6G研究進展及關(guān)鍵技術(shù)淺析

陳 丹，郭先會

(1.四川省大數(shù)據(jù)中心，四川 成都 610094；2.中國電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

5G是4G(LTE-A、WiMAX)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系統(tǒng)的擴展。5G業(yè)務通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)，終端接入網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，使人與物、人與人、物與物緊密相連。5G網(wǎng)絡(luò)是一個質(zhì)的飛躍，是萬物互聯(lián)的開始。隨著5G應用的不斷更新，未來社會將進入一個數(shù)據(jù)驅(qū)動的時代，人類社會將真正進入一個巨大變革的時代，真正的物理空間和虛擬網(wǎng)絡(luò)空間將實現(xiàn)深度融合。隨著大數(shù)據(jù)在物理空間的動態(tài)采集、存儲、分析和決策，以及隨后的實時返回物理空間，需要依靠6G通信來實現(xiàn)安全、可靠、低成本的高速數(shù)據(jù)分發(fā)。

1 6G全球研究現(xiàn)狀

目前，6G全球研究現(xiàn)狀如表1所示。

表1 6G全球研究現(xiàn)狀

2 6G愿景

6G以5G為基礎(chǔ)，全力支持全社會的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)從萬物互聯(lián)到萬物智能互聯(lián)的轉(zhuǎn)型。6G將實現(xiàn)比5G更強大的性能，專注于滿足5G網(wǎng)絡(luò)難以滿足的應用場景和業(yè)務需求。與5G相比，6G將進一步改善現(xiàn)有的關(guān)鍵性能指標。6G的最大峰值速率可達100gb /s～1Tb /s。用戶體驗率將大于10Gb/s，端口延遲小于0.1ms。6G與5G關(guān)鍵性能指標對比如2表所示。

表2 6G與5G關(guān)鍵性能指標對比

3 6G關(guān)鍵技術(shù)淺析

目前，對6G技術(shù)的研究還處于討論的早期階段。隨著研究的深入和對6G技術(shù)的探討，人們對6G的認識逐漸清晰，研究方向也越來越明確。

3.1 太赫茲通信

太赫茲波是一種電磁波，其頻譜為0.1～10tHz，波長為30～3000μm。光譜介于微波和遠紅外之間，低頻段與毫米波相鄰，高頻段與紅外光相鄰。它位于宏觀電子學和微觀電子學之間的過渡區(qū)。太赫茲通信作為一種介于微波和光波之間的新頻段，尚未得到充分發(fā)展，它具有頻譜豐富、傳輸速率高等優(yōu)點。它是6G移動通信中最具優(yōu)勢的無線寬帶接入技術(shù)。

太赫茲波與微波和無線光通信相比有許多優(yōu)點。1) 更適合高速短程無線通信。太赫茲波在空氣中傳播時，容易被空氣中的水分吸收，更適合高速短程無線通信。2) 抗干擾能力強。光束窄，方向性好，抗干擾能力強，在2～5km范圍內(nèi)可實現(xiàn)安全通信。3) 高頻譜帶寬。太赫茲波的高頻寬帶可以滿足無線寬帶傳輸?shù)念l帶要求。太赫茲波的頻譜范圍為108～1013kHz，可用頻譜帶寬為幾十千兆赫，通信速率達到tb/s級。4) 更適合于空間通信。與無線光通信相比，光波束寬，接收機易于對準，量子噪聲低，天線連接器可小型化、扁平化。因此，太赫茲波可以廣泛應用于空間通信，特別是衛(wèi)星通信。太赫茲通信技術(shù)[1]研究僅20年，許多關(guān)鍵器件尚未成功開發(fā)，一些關(guān)鍵技術(shù)還不夠成熟，需要大量的研究。

3.2 超大規(guī)模天線技術(shù)

超大規(guī)模天線技術(shù)[2]是提高無線移動通信系統(tǒng)頻譜效率的關(guān)鍵技術(shù)之一?？紤]到6G的要求，大規(guī)模天線技術(shù)需要在以下主題研究和取得突破：一是研究可配置的大規(guī)模天線射頻技術(shù)，突破低能耗、高集成度的射頻電路，解決面臨的高效率、低噪聲、抗干擾等重要挑戰(zhàn)。二是解決跨頻段、高效率、全空域覆蓋天線射頻領(lǐng)域的理論和技術(shù)實現(xiàn)。三是研究新型大規(guī)模陣列天線的設(shè)計理論和技術(shù)，高集成度射頻電路的優(yōu)化，高性能大規(guī)模波束成形網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計技術(shù)。

