(wèi)星軌道運動與無人機飛行造成多普勒效應以及動態(tài)時變的星地/空地延時[49]對子載波間干擾、同步和HARQ帶來的影響，以及更為嚴格的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)限制。在多址方面，為了支撐物聯(lián)網(wǎng)海量終端應用，非正交多址在星地鏈路中的應用得到了重視[50]，但仍需考慮衛(wèi)星用戶間通常無法實現(xiàn)嚴格同步、同一個波束內(nèi)的多用戶間功率差異小等因素對算法設(shè)計的影響，并能與當前衛(wèi)星廣泛采用的跳波束技術(shù)[51]結(jié)合在一起。干擾是星地協(xié)同覆蓋必須考慮的另一個重要問題。在寬帶衛(wèi)星通信的場景中，不僅要考慮與其他系統(tǒng)LEO、GEO之間的干擾，還要考慮自身未來多個軌道之間、不同衛(wèi)星間以及星地的干擾。目前與GSO的干擾協(xié)調(diào)有效方案是利用NGSO與GSO衛(wèi)星軌道高度差產(chǎn)生的俯仰漸進隔離角避免干擾[52]，簡單地說主要是避免被干擾對象落入衛(wèi)星與終端之間連線或者連線延長線為軸的圓錐體內(nèi)，錐體的底半徑取決于干擾的門限。這一方法也適用于不同NGSO系統(tǒng)之間以及自身多顆衛(wèi)星之間的干擾協(xié)調(diào)，前提是對被干擾衛(wèi)星的軌道進行精確估計。最后，在架構(gòu)方面，由于LEO星座的拓撲周期性的變化[53],星載網(wǎng)元與地面網(wǎng)元實體之間的路由變化、支撐虛擬化底層多種處理資源之間互聯(lián)關(guān)系的變化以及用戶與網(wǎng)絡(luò)設(shè)施之間的相對位置變化對未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

除了使用天基節(jié)點滿足海洋表面應用需求之外，水聲通信[54]在解決水面下覆蓋較藍綠激光通信、中微子通信具有傳輸距離遠、信號下潛深、成本相對較低的突出優(yōu)勢。根據(jù)研究，帶寬50 kHz的聲波在水下衰減為10-2～10-4dB/m，而聲速度是溫度、深度與鹽度的函數(shù)[54]，這使聲音信號可以傳遞至數(shù)百米深度或者數(shù)十千米外的水下目標。目前水聲通信的難點在于速率不高，且需要解決水下環(huán)境多變、信道條件復雜導致的多徑和時變衰落問題。

4.3 內(nèi)生安全

網(wǎng)絡(luò)當前的安全性主要依賴于位級加密技術(shù)和不同層級的安全協(xié)議，這些解決方案采用的都是‘補丁式’‘外掛式’的設(shè)計思想[55]。為了解決面臨的安全挑戰(zhàn)，在系統(tǒng)設(shè)計之初就植入防御機制，增強網(wǎng)絡(luò)機體自身的“免疫力”，物理層安全通信、量子密鑰分發(fā)以及區(qū)塊鏈與通信技術(shù)可望成為未來實現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生安全的有效途徑。

物理層安全技術(shù)源于Wyner提出的竊聽信道模型[56]，其模型表示當且僅當竊聽者的信道條件較合法接收者差時，可以實現(xiàn)物理層安全，即竊聽者無法獲取任何有效信息。后面的研究根據(jù)這一原理充分利用無線通信中各種因素(噪聲、衰落及干擾等)，來構(gòu)建合法接收者的優(yōu)勢信道，使信道質(zhì)量差異大于“安全間隙”并結(jié)合安全編碼[57]等手段實現(xiàn)安全傳輸。在優(yōu)勢信道構(gòu)建方面，人工噪聲[58]是合法接收者利用一部分功率來注入一個干擾信號，干擾和阻礙竊聽接收端的接收。面向波束成型的物理層安全技術(shù)是將信號指向合法接收者，例如基于天線陣列空間自由度進行波束賦形[59]。在安全編碼方面，因為極化碼的編碼過程為信道極化過程，與信道特征天然契合(比如可以將保密信息映射到合法接收者質(zhì)量好而竊聽者質(zhì)量差的輸入位)，因而成為當前安全編碼研究的熱點[60]。

