淺析6G 通信系統關鍵技術

董妮婭

（重慶郵電大學移通學院，重慶400065）

目前，5G 網絡得到大力發展，世界各國視5G 為帶動社會發展的新動能之一，競相開展5G 網絡部署，大力發展5G 新業務。盡管5G 尚處于規模商用起步階段,相關技術尚待繼續增強完善,但我們有必要同步前瞻未來信息社會的通信需求,啟動下一代移動通信系統（6G）技術研究，本文對6G 技術進行探討，包括通信技術、網絡架構、網絡智能化三個方面。

1 突破性的通信技術

新一代的移動網絡通常以一組新穎的通信技術為特征，這些通信技術能提供前所未有的性能。例如，大規模的多輸入多輸出（MIMO）和毫米波通信作為5G 網絡的關鍵技術。6G 網絡不僅適用于常規頻段（即6 GHz 以下和毫米波頻段），還適用于尚未考慮用于蜂窩標準的頻帶，即太赫茲頻段和可見光通信（VLC）。

1.1 太赫茲通信。頻率在100GHz 和10THz 范圍內的電磁波被稱為太赫茲波，具有超高的通信帶寬、高穿透性等特性。利用太赫茲頻段可以解決信息高速傳輸和頻譜資源稀缺之間的矛盾。由于該頻段的特殊性，學術界與工程界對該技術的研究尚處于初級階段。相比5G 中使用的毫米波，太赫茲將高頻通信的潛力發揮到了極致的同時也帶來了巨大的挑戰。阻礙太赫茲鏈路在商業系統中應用的主要問題是傳播損耗、分子吸收、高穿透損耗以及天線和射頻電路工程。

1.2 可見光通信。隨著發光二極管（LED）照明器件的廣泛采用，可見光通信技術作為RF 通信的補充，具有無電磁干擾、節能等優點，具有較大的發展前景。發送端控制光源在不同的光強度之間快速切換達到調制的目的并傳輸到接收器接收。由于VLC實驗平臺成本較低，使得該研究比太赫茲通信更加成熟，形成了VLC 標準（即IEEE 802.15.7）；然而，由于VLC 覆蓋范圍有限，需要照明光源，易受到來自其他光源（如太陽）的散粒噪聲的影響，VLC 主要用于室內；對于上行鏈路，需要通過RF 進行補充，因此3GPP 未將該技術納入蜂窩網絡標準。盡管如此，VLC 仍可用于在室內場景中引入未被蜂窩標準認可的蜂窩覆蓋。在該場景中，VLC 可以利用非授權的寬頻段，在不同房間之間以相對便宜的硬件進行無交叉干擾地部署。

得益于物理層和電路研究的進步，6G 除了新的頻譜，可以通過利用一系列新興技術來改造無線網絡。

1.3 全雙工通信。得益于自干擾抑制電路的開發，使得基站和用戶設備（UE）在同頻信道中同時接收和發送信號的全雙工通信成為可能。這些技術使得可以通過上行鏈路傳輸確認或控制消息實現連續的下行鏈路傳輸（反之亦然），在不使用額外帶寬的情況下增加復用能力和整個系統吞吐量。然而，6G 網絡仍需要全新的資源調度程序設計，并對全雙工過程和部署進行仔細規劃及合理的調度，以避免干擾。

1.4 新信道估計技術。對于毫米波，初始接入（IA）和波束跟蹤的信道估計將是蜂窩環境中超高頻通信的關鍵組成部分。然而，考慮到多頻帶以及超大帶寬，6G 系統需要新的信道估計技術。利用帶外估計來改進波束管理方案的性能，該方法是利用6 GHz 以下信號的全向傳播特性，將信道估計映射到微波頻率。考慮到毫米波和太赫茲信道中信號角度方向的稀疏性，利用壓縮感知技術可以使用減少的樣本數進行信道估計。

2 新型網絡架構

通信技術的突破不僅促成新的6G 網絡架構，也需要對當前的移動網絡結構進行更新。例如，太赫茲通信的密度和高訪問數據速率將對底層傳輸網絡造成限制，必須提供比現在的回程網絡更多的光纖接入點和更高的容量。太赫茲通信的密度和高訪問數據速率將對底層傳輸網絡造成限制，因此必須提供比現有回程網絡更多的光纖接入點和更大的容量。此外，各通信技術將增加網絡的異構性，需要對其進行管理。6G 將引入的或部署以下架構模式：

