面向6G全場景的多頻段協(xié)同覆蓋擴(kuò)展技術(shù)

韓書君/HAN Shujun，董晴/DONG Qing，許曉東/XU Xiaodong

（北京郵電大學(xué)，中國 北京 100876）

隨著5G商用及其在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的滲透，移動(dòng)通信已為全球80%的用戶提供移動(dòng)通信服務(wù)。受限于覆蓋能力和建設(shè)成本等因素，目前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)只覆蓋了約20%的陸地面積、小于6%的地表面積，尚未達(dá)到全球覆蓋的目標(biāo)。未來6G業(yè)務(wù)對(duì)覆蓋能力提出了全面的需求，包括應(yīng)用場景從單場景向多場景擴(kuò)展，基礎(chǔ)設(shè)施從平面到立體、從局部到全球、從中低頻段向更高頻段擴(kuò)展等。無線覆蓋能力的擴(kuò)展成為6G的主要挑戰(zhàn)之一。為了滿足6G系統(tǒng)的多樣化需求，有效地重新利用低、中、高頻段頻譜資源至關(guān)重要。針對(duì)如何在6G網(wǎng)絡(luò)時(shí)空尺度跨度大、全場景業(yè)務(wù)質(zhì)量差異大、超密集覆蓋能耗大等關(guān)鍵挑戰(zhàn)下實(shí)現(xiàn)容量和能效約束下的覆蓋能力擴(kuò)展，我們從面向全場景的多頻段協(xié)同覆蓋擴(kuò)展技術(shù)角度展開研究。

1 6G愿景及無線覆蓋擴(kuò)展需求

1.1 6G愿景及典型應(yīng)用場景

目前，雖然業(yè)界對(duì)6G移動(dòng)通信的相關(guān)研究正處于百家爭鳴的預(yù)研階段，但已有了大概的愿景，可概括為：物理世界、數(shù)字世界、生物世界和泛在智能的融合，即“萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生”?；谛畔?、通信與數(shù)據(jù)融合技術(shù)構(gòu)建的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施，未來6G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)將呈現(xiàn)數(shù)字化、智能化、精準(zhǔn)化、情景化、個(gè)性化、沉浸化等全新發(fā)展趨勢。相比于5G時(shí)代典型的三大應(yīng)用場景，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、高可靠低時(shí)延通信（URLLC）和大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC），6G典型應(yīng)用場景更加多樣化（如圖1所示），涵蓋沉浸式云擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）、全息通信、感官互聯(lián)、智慧交互、通信感知、普惠智能、數(shù)字孿生、全域覆蓋八大業(yè)務(wù)應(yīng)用場景。6G應(yīng)用場景對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)、覆蓋、速率、帶寬、時(shí)延等提出了新需求。

圖1 網(wǎng)絡(luò)需支撐的潛在全場景業(yè)務(wù)[2]

1.2 6G無線覆蓋擴(kuò)展需求

覆蓋是移動(dòng)通信基礎(chǔ)指標(biāo)，頻譜是無線通信的核心資源。覆蓋、頻譜、容量和能效之間存在著互相約束的復(fù)雜關(guān)系。我們可以從6G全場景覆蓋擴(kuò)展的角度來提煉這些應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力需求，具體包括移動(dòng)寬帶在空間、地面的服務(wù)能力，在熱點(diǎn)區(qū)域提供的超高容量，以及針對(duì)垂直行業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)連接特性等服務(wù)能力的拓展。我們可以將這些需求總結(jié)概括為廣域覆蓋、連續(xù)覆蓋以及深度覆蓋，如圖2所示。未來6G在高速率、低時(shí)延、高可靠、高密度、廣覆蓋等方面同步擴(kuò)展無線覆蓋時(shí)面臨著巨大挑戰(zhàn)。因此，我們需要進(jìn)一步考慮擴(kuò)展且具有業(yè)務(wù)針對(duì)性的覆蓋能力，以有效地支撐新服務(wù)新業(yè)務(wù)所需覆蓋，保障通信以及新功能。5G重點(diǎn)關(guān)注了流量密度和連接密度等覆蓋指標(biāo)。隨著6G的演進(jìn)，如何在時(shí)空尺度跨度大、全場景業(yè)務(wù)質(zhì)量差異大、超密集覆蓋能耗大等關(guān)鍵挑戰(zhàn)下實(shí)現(xiàn)容量和能效約束下的覆蓋能力擴(kuò)展成為6G無線覆蓋的核心難題。

