第六代移動(dòng)通信技術(shù)探析

李 蕾

(山西傳媒學(xué)院，山西 晉中 030619)

0 引言

6G(第六代移動(dòng)通信技術(shù))是5G蜂窩技術(shù)的后繼者，將是一個(gè)由多個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的組合系統(tǒng)，包括局域網(wǎng)、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星以及其他尚未定義的網(wǎng)絡(luò)。6G將探索新的溝通機(jī)制，而無需受現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)范例或技術(shù)的限制。它嵌入了完全兼容的新概念、新體系結(jié)構(gòu)、新協(xié)議以及新解決方案以支持現(xiàn)有和未來的方案。國際電信聯(lián)盟于2019年5月探討過IMT-2030標(biāo)準(zhǔn)，指出6G旨在提供革命性的新用戶體驗(yàn)，并提供一系列全新的感官信息和體驗(yàn)[1]。

1G到4G的發(fā)展符合10年周期規(guī)則，即每一代從開始出現(xiàn)到真正成熟應(yīng)用需要?dú)v經(jīng)10年。1G到4G主要改變的是人們的“生活”，5G主要改變“社會(huì)”，而萬物互聯(lián)的6G將大大提高改變“社會(huì)”的程度[2]。

6G是在5G的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展和升級的。從網(wǎng)絡(luò)訪問的角度來看，6G將包括各種接入網(wǎng)，如移動(dòng)蜂窩、衛(wèi)星通信、飛機(jī)通信、水下聲通信以及可見光通信等。從網(wǎng)絡(luò)覆蓋的角度來看，6G將建立跨越太空、空中、海洋及陸地的集成網(wǎng)絡(luò)，以真正實(shí)現(xiàn)全球集成信息的無縫覆蓋[3]。從網(wǎng)絡(luò)性能的角度來看，6G將提升傳輸速率、端到端時(shí)延、可靠性、連接密度、頻譜效率及網(wǎng)絡(luò)效率以滿足各個(gè)行業(yè)的不同網(wǎng)絡(luò)需求。從網(wǎng)絡(luò)智能的角度來看，6G網(wǎng)絡(luò)及其用戶將成為一個(gè)統(tǒng)一的對象。人工智能將更深入地研究用戶需求，每個(gè)用戶將能夠通過人工智能助手來改善用戶體驗(yàn)。

1 6G網(wǎng)絡(luò)性能

從ICT的幾個(gè)不同角度來看，與5G相比，6G的延遲更低，峰值速率更高，用戶體驗(yàn)率速度更快，其流量密集程度將是5G的10～1 000倍，移動(dòng)性增強(qiáng)將是5G的2倍，最大連接數(shù)將是5G的100倍，不論室外還是室內(nèi)定位能力都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于5G。頻譜支持范圍更寬，是5G的50～100倍，可靠性更高，網(wǎng)絡(luò)能源效率將是5G的兩倍[4]。具體性能對比情況如表1所示。

表1 6G與5G性能對比

2 6G的應(yīng)用場景

6G將會(huì)被應(yīng)用于智能交互、空間通信、情感和觸覺交流、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、多感官混合現(xiàn)實(shí)、全自動(dòng)交通以及機(jī)器間協(xié)同等場景[5]。

2.1 超能交通

6G時(shí)代，人們將能體驗(yàn)到網(wǎng)絡(luò)帶來的智慧服務(wù)，如超能交通將會(huì)大大改善交通出行和交通環(huán)境，給人們帶來更好的交通體驗(yàn)。連接自動(dòng)駕駛汽車需要更高要求的可靠性和低延遲水平，當(dāng)下的技術(shù)滿足上面條件還存在很多困難[6]。在6G系統(tǒng)的推動(dòng)下自動(dòng)駕駛汽車應(yīng)用將更加普遍。無人機(jī)在農(nóng)業(yè)、城市治理、航拍、軍事以及物流等場景下也會(huì)有廣泛的應(yīng)用。充分利用“海洋-陸地-太空”多模態(tài)交通工具，根據(jù)需求為人們提供定制的立體交通服務(wù)。

