全球6G研究進展綜述

【摘? 要】隨著全球主要國家啟動5G商用部署，部分國家和組織已經(jīng)啟動了對6G技術的探索，深入分析了國際標準化組織的工作計劃和主要國家6G最新研究進展，并在此基礎上，對6G標準化及商用時間、潛在關鍵技術及愿景需求進行了初步探討。

【關鍵詞】6G;太赫茲;軌道角動量

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.007? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）03-0034-03

引用格式：魏克軍. 全球6G研究進展綜述[J]. 移動通信， 2020，44（3）： 34-36.

Review of Global 6G Research Progresses

WEI Kejun

（CAICT， Beijing 100191， China）

[Abstract]?With the launching of 5G commercial deployment in major countries around the world， some countries have launched the exploration of 6G technologies. This paper deeply analyzes the work plan of international standardization organizations and the latest 6G research progresses. On this basis， 6G standardization and commercial timeline， potential key technologies and vision requirements are preliminarily discussed.

[Key words]6G; Terahertz; OAM

0? ?引言

移動通信發(fā)展經(jīng)歷了1G/2G/3G/4G的發(fā)展歷程，已進入5G商用發(fā)展的關鍵階段，從時間演進規(guī)律來看，基本遵循十年一代的發(fā)展演進規(guī)律，用戶通信需求的提升以及通信技術的革新是移動通信發(fā)展的動力[1]。4G的大規(guī)模商用帶動了移動互聯(lián)網(wǎng)市場和應用的蓬勃發(fā)展，造就了非常輝煌的互聯(lián)網(wǎng)時代[2]，5G在大幅提升移動互聯(lián)網(wǎng)用戶業(yè)務體驗的基礎上，應用場景進一步拓展到物聯(lián)網(wǎng)應用領域，將與交通、制造、醫(yī)療、家居、物流等垂直行業(yè)相融合，將開辟全新的產業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域，推動整個社會步入萬物互聯(lián)新時代。隨著5G商用部署在全球展開，在“商用一代、規(guī)劃一代”創(chuàng)新發(fā)展理念的指引下，部分國家已經(jīng)啟動了面向2030年應用的下一代移動通信技術（6G）的探索，本文接下來將對全球6G研究進展進行介紹與分析。

1? ? 全球6G研究總體進展

1.1? 國際標準化組織

（1）國際電信聯(lián)盟（ITU）：根據(jù)ITU工作計劃，2019年的RA-19會議不會設立新的IMT技術研究決議，表明在2019年到2023年研究周期內，仍主要是面向5G和B5G技術開展研究，但2020年到2023年將開展6G愿景及技術趨勢研究，業(yè)內主流公司普遍認為，在2023年的RA-23會議上設立下一代IMT技術研究及命名的決議較為合適。

（2）第三代合作伙伴計劃（3GPP）：2018年6月，3GPP已經(jīng)完成了5G第一版本國際標準（R15）的研制，重點支持增強移動寬帶場景和超高可靠低時延場景;2020年3月將完成完整5G國際標準（R16）的研制，全面支持ITU所確定的三大應用場景。預計3GPP將于2023年開啟對于6G的研究，實質性6G國際標準化預計將于2025年啟動。

（3）電氣和電子工程師學會（IEEE）：為更好地匯總梳理下一代網(wǎng)絡相關技術，IEEE于2016年12月發(fā)起了IEEE 5G Initiative，并于2018年8月更名為IEEE Future Networks，目標為使能5G及未來網(wǎng)絡。當前IEEE已經(jīng)開展了一些面向6G的技術研討，2019年3月25日，在IEEE發(fā)起下，全球第一屆6G無線峰會在荷蘭召開，邀請了工業(yè)界和學術界發(fā)表對于6G的最新見解，探討實現(xiàn)6G愿景需應對的理論和實踐挑戰(zhàn)。