圖2 6G全場景覆蓋擴(kuò)展需求

為了有效地支撐更為寬廣的新服務(wù)與新場景所需的覆蓋，未來6G網(wǎng)絡(luò)將在極致低時(shí)延高可靠、泛在海量連接、感知與定位等關(guān)鍵挑戰(zhàn)下，基于無線覆蓋擴(kuò)展新架構(gòu)，支持全場景業(yè)務(wù)。這樣可以實(shí)現(xiàn)廣度覆蓋能力與深度覆蓋能力按需覆蓋、全場景與大動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)質(zhì)量一致性保障、高容量與高能效組網(wǎng)需求有機(jī)融合，以及空天地立體協(xié)同、全頻段高效利用和通信計(jì)算融合基礎(chǔ)上的6G網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋。特別地，需要針對(duì)6G全場景業(yè)務(wù)有針對(duì)性地?cái)U(kuò)展6G無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力，包括容量與覆蓋能力的雙提升、服務(wù)與業(yè)務(wù)質(zhì)量的連續(xù)性以及雙提升基礎(chǔ)上的高能效。

2 多頻段協(xié)同覆蓋特點(diǎn)

傳統(tǒng)移動(dòng)通信主要針對(duì)人口密集區(qū)域提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋，且覆蓋半徑有限，而6G將支持天地融合全域覆蓋，大幅提升小區(qū)覆蓋，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)Tbit/s的傳輸速率，這意味著將需要大量的頻譜資源。作為“最后一米”的側(cè)行鏈路，短距通信將利用毫米波、太赫茲等高頻段提供極致無線連接，重點(diǎn)滿足短距通信超高吞吐、超低時(shí)延和超低功耗的系統(tǒng)需求。沉浸式云XR、全息通信、全新的元宇宙接口等業(yè)務(wù)場景，都可以通過短距通信實(shí)現(xiàn)從有線到無線的躍遷，實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)以及真正的沉浸式體驗(yàn)。因此，未來6G無線網(wǎng)絡(luò)將充分利用低中高全頻譜資源。其中，中低頻段將提供基礎(chǔ)覆蓋，毫米波、太赫茲和可見光等高頻段按需高效利用，主要應(yīng)用于高容量、高速率場景中。多頻段協(xié)同融合覆蓋技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空天地一體化的全球無縫覆蓋，隨時(shí)隨地滿足安全可靠的“人機(jī)物”無限連接需求。

2.1 中低頻段：Sub-6 GHz

Sub-6 GHz頻段主要是指工作頻率在450～6 000 MHz以下的6 GHz以下頻段，用于提供廣域覆蓋和深度覆蓋。根據(jù)第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）的劃分，5G新空口（NR）主要包括兩大頻譜范圍：Sub-6 GHz頻段和毫米波頻段。2.1 GHz和3.5 GHz頻段的協(xié)同組網(wǎng)是5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋容量雙提升的重要手段。然而，隨著移動(dòng)通信賦能數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的發(fā)展，面向企業(yè)（ToB）業(yè)務(wù)的大上行、端到端服務(wù)保證需求使得其對(duì)上行吞吐量的要求越來越高。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)建議6G頻段應(yīng)考慮高于5G，如95 GHz～3 THz，但是高頻段意味著高成本。因此，如何重耕低頻段并重新審視低頻段的使用方法，利用中低頻段與毫米波頻段協(xié)同組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量的雙提升，是一個(gè)亟待解決的問題。