3.3 海陸空一體化通信

在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，空間、陸地和海洋的綜合通信分別與衛(wèi)星通信和深海通信深度融合。海陸空綜合通信網(wǎng)可分為兩個子網(wǎng)：一個子網(wǎng)由陸基(即地面、非蜂窩網(wǎng)絡(luò)等)、空基(無人機、飛艇、飛機等)和天基(各類衛(wèi)星、衛(wèi)星鏈等)組成；另一個子網(wǎng)由水下、海上、深海通信設(shè)備，結(jié)合天基的深海通信子網(wǎng)。構(gòu)建6G系統(tǒng)的挑戰(zhàn)之一是如何解決地面網(wǎng)絡(luò)(TN)和非地面網(wǎng)絡(luò)(NTN)的集成問題。海陸空綜合通信網(wǎng)如圖1所示。

圖1 海陸空融合通信網(wǎng)

3.4 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈[3]就是使用其分布式信息處理技術(shù)，以確保用戶信息不會被第三方分散的數(shù)據(jù)傳輸和存儲所竊取。這一特性穩(wěn)步提高網(wǎng)絡(luò)服務節(jié)點之間的協(xié)作效率，改善了不同運營商之間的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作，改變了無線頻譜資源的使用方式。

圖2 區(qū)塊鏈層次架構(gòu)圖

區(qū)塊鏈層次架構(gòu)圖主要包括：數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應用層。數(shù)據(jù)層主要是由多個事務交易信息和子塊信息組成的數(shù)據(jù)賬本，包含了儲存數(shù)據(jù)的區(qū)塊、時間戳、非對稱加密技術(shù)以及哈希函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)層為分布式網(wǎng)絡(luò)，因此采用對等網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)模式，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以扮演路由節(jié)點的角色，傳遞收到的信息。共識層是在一個互不信任的分布式系統(tǒng)，每個節(jié)點很快就達成了所謂的全網(wǎng)共識。激勵層采用特定的激勵機制，保證分布式系統(tǒng)中的所有節(jié)點都能參與數(shù)據(jù)塊的驗證過程。合約層包括貨幣發(fā)行、智能合約和合約腳本。應用層包括多中心應用程序和基于公共服務平臺的應用程序。

3.5 基于AI的無線通信技術(shù)

近年來，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來和各種軟硬件計算資源的不斷完善，人工智能特別是深度學習已經(jīng)成為一個具有許多實際應用和活躍研究課題的領(lǐng)域。深度學習的出現(xiàn)刺激了語音識別、計算機視覺、機器翻譯、生物信息學等領(lǐng)域的快速發(fā)展。人工智能在無線通信系統(tǒng)中的集成大大提高了無線通信系統(tǒng)的效率。其主要思想是在無線資源管理和分配領(lǐng)域引入人工智能，特別是深度學習。

物理層傳輸?shù)娜斯ぶ悄苤饕岢鰞煞N深度學習網(wǎng)絡(luò)：一種是基于數(shù)據(jù)的，另一種是基于數(shù)據(jù)模型的?；跀?shù)據(jù)模型雙驅(qū)動的深度學習網(wǎng)絡(luò)在原有無線通信系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，不改變無線通信系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)，采用深度學習網(wǎng)絡(luò)代替模塊或訓練相關(guān)參數(shù)來提高模塊的性能?；跀?shù)據(jù)的深度學習網(wǎng)絡(luò)將無線通信系統(tǒng)的幾個功能模塊視為未知的黑匣子，用深度學習網(wǎng)絡(luò)代替，然后依靠大量的驅(qū)動器數(shù)據(jù)完成輸入和輸出驅(qū)動器。人工智能在物理層傳輸中的應用，意味著底層的信號處理和通信機制打破了傳統(tǒng)的通信理論框架，可以取代受控的信號處理和通信機制。

未來人工智能將在端到端網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮核心作用，包括：智能核心網(wǎng)、智能邊緣網(wǎng)、智能手機、智能物聯(lián)網(wǎng)終端、智能商務應用等。智能網(wǎng)絡(luò)是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的大勢所趨，網(wǎng)絡(luò)運維模式將發(fā)生根本性的結(jié)構(gòu)變化。

4 結(jié)束語

隨著5G的商業(yè)化，6G的研究也在全球范圍內(nèi)展開。然而，6G的探索仍處于初級階段，關(guān)鍵技術(shù)尚未達成共識。本文介紹了6G的最新發(fā)展，闡述了6G的愿景需求和關(guān)鍵性能，在此基礎(chǔ)上介紹了太赫茲通信、超大規(guī)模天線技術(shù)、海陸空融合通信、區(qū)塊鏈技術(shù)和基于人工智能的無線通信技術(shù)。雖然新技術(shù)具有優(yōu)勢，但我們也需要考慮新技術(shù)能否應用于新一代移動通信系統(tǒng)。除了技術(shù)上的進步，我們還必須考慮芯片和器件在功耗、體積和成本等的技術(shù)可行性。