1.2? 部分國家/地區(qū)的6G研究進展

（1）歐盟：2017年，歐盟發(fā)起了6G技術研發(fā)項目征詢，旨在研究下一代移動通信關鍵技術。歐盟對6G的初步設想是峰值速率要大于100 Gbit/s，單信道帶寬達到1 GHz，使用高于275 GHz的太赫茲頻段。9月歐盟啟動了為期3年的6G基礎技術研究項目，主要任務是研究可用于6G網(wǎng)絡的下一代糾錯編碼、先進信道編碼及調制技術。此外，歐盟還啟動了多個太赫茲研發(fā)項目。

（2）美國：美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）2019年3月宣布開放面向未來6G網(wǎng)絡服務的太赫茲頻段（95 GHz—3 THz），用于6G技術試驗使用。此外，2018年9月在“2018年世界移動通信大會-北美”峰會上，F(xiàn)CC專家提出了6G的三大類關鍵技術，包括全新頻譜（太赫茲頻段）、大規(guī)模空間復用技術（支持數(shù)百個超窄波束）、基于區(qū)塊鏈的動態(tài)頻譜共享技術等。

（3）日本：將開發(fā)太赫茲技術列為“國家支柱技術十大重點戰(zhàn)略目標” 之首，在2019財政年度提出10億多日元的預算，著手研究6G技術。2018年7月，日本經(jīng)濟新聞社報道稱，日本NTT集團已成功開發(fā)出了面向B5G和6G的新技術，一個是軌道角動量（OAM）技術，另一個是太赫茲通信技術，峰值傳輸速率達到了100 Gbit/s。

（4）韓國：SK電訊ICT研發(fā)中心的專家2018年10月在美國紐約大學舉行的前沿技術研討會上，提出未來6G網(wǎng)絡的3大使能技術，包括太赫茲通信、去蜂窩架構（完全虛擬化的RAN+大規(guī)模天線）和非地面無線網(wǎng)絡三大技術方向。此外，SK電訊還與愛立信、諾基亞兩家設備制造企業(yè)達成協(xié)議，合作開發(fā)6G相關技術。

2? ?6G愿景及關鍵技術展望

2.1? 6G愿景展望

5G的愿景是實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”，但5G與垂直行業(yè)融合應用仍面臨著需求不明確、協(xié)調環(huán)節(jié)多、政策法規(guī)不完善等挑戰(zhàn)，目前尚處于探索階段，解決5G融合應用發(fā)展中的問題不是一蹴而就的，需要一個相當長時間的過程。從移動通信發(fā)展規(guī)律來看，1G實現(xiàn)了語音通信，到2G時代才獲得了廣泛應用，3G引入了多媒體業(yè)務，到4G時代才實現(xiàn)了寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務的迅猛發(fā)展，5G應用場景首次由移動互聯(lián)網(wǎng)場景拓展到物聯(lián)網(wǎng)，6G將在5G基礎上進一步擴展和深化物聯(lián)網(wǎng)應用的范圍和領域，并與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術相結合，服務于智能化的社會與生活，實現(xiàn)萬物智聯(lián)，“萬物互聯(lián)始于5G，蓬勃發(fā)展于6G”。

業(yè)界專家認為，與5G相比，6G將具備“更強性能、更加智能、更加綠色、更廣覆蓋”等特點。6G峰值速率將達到100 Gbit/s～1 Tbit/s;空口時延低至0.1 ms;連接數(shù)密度支持1000萬連接/平方公里;定位精度將達到厘米量級。6G網(wǎng)絡將具備高度智能化特點，通過與人工智能、大數(shù)據(jù)的結合，可滿足個人和行業(yè)用戶精細化、個性化的服務需求;6G網(wǎng)絡將有效降低成本和能耗，大幅提升網(wǎng)絡能效，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。此外，6G網(wǎng)絡還將進一步擴大覆蓋范圍，衛(wèi)星與地面通信系統(tǒng)的深度融合將是未來重要的發(fā)展方向。