2.2 毫米波

5G NR高頻段的頻率范圍為24.25～52.6 GHz。與Sub-6 GHz頻段相比，毫米波雖然具有較高的穿透和路徑損耗（每千米的路徑損耗為數(shù)十分貝）等缺點(diǎn)，但是可提供數(shù)百倍的帶寬，滿足下行高速傳輸?shù)男枨?。大?guī)模陣列天線及數(shù)字+模擬方式的波束賦形技術(shù)，可降低高頻密集組網(wǎng)的蜂窩系統(tǒng)小區(qū)間干擾。為了實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)性能，我們可利用毫米波頻段進(jìn)行微小區(qū)按需靈活部署。這不僅可以與低頻段混合組網(wǎng)，提供大帶寬和高速率的公網(wǎng)服務(wù)，還可以將部分頻點(diǎn)單獨(dú)規(guī)劃，滿足行業(yè)專網(wǎng)大帶寬、低時(shí)延和安全可靠的網(wǎng)絡(luò)需求。但利用毫米波頻段難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋組網(wǎng)。如何利用智能有源中繼器或有/無源智能反射面，擴(kuò)展毫米波通信的傳輸距離和覆蓋范圍，仍待進(jìn)一步研究。

2.3 太赫茲

太赫茲作為6G技術(shù)候選頻段之一，頻段在0.1～10 THz范圍內(nèi)。相比于現(xiàn)有的通信技術(shù)手段，太赫茲通信技術(shù)除了具有豐富的頻譜資源和高速數(shù)據(jù)傳輸能力以外，在空間組網(wǎng)通信中具有更強(qiáng)的跟蹤捕獲能力，更強(qiáng)的抗干擾、抗截獲能力。另外，其具備的克服臨近空間通信黑障能力，可以為臨近空間高速飛行器提供測控通信手段。然而，太赫茲覆蓋范圍受限，更適用于短距離通信，如地面超高速無線移動(dòng)場景、高速無線回傳場景、無線數(shù)據(jù)中心場景、短距離保密無線通信、空間無線通信等特定應(yīng)用場景。因此，6G需要從軟硬件角度綜合考慮，進(jìn)一步設(shè)計(jì)低成本、低功耗、低復(fù)雜度的太赫茲通信系統(tǒng)和高頻通信組網(wǎng)策略，進(jìn)而提升太赫茲通信效率和覆蓋性能。

2.4 可見光

可見光無線通信的工作頻段范圍在400～800 THz。與目前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相比，可見光通信具有寬帶高速、泛在覆蓋、安全兼容、融合包容、綠色節(jié)能五大獨(dú)特優(yōu)勢，其在室內(nèi)環(huán)境中更是先天具有廣覆蓋的優(yōu)勢?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)的應(yīng)用橫跨空天地海立體網(wǎng)絡(luò)，這導(dǎo)致其傳輸信道異常復(fù)雜，信號(hào)在經(jīng)過傳輸?shù)倪^程中會(huì)受到線性與非線性效應(yīng)的影響。特別是在復(fù)雜信道與高功率的情況下，非線性損傷將成為制約可見光通信系統(tǒng)性能的主要瓶頸問題。如何在可見光傳輸收發(fā)芯片與模塊等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，已成為實(shí)現(xiàn)超高速率、高可靠可見光通信系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)。

3 多頻段協(xié)同使能全場景覆蓋擴(kuò)展

隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)式增長，無線通信正面臨有限頻譜資源和迅速增長的高速業(yè)務(wù)需求的矛盾。太赫茲通信與可見光引入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)后，需統(tǒng)籌考慮Sub-6 GHz、毫米波、太赫茲等全頻譜的協(xié)同融合組網(wǎng)（如圖3所示），實(shí)現(xiàn)各個(gè)頻段的動(dòng)態(tài)互補(bǔ)，進(jìn)而提升全場景網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。

圖3 多頻段協(xié)同使能全場景覆蓋擴(kuò)展

3.1 多頻段協(xié)同組網(wǎng)