量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution， QKD)是利用量子的不確定性以及不可克隆等特點實現(xiàn)密鑰安全分發(fā)的通信技術(shù)，其原理不依賴于數(shù)學復雜性，因而具有極強的安全性。QKD可基于光纖也可以基于無線光通信實施。BB84[61]是QKD最為成熟的分發(fā)協(xié)議，其利用單光子的偏振現(xiàn)象在量子信道中傳遞信息。2012年起，為解決針對探測設(shè)備的攻擊，業(yè)界進一步提出了基于時間反演糾纏協(xié)議的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議(Measurement Device Independent QKD,MDI QKD)[62]，后繼的實驗研究大多是基于MDI-QKD的。目前據(jù)報道，2018年底日本已經(jīng)實現(xiàn)了10 Mbit/s的高速Q(mào)KD實驗。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種綜合分布式存儲、點到點傳輸、新型共識機制及加密算法等多種技術(shù)的一種新型技術(shù)。區(qū)塊鏈利用許多現(xiàn)成的加密機制，加密地將用戶偽身份與標記資產(chǎn)交易聯(lián)系在一起，并創(chuàng)造性地建立一種共識機制，可以在大量無信任節(jié)點間提供關(guān)于全局分類賬-數(shù)據(jù)狀態(tài)的共識[63]，具有數(shù)據(jù)不可篡改、操作受監(jiān)督及無需高成本處理中心等突出優(yōu)勢，可為6G安全提供支撐。目前區(qū)塊鏈在6G中的應用研究主要集中在頻譜智能安全共享[64]和在物聯(lián)網(wǎng)中提供分布式安全機制并設(shè)計輕量化的算法[65]。

4.4 全應用和AI

豐富多彩的應用是推動移動信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的核心動力，未來6G的泛在、高速、低延時以及確定性的服務(wù)質(zhì)量保障可望有效賦能以下領(lǐng)域的發(fā)展：① 虛擬現(xiàn)實，包括VR(Virtual Reality)、AR(Augmented Reality)和MR(Mixed Reality)，支撐全息顯示應用，研究如何利用云計算解決降低用戶使用成本、并解決帶來的延時等服務(wù)質(zhì)量問題[66], 2019年中國信息通信研究院聯(lián)合多家單位共同發(fā)布了《5G云化虛擬現(xiàn)實白皮書》[67]；② 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等, 3GPP組織在R16階段為垂直行業(yè)應用立項了多個標準[68]，后繼6G還將根據(jù)需求進一步強化對智能制造、社會治理的支撐；③ 車聯(lián)網(wǎng)，支持可靠的車與萬物相連(Vehicle to Everything, V2X)，支持無人機與地面控制器之間的通信，構(gòu)建新一代智慧交通網(wǎng)絡(luò)；④ 其他，如AI助理、數(shù)字孿生[69]等。智慧內(nèi)生是支撐未來6G 全頻譜、全覆蓋、全應用的核心關(guān)鍵要素。目前，在無線接入層面，AI可用于解決大連接場景、復雜信道下頻譜共享[70]、自適應傳輸[71]和優(yōu)化多址[72]。在網(wǎng)絡(luò)和應用層面，AI可用于智能QoS保障[73]、資源分配[74]、云計算優(yōu)化[75]和安全保障[76]。

5 未來展望

如果說5G時代可以實現(xiàn)信息的泛在可得，6G應在5G基礎(chǔ)上全面支持整個世界的數(shù)字化，并結(jié)合AI等技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)智慧泛在可得、全面賦能萬事萬物[77]。隨著技術(shù)攻關(guān)的進展，預計到2030年6G網(wǎng)絡(luò)可望進入商用階段，構(gòu)建起承載下一步人類社會數(shù)字發(fā)展轉(zhuǎn)型任務(wù)的新一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，達到實現(xiàn)全地形、全空域、全時域的低延遲、敏捷按需和可靠安全的服務(wù)能力，真正實現(xiàn)泛在隨心、智慧隨行、萬物互聯(lián)的發(fā)展愿景。