2.1 無邊界網絡架構。6G 將打破傳統蜂窩網絡的小區邊界，把網絡作為一個整體而非單小區連接到終端。例如，這可以通過多連接技術以及對設備中不同和異構無線電的支持來實現。無蜂窩網絡程序保證移動終端的無縫連接，不會由于切換而產生開銷（在太赫茲頻率系統中較為常見），即使在具有挑戰性的移動性場景中（如車輛場景），也將提供QoS 保證。蜂窩概念的顛覆也將使不同的6G 通信技術緊密結合。用戶無需在設備中進行手動干預或配置，不僅能夠在不同的異構鏈路（例如，6 GHz 以下、mm Wave、太赫茲或VLC）之間無縫轉換，而且自動選擇可用的最佳通信技術。最后，UE 可以根據特定的使用場景，選擇不同的網絡接口適配各通信技術的互補特性，例如，6 GHz 以下鏈路用于控制，而太赫茲鏈路用于數據平面。

2.2 3D 網絡架構。傳統上，網絡提供幾乎所有的二維空間的連接，即部署網絡接入點以提供到地面設備的連接。相反，未來的6G 異構架構不僅能提供三維（3D）覆蓋，利用非地面平臺（如無人機、氣球和衛星）補充地面基礎設施；還能迅速部署這些設備，以確保無縫服務連續性和可靠性。例如，在農村地區或活動期間，避免增加新建固定基礎設施的運營和管理成本。

2.3 分布式網絡和虛擬化。隨著邊緣計算的發展，單一的網絡設備逐步分解：例如，5G 網絡基站可以部署業務面下沉的分布式單元和邊緣數據中心的集中式單元。按照這一趨勢，6G 網絡采用更具創新性的架構，基站設備將只包含物理天線和盡可能少的處理單元。此外，通用處理器功能的不斷進步，使得虛擬化技術得到進一步發展：6G 將虛擬化目前需要專用的硬件實現的與MAC層和物理層相關的組件。虛擬化將降低網絡設備的成本，使大規模密集部署變得可行。

2.4 先進的回傳整合。新的6G 接入技術提供的海量數據速率需要回程容量的大幅增長。此外，由于太赫茲和可見光通信的覆蓋距離受限，對接入點的密度和回傳網絡提出更高的要求。因此，6G 技術的高速率大容量可作為回傳鏈路的解決方案，基站的無線傳輸可為用戶提供接入和回傳服務。雖然5G 已將類似方案納入考慮范圍，但6G 將會給回傳網絡規模帶來新的挑戰和機遇：網絡需要更高的自主配置能力來優化和回傳一體化和無線接入方案的性能，實現接入容量增加無需增加相應的光纖數量。

2.5 低功耗的網絡架構。為了滿足未來的連接需求6G 設備需要廣泛部署。鑒于6G 網絡的預期規模，用戶終端和聯網設備將需要用能源供電，系統相對于當前網絡應該更加高效，能耗更低。這意味著硬件電路和協議棧軟件的開發都應注重低功耗設計。可選擇使用能量收集電路來允許設備自供電，這對實現離網操作、長期在線的物聯網設備和傳感器、很少使用的設備、設備的長待機時間至關重要。

3 網絡智能化

6G 通信技術和網絡部署的復雜性導致難以進行手動優化。盡管智能技術在蜂窩網絡中的應用已在5G 領域中進行了討論，但6G 智能網絡部署更加密集（根據接入點和用戶的數量）、更加異構化（根據不同技術的集成），相對5G 在網絡性能方面要求更高。因此，智能化技術將在網絡優化中扮演更重要的角色。

3.1 實時網絡決策的無監督強化學習技術。無監督和強化學習在網絡中的應用仍處于起步階段，但在復雜的6G 網絡環境下有著廣闊的應用前景。運用監督學習方法標記網絡產生的數據量龐大的數據是不可行的。無監督學習不需要標注，可用于自動構建復雜網絡的表現并依此執行一般優化，超出了有監督方法的能力。此外，通過將無監督與強化學習方法結合在一起，可以使網絡真正以自主方式運行。

3.2 用戶間、運營商間的信息共享。實踐證明，頻譜和基礎設施共享在蜂窩網絡中有利于最大限度地提高復用能力。在自主和機器學習驅動的網絡領域，運營商和用戶也可能對共享特定網絡部署或用例的學習表示感興趣，如何實現各網元間的信息共享，從而實現各網絡間的協作將成為提高網絡復用能力的關鍵之一。

4 結論

隨著通信技術的發展，網絡架構的變革，網絡智能化的發展，6G 通信系統將會在人類生活、工業化發展、各行各業應用中起到重要作用。本文從不同維度包括物理層通信技術、網絡架構、網絡智能化應用等方面介紹了6G 的若干關鍵技術，以加深對6G 通信系統的認識和開展相關研究工作。