目前，3GPP在5G NR系統(tǒng)中引入了載波聚合、補(bǔ)充上行和雙連接3種高低頻協(xié)同技術(shù)，在保障基礎(chǔ)覆蓋的基礎(chǔ)上，可以提高峰值速率，更好地滿足大帶寬業(yè)務(wù)需求。在6G時(shí)代，基于毫米波、太赫茲通信的各類技術(shù)，將成為提升6G網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，促進(jìn)6G新場景、新業(yè)務(wù)部署的關(guān)鍵使能動(dòng)力。6G需要充分地適配高頻毫米波通信的各種特點(diǎn)。針對(duì)其覆蓋范圍受限的情況，我們需要研究如何通過多頻段協(xié)同組網(wǎng)來高效利用各層資源，滿足6G全場景異構(gòu)用戶的覆蓋需求，如圖4所示。在動(dòng)態(tài)復(fù)雜的無線環(huán)境下，針對(duì)6G全場景多頻段共存問題，利用人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)構(gòu)建智能化頻譜資源管理架構(gòu)，研究多頻段資源智能感知、信息交互與聯(lián)合調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)多頻段資源的隨需可達(dá)、按需分配等，滿足6G多維立體全場景的泛在接入和無縫覆蓋。

圖4 多頻段協(xié)同組網(wǎng)

3.2 多頻段協(xié)作感知

6G將會(huì)綜合利用不同頻段的優(yōu)勢和特點(diǎn)，提供豐富的感知服務(wù)。在相同頻段同時(shí)提供通信功能與感知功能，可以實(shí)現(xiàn)頻譜利用率的提升。由于天然的物理性質(zhì)的約束，不同頻段電磁波所能提供的感知功能和業(yè)務(wù)能力是不同的。理論上，頻段越高，波長越短，頻帶越寬，提供的感知精度和時(shí)頻分辨率就會(huì)越高；但是，由于無線信號(hào)的衰減或遮擋，感知有效作用的距離會(huì)越短，范圍會(huì)越小。通常，低頻通感融合信號(hào)可以做大輪廓的粗淺感知應(yīng)用，而高頻通感融合信號(hào)可以做更精細(xì)的感知應(yīng)用。例如，在環(huán)境監(jiān)測場景下，如圖5所示，可以綜合利用Sub-6 GHz基站的穿墻效果好、廣覆蓋特性做低精度的環(huán)境檢測，同時(shí)，利用毫米波基站或太赫茲基站在重點(diǎn)區(qū)域做高精度、小范圍的環(huán)境檢測。工作在不同頻段的基站需要相互協(xié)作以進(jìn)行信息共享，通過對(duì)特定用戶或區(qū)域進(jìn)行聯(lián)合感知，優(yōu)化傳輸或提供豐富的感知服務(wù)，降低高頻段通信開銷。

圖5 高低頻協(xié)作環(huán)境感知

3.3 多頻段智能共享

頻譜資源緊缺及利用效率低等問題驅(qū)動(dòng)著智能頻譜共享技術(shù)的研究。頻譜資源是制約星地融合的主要瓶頸之一。在星地網(wǎng)絡(luò)中，頻譜資源的使用存在著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率較低、地面網(wǎng)絡(luò)頻譜資源稀缺性嚴(yán)重的問題。為了建立星地統(tǒng)一的頻譜資源分配機(jī)制，我們需要利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)在通信覆蓋方面互補(bǔ)的特性，針對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)頻譜資源不斷變化的使用需求，將智能引入基站，從而建立一套智能頻譜共享管理體系，如圖6所示。該系統(tǒng)可以使各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)使用受限的頻譜資源。智能頻譜共享技術(shù)就是利用認(rèn)知智能理論和技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜管理。具體地，基于神經(jīng)計(jì)算、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、推理訓(xùn)練等人工智能（AI）新技術(shù)，設(shè)計(jì)智能頻譜共享機(jī)制，提出基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型和模型驅(qū)動(dòng)型空間頻譜環(huán)境快速感知、基于AI的空閑頻譜精準(zhǔn)預(yù)測與智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜管理。然而，衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信系統(tǒng)共享頻率時(shí)，雙方都會(huì)受到對(duì)方同頻干擾的影響。我們需要針對(duì)不同頻段、不同場景，考慮不同的干擾抑制方案。此外，研究基于區(qū)塊鏈的分布式且高效的干擾避免或緩解技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)6G應(yīng)用中的大規(guī)模連接與系統(tǒng)性能增強(qiáng)。