2.2 精準(zhǔn)醫(yī)療

在5G時(shí)代，依靠數(shù)字技術(shù)對人體健康進(jìn)行監(jiān)測，主要針對宏觀的身體指標(biāo)和顯性疾病預(yù)防等方面，不能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化健康數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。 6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得精準(zhǔn)醫(yī)療可以擴(kuò)大應(yīng)用區(qū)域，如通過在人體內(nèi)安裝智能傳感器，對神經(jīng)系統(tǒng)和重要器官等進(jìn)行精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地映射，從而可以實(shí)時(shí)監(jiān)測人體個(gè)性化健康數(shù)據(jù)[7]。另外，結(jié)合醫(yī)療器械所做的影像結(jié)果，利用成熟的AI技術(shù)，可以應(yīng)用于癌癥等重大疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和早期篩查等方面，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療健康服務(wù)由原來的“以治療為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙灶A(yù)防為主”。

2.3 智能交互

人與物的智能體之間產(chǎn)生的智慧交互行為稱為智能交互?，F(xiàn)有的智能交互還沒有主動(dòng)的，如當(dāng)人們有需求時(shí)，才會(huì)與智慧家電產(chǎn)生語音或視覺交互。

隨著AI技術(shù)越來越成熟，6G時(shí)代的智能體將具有更加智慧的情境感知能力和自主認(rèn)知能力，能夠判斷情感并將智能狀態(tài)反饋，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的智能交互行為[8]?？梢詮V泛用于特定人群，如陪護(hù)老齡群體和陪伴兒童心智成長等，有利于共享學(xué)習(xí)能力。

2.4 通感互聯(lián)網(wǎng)

隨著ICT的發(fā)展，信息通信交互的載體已經(jīng)從語音和圖片發(fā)展到現(xiàn)在的視頻和e-book等，但還不能實(shí)現(xiàn)人們的多維“感覺”互通，所以需要將“感覺”延展以便更好地解放自我，這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)必須靠移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展。

將多維度感官聯(lián)動(dòng)起來從而達(dá)到感覺互通的傳輸網(wǎng)絡(luò)就是通感互聯(lián)網(wǎng)。借助于互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施，人們可以調(diào)動(dòng)聽覺和視覺等所有感覺甚至情感并最終實(shí)現(xiàn)這些感覺的傳輸與交互。不受地域限制，人們可以獲得逼真的沉浸式體驗(yàn)，如可以感受美食、參與護(hù)膚體驗(yàn)以及虛擬旅游等。

3 6G的潛在挑戰(zhàn)

6G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展面臨許多挑戰(zhàn)，可以分為技術(shù)挑戰(zhàn)和非技術(shù)挑戰(zhàn)兩類。技術(shù)挑戰(zhàn)包括太赫茲波、峰值速率、更高的能效以及連接靈活性等；非技術(shù)挑戰(zhàn)主要包括提供服務(wù)的能力。

3.1 技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1.1 太赫茲波

THz頻段固然優(yōu)點(diǎn)很多，但也存在局限性。其一是通信信號(hào)定向傳播。低頻THz會(huì)引起更大的自由空間衰減，太赫茲通信是高度定向的波束信號(hào)傳播。其二THz具有超強(qiáng)衰落特點(diǎn)。遇到陰影THz信號(hào)就會(huì)變得很敏感，還會(huì)影響到通信的覆蓋區(qū)域。其三間歇性連接和快速的頻道波動(dòng)。太赫茲頻帶中的相干時(shí)間非常短，多普勒頻散很大。由于存在很強(qiáng)的陰影衰減，這將會(huì)使得THz的傳輸通道衰減波動(dòng)性更加明顯。另外，THz系統(tǒng)中，信號(hào)具有高度定向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，覆蓋面積小，只能構(gòu)成單元小蜂窩，這也就弱化了傳輸路徑。系統(tǒng)的連接不能連續(xù)化，而是間歇性的，所以急需產(chǎn)生一種具備自適應(yīng)的通信機(jī)制[9]。

3.1.2 峰值速率

從1G到5G發(fā)展以來，速率一直是人們所關(guān)心的重點(diǎn)問題之一。6G將進(jìn)一步提高峰值速率，如太比特時(shí)代(Tb/s)。AR/VR和全息通信所需的數(shù)據(jù)速率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他無線應(yīng)用，將成為6G支持的應(yīng)用。海量數(shù)據(jù)傳輸是智能(大數(shù)據(jù))通用應(yīng)用程序的特點(diǎn)，大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的智能應(yīng)用有可能成為促進(jìn)6G發(fā)展的核心因素。