2.2? 6G潛在關鍵技術

當前6G尚處于早期探索階段，關鍵技術尚不清晰。對于6G將包含哪些關鍵技術，不同研究機構給出的觀點具有較大差異，但相信隨著業(yè)界關于6G概念討論的逐漸深入，認識將會逐漸清晰，關鍵技術逐漸收斂。下面就針對當前業(yè)界討論比較多的一些6G潛在關鍵技術進行分析。

（1）太赫茲通信技術：太赫茲是指頻率在0.1 THz～

10 THz的電磁波，具有極為豐富的頻譜資源，可用頻譜資源甚至可達數(shù)十GHz，可滿足100 Gbit/s到Tbit/s級的極高傳輸速率頻譜需求，是未來移動通信中極具潛力的無線通信技術。當前，美國、歐盟、日本等國都在加速發(fā)展面向6G的太赫茲通信技術。2019年日本NTT集團宣布研發(fā)出了太赫茲頻段的射頻芯片，并進行了高速數(shù)據(jù)傳輸實驗，峰值速率達到了100 Gbit/s。太赫茲通信由于頻段高、波長短，單位面積可以集成大量的天線陣元，利用波束賦形技術可有效補償路徑損耗，滿足密集組網(wǎng)覆蓋需求。太赫茲通信具有獨特的技術優(yōu)勢，但當前仍然面臨諸多方面的挑戰(zhàn)，其中最重要的是太赫茲器件成熟度不高，固態(tài)太赫茲功率放大器的輸出功率無法滿足大覆蓋需求，太赫茲相控陣天線尚未突破，高指向性太赫茲波束對準和動態(tài)跟蹤也有待研究。基于射頻模塊的太赫茲通信系統(tǒng)小型化程度不夠，無法滿足地面通信應用場景的要求。

（2）可見光通信技術：可見光通信是指利用可見光波段的光作為信息載體進行數(shù)據(jù)通信的技術，與無線電通信相比，可見光具有多方面的優(yōu)勢。首先是可提供大量潛在的可用頻譜，且頻譜使用不需頻譜監(jiān)管機構授權;其次是可見光不產生電磁輻射，具有綠色無污染的特點，可廣泛應用于醫(yī)院、加油站等對電磁干擾敏感的場所;最后，可見光通信技術安全性高，由于無法穿透墻壁等遮擋物，可有效避免傳輸信息被惡意截獲，從而可以保證信息安全[3]。當前日本、美國、德國、意大利等國的高校及科研機構開展了可見光通信技術研究，試驗樣機的峰值傳輸速率已超過了10 Gbit/s。可見光通信當前主要的應用瓶頸在于可見光收發(fā)器件，一方面發(fā)射機的調制帶寬只有大于毫米波，可見光才有應用優(yōu)勢，另一方面，檢測器帶寬和靈敏度還比較低，難以滿足NLOS場景下的檢測需求。此外，終端側需要精準對光束進行操控，實現(xiàn)集成光子天線的收發(fā)器件。

（3）軌道角動量技術：軌道角動量是利用具有不同本征值的渦旋電磁波的正交特性，通過多路渦旋電磁波的疊加實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，為移動通信提供了新的物理維度。軌道角動量技術分為量子態(tài)軌道和統(tǒng)計態(tài)兩種模式，目前在在無線通信中的應用仍處于探索階段。軌道角動量技術在光領域已經(jīng)有所應用，美國與日本在軌道角動量領域的研發(fā)處于領先地位，日本NTT集團2018年宣稱已實現(xiàn)11路渦旋電磁波的疊加傳輸，峰值傳輸速率達到了100 Gbit/s。我國清華大學完成了世界首次微波頻段軌道角動量電磁波27.5 km長距離傳輸實驗。當前，軌道角動量在無線通信中應用仍面臨挑戰(zhàn)，如業(yè)界尚未突破軌道角動量微波量子產生與耦合設備小型化技術，射頻統(tǒng)計態(tài)軌道角動量傳輸技術也面臨正交渦旋電磁波的產生、渦旋電磁波的檢測與分離以及如何降低傳輸環(huán)境對渦旋電磁波影響等問題。