圖6 面向6G的智能頻譜共享管理體系架構(gòu)

4 未來研究展望

4.1 智能反射面輔助的高頻段通信技術(shù)

智能反射面是解決高頻段毫米波和太赫茲傳輸時(shí)路徑損耗大、覆蓋能力弱的一項(xiàng)有前景的低功耗、低成本技術(shù)。在終端和基站之間部署智能反射面，可以對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行智能調(diào)控與波束賦形，實(shí)現(xiàn)無線傳播環(huán)境的重構(gòu)，進(jìn)而解決信號(hào)強(qiáng)度較弱或視距通信不可達(dá)的小區(qū)邊緣或盲區(qū)覆蓋問題，按需動(dòng)態(tài)建立非視距通信鏈路，提高6G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋深度性能。為了進(jìn)一步提高6G無線覆蓋擴(kuò)展能力，業(yè)界亟待探討如何將具有波束賦形能力的智能反射面與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)融合，以及如何實(shí)現(xiàn)基站處智能反射面參數(shù)與信道環(huán)境中的智能反射面參數(shù)聯(lián)合設(shè)計(jì)。

4.2 綠色高效的高頻段通信技術(shù)

更高的通信頻段使巨量設(shè)備接入無線網(wǎng)絡(luò)，這為移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能帶來了挑戰(zhàn)。更高的頻段意味著更大的傳輸損耗，因此如何通過密集部署高頻段基站來保證無線覆蓋的連續(xù)性，成為亟待解決的問題。然而，密集的小區(qū)部署使用戶面臨更頻繁的小區(qū)切換，這給網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和終端能耗帶來新的挑戰(zhàn)。此外，基于毫米波和太赫茲的基站，其射頻、功放等電能消耗巨大。據(jù)運(yùn)營商官方統(tǒng)計(jì)，5G基站的最大功耗約是4G的3～4倍，因此急需一種低成本、低能耗、高能效的高頻段通信技術(shù)來支撐綠色6G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋擴(kuò)展的連續(xù)性。我們還可以從多頻段協(xié)同組網(wǎng)的終端能力出發(fā)，通過多學(xué)科融合和系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，提升終端射頻模塊傳輸能力，降低射頻模塊功耗。

4.3 安全可信的動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)

針對(duì)集中式的頻譜管理模式面臨的頻譜資源利用效率低、安全性威脅強(qiáng)和維護(hù)費(fèi)用高等問題，全球相關(guān)機(jī)構(gòu)開展了動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)研究。然而，未來6G網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多子系統(tǒng)多業(yè)務(wù)共存共建的全場景網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不同實(shí)體之間存在頻譜感知誤差。而且，不同實(shí)體在信息共享中可能實(shí)施虛假欺騙行為，潛在的分布式多頻段系統(tǒng)組網(wǎng)方式將會(huì)帶來更多的管控盲點(diǎn)和更隱蔽的攻擊風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。因此，如何建立一個(gè)具有可用性、可信性、安全性、公平性和高效性的“動(dòng)態(tài)頻譜共享”和“網(wǎng)絡(luò)共建共享”體系架構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)6G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋擴(kuò)展的重要保證。

5 結(jié)束語

隨著新場景、新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)及垂直行業(yè)的發(fā)展，探索基于多頻段協(xié)同的覆蓋擴(kuò)展技術(shù)變得日益重要。學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界正考慮如何通過多頻段協(xié)同覆蓋擴(kuò)展技術(shù)，支撐時(shí)空尺度跨度大、業(yè)務(wù)質(zhì)量差異大的全場景業(yè)務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)6G容量與覆蓋的雙提升、多維立體星地融合場景下的服務(wù)與業(yè)務(wù)質(zhì)量連續(xù)性、1 000 km/h的超高速移動(dòng)場景，以及綠色超密集異構(gòu)深度覆蓋場景中的關(guān)鍵業(yè)務(wù)。