3.1.3 能源效率更高

5G的能耗問題較大，而且還會(huì)產(chǎn)生可觀的運(yùn)營成本。由于6G和5G相比具有更快的速率、更大的網(wǎng)絡(luò)接入量、規(guī)模更加龐大以及突破空間界限等特點(diǎn)，根據(jù)6G技術(shù)的前瞻方向，若要建構(gòu)所謂的空天地一體的全領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)，能耗可看做是6G 網(wǎng)絡(luò)能否成形的關(guān)鍵，這將對能耗構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。隨著頻譜效率和頻譜帶寬的增加，吞吐量可以大大提高，但是能效問題將更加嚴(yán)重，主要體現(xiàn)在以下兩方面。一是大量的傳感器會(huì)帶來很高的總能源消耗；二是在智能行業(yè)中要處理海量數(shù)據(jù)需要消耗大量功耗，這是不可避免的。因此需要盡量減小損耗，提倡節(jié)能通信。

3.1.4 無所不在全覆蓋網(wǎng)絡(luò)

科技不斷發(fā)展，在將來遙遠(yuǎn)的外太空還有深海都會(huì)是人們的活動(dòng)區(qū)域，沙漠和海底這些沒有通信信號(hào)的地方也會(huì)布置規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)暢通。有必要建立一個(gè)無處不在的物聯(lián)網(wǎng)，一個(gè)通用的(帶有各種傳感器)識(shí)別系統(tǒng)，借助于深度學(xué)習(xí)+大數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)不受時(shí)間和空間限制的連接需求。任何人都可以隨時(shí)隨地與任何相關(guān)對象進(jìn)行交互以獲得有價(jià)值的信息必將成為6G時(shí)代所追求的目標(biāo)[10]。

3.2 非技術(shù)挑戰(zhàn)

6G時(shí)代，用戶體驗(yàn)將是評價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素，面臨著綜合服務(wù)的考驗(yàn)。第一，融合服務(wù)：相比于5G，原生融合計(jì)算、通信、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)服務(wù)；第二，按需服務(wù)：需要實(shí)現(xiàn)個(gè)人定制服務(wù)模式。有些人更看重通信低資費(fèi)，會(huì)忽視數(shù)據(jù)的可靠性；有些人將數(shù)據(jù)可靠性放在第一位，會(huì)忽視傳輸速率，而有些人為了換取數(shù)據(jù)安全性，寧愿選擇不帶智能功能的手機(jī)。總之，用戶們將有權(quán)利選擇6G中自己喜歡的內(nèi)容。第三，隱私安全：由5G時(shí)的被動(dòng)安全改為主動(dòng)安全，將技術(shù)與法律手段有效聯(lián)合起來，共同實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)。

4 6G研究方向

4.1 數(shù)據(jù)選擇和特征提取的學(xué)習(xí)技術(shù)

未來連接的設(shè)備(如自動(dòng)駕駛汽車的傳感器)生成的大量數(shù)據(jù)將對通信技術(shù)造成壓力，導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)無法保證所需的服務(wù)質(zhì)量。因此，區(qū)分信息的價(jià)值至關(guān)重要。機(jī)器學(xué)習(xí)(Machine Learning，ML)策略可以評估觀測值的相關(guān)程度，或者從輸入向量中提取特征并預(yù)測后給定整個(gè)歷史記錄的概率。此外，6G中無監(jiān)督和強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法不需要標(biāo)簽，可以用于以真正自治的方式來操作網(wǎng)絡(luò)。

4.2 用戶與運(yùn)營商之間的知識(shí)共享

頻譜和基礎(chǔ)架構(gòu)共享在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中有利于復(fù)用能力最大化。借助學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)型網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營商和用戶還可以共享特定網(wǎng)絡(luò)部署或用例的學(xué)習(xí)。

4.3 以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)仍處于起步階段，但它將成為復(fù)雜的6G系統(tǒng)的基本組成部分。該體系構(gòu)想分布式人工智能以實(shí)現(xiàn)完全以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。分布式方法可以實(shí)時(shí)處理ML算法，使網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度更快。

5 結(jié)論

衡量未來6G通信的發(fā)展不能單一看傳輸速率，關(guān)鍵是萬物互聯(lián)，其必然會(huì)面臨建立可信網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)。6G新技術(shù)的應(yīng)用會(huì)大大增強(qiáng)通信的安全性和保密性，將滿足ICT發(fā)展的個(gè)性化和實(shí)時(shí)需求。