（4）全雙工技術：無線通信業(yè)務量爆發(fā)與頻譜資源短缺的矛盾日益突出，提升頻譜效率，消除傳統(tǒng)TDD/FDD模式的頻譜資源使用與管理方式的差異性，成為移動通信發(fā)展演進的目標之一，全雙工技術將成為解決這一問題的潛在技術方案[4]。全雙工利用自干擾消除技術在收發(fā)鏈路之間實現(xiàn)靈活頻譜資源利用，達到提升吞吐量及降低傳輸時延的目的。目前全雙工技術已經(jīng)形成了空域、射頻域和數(shù)字域聯(lián)合的自干擾抵制技術路線，空域自干擾抵制主要依靠天線位置優(yōu)化、空間零陷波束等技術手段實現(xiàn)空間自干擾的輻射隔離;射頻域自干擾抵制通過構建與接收自干擾信號幅相相反的對消信號，在射頻模擬域完成抵消;數(shù)字域自干擾抵制針對殘余的線性和非線性自干擾進一步進行重建消除。當前業(yè)界全雙工自干擾抵制能力已經(jīng)超過了115 dB，可滿足小功率簡單場景下的全雙工通信需求。但全雙工技術在實用化過程中，仍面臨大功率動態(tài)自干擾抵制、多天線射頻域自干擾抵制、全雙工組網(wǎng)技術以及全雙工核心器件芯片等問題。

（5）空天地一體化通信：在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡基礎上，將衛(wèi)星通信、短距離通信等非蜂窩網(wǎng)絡進行系統(tǒng)架構、通信協(xié)議和信息的融合，可構建起全面覆蓋、立體分層、全時空統(tǒng)一服務的新型網(wǎng)絡，覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間，實現(xiàn)多層覆蓋、多網(wǎng)融合的高速寬帶無線通信網(wǎng)絡。但天地一體化網(wǎng)絡尤其是天基網(wǎng)絡受空間傳播環(huán)境等因素的影響，與傳統(tǒng)的地面移動通信網(wǎng)絡存在明顯的差別，需要重點解決網(wǎng)絡架構、接口標準、衛(wèi)星系統(tǒng)與移動通信網(wǎng)絡互聯(lián)互通、頻譜資源分配管理等問題。

3? ?結束語

隨著5G商用部署在全球的開展，部分國家已經(jīng)啟動了對6G愿景及關鍵技術的探索。本文深入分析了國際標準化組織及全球主要國家的6G主要觀點及研究進展，提出了6G將在5G基礎上進一步擴展和深化物聯(lián)網(wǎng)應用的范圍和領域，服務于智能化的社會與生活，實現(xiàn)萬物智聯(lián)的愿景目標，并對太赫茲通信、可見光通信、軌道角動量、全雙工以及空天地一體化通信等當前業(yè)界比較關注的6G潛在關鍵技術進行了分析探討。

參考文獻：

[1]? ? ?IMT-2020（5G）推進組.? 5G無線技術架構白皮書[R]. 2016.

[2]? ? ? 張平，牛凱，田輝，等.? 6G移動通信技術展望[J].? 通信學報， 2019，40（1）： 141-148.

[3]? ? ? 陳亮，余少華. 6G移動通信發(fā)展趨勢初探[J]. 光通信研究， 2019（4）： 1-8.

[4]? ? ?趙亞軍，郁光輝，徐漢青. 6G移動通信網(wǎng)絡：愿景、挑戰(zhàn)與關鍵技術[J]. 中國科學：信息科學， 2019（8）： 963-987.

作者簡介

魏克軍（orcid.org/0000-0002-6283-919X）：博士，現(xiàn)任中國信息通信研究院技術與標準研究所主任工程師、IMT-2020（5G）推進組無線技術工作組副組長，主持多項國家科技重大專項和863計劃等科研項目，主要研究方向為LTE/LTE-Advanced、5G、6G等移動通信技術，在國內外核心期刊發(fā)表論文數(shù)十篇，申請多項發(fā)明專利。