6G移動通信關鍵候選技術與應用場景展望

陳依嶄，黃 達，廖若森

（1.四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065；2.四川大學 吳玉章學院，四川 成都 610065）

1 研究背景

1.1 5G產業概述

預計到2023年，全球將有57億移動網絡用戶，移動通信設備總數將達到131億臺[1]。然而，5G仍存在以下不足[2]：一是未來的新應用如全息投影相較5G數據速率高出3個數量級；二是隨著物聯網設備的激增，5G物聯網的連接能力和覆蓋范圍亟待增強；三是手動優化配置的無線網絡不再適合超大規模網絡拓撲。因此，需要開發具有新功能特性的6G無線系統。6G既要實現對傳統蜂窩網絡所有功能的融合，又要運用新技術實現服務和業務的拓展。

1.2 6G研發進程

2018年11月，電子科技大學牽頭發布中國后5G（6G）移動通信展望白皮書。2019年9月初，芬蘭奧盧大學6G旗艦研究計劃發布6G白皮書。2020年2月瑞士日內瓦召開的第34次國際電信聯盟無線電通信部門5D工作組會議上，面向2030及6G的研究工作正式啟動。目前，ITU尚未確定6G標準的制定計劃，中、美、韓、日、英和芬蘭已開展6G相關技術的研究。

2 關鍵候選技術

2.1 太赫茲技術

太赫茲指0.1～10 THz的電磁波，頻譜介于微波與遠紅外光之間，低波段與毫米波相鄰，高波段與紅外光相鄰，位于宏觀電子學與微觀光子學的過渡區域。作為下一代移動通信關鍵候選技術，它具有方向性好、抗干擾、帶寬寬、穿透性強以及對天線尺寸要求更低等特點，網絡傳輸時延會低于毫秒級而達到亞毫秒級[3]，網絡的傳輸響應時間更短，保證了下一代網絡的實時通信性能。不管是中、美、日、韓，還是華為、諾基亞、愛立信，都在大力研發太赫茲軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）通信。早在2006年，日本已實現10 Gb/s、傳輸距離為200 m的高速無線通信。而我國也已在4.1 THz實現了實現2 m距離的太赫茲數字信號傳輸。

2.2 可見光通信

可見光通信的一大關鍵技術是光無線通信（Optical Wireless Communications，OWC），是指利用可見光波段（39～700 nm）的光波傳載信息的技術手段。它兼具照明與通信的節能性、頻譜不受限、帶寬寬以及安全性高等特點，可用于光熱點（特別是室內場景）、短距離通信、星間鏈路激光通信和海底通信（克服衰減和電磁干擾）等[4]。未來6G成熟時，它也極有可能用在智慧城市、智能交通以及智慧家居的IoT萬物互聯上。

2.3 新型全雙工技術

新型全雙工技術包括超越時間與頻率的同時同頻全雙工技術（Co-time Co-frequency Full Duplex，CCFD）與靈活自由調度的AI結合的全雙工技術。CCFD由于采用了自干擾抑制技術，是最有潛力的全雙工方案，在理論上可以使頻譜效率提升一倍[5]。而AI結合的全雙工技術將AI用在資源調度上，自動感知系統承壓，靈活分配時間、空間、頻率和編碼，將是未來發展的一大研究方向。

2.4 空天海地一體化通信

位于低軌道的天基衛星與地面、海面存在的雷達天線構成空天海地一體化通信核心網，實現地基、天基及星間鏈路3類數據的聯合通信網絡。地面基站與空天衛星還可形成滿足空天海地多方位、多層次海量用戶的接入網，構成一個覆蓋全球的網絡[6]，通過地面高速骨干網絡完成組網，并實現與其他地面通信系統的互聯互通，如圖1所示。

圖1 空天海地一體化通信示意圖

2.5 其他候選技術

其他6G候選技術還包括新的信道編碼技術、突破極限的物理層革命、超大規模MIMO陣陣列、非正交（Non-Orthogonal）波形以及超奈奎斯特理論（Faster than Nyquist）等。其中，由于需要提升整體網絡傳輸速率和容量，傳統的物理層技術必將被顛覆，而這極有可能需要6G或以后時代的科技才能辦到。由于采用太赫茲技術，它的波長減小，天線尺寸也將減小。未來6G天線陣將是集成天線陣列的天線陣，集成度更高也更加密集。同時，由于正交波形不再滿足未來容量與速度，未來6G將探究使用非正交變換的波形打破Gabor理論，如采用非正交多址接入技術（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）等。超奈奎斯特理論在5G技術中作為一大關鍵技術，也將在6G中繼續被優化與發展。

3 移動通信技術的愿景及應用

3.1 6G的愿景

6G將是第一個圍繞多學科需求開發的無線和移動生態系統，是對用戶期望、社會需求、垂直應用的需求、頻譜可用性、經濟約束、法規和許多其他方面聯合分析的結果。2030年的智能信息社會將是高度數字化的、全球數據驅動的，并有望實現近乎零時延的全無線連接。6G將是一個具有類人智能和意識的自主生態系統，將從以人類為中心向以人類和機器為中心發展，提供多種方式。例如，通過手指、聲音、眼睛和腦電波（或神經信號）與智能終端進行通信和交互[7]。

3.2 6G應用舉例

3.2.1 智能醫療

6G提供的安全通信、高性能、超低延遲、高數據速率和高可靠性，使遠程手術消除時間和空間障礙，保證醫療工作流程的優化。此外，由于太赫茲波段的小波長支持通信和納米傳感器的發展，也將促進開發新的納米尺寸的設備。

3.2.2 車聯網

自動駕駛汽車需要前所未有的可靠性和低延遲，以滿足車輛網絡的高靈活性和敏感的避碰能力等獨特的要求來保證乘客安全。同時，每輛汽車上的傳感器數量不斷增加，將需要比當前網絡容量更高的數據速率，而6G中能夠實現。

3.2.3 其他領域

此外，6G還可以應用于其他領域。第一，6G可以應用于無線網絡安全領域，使網絡實現自動化和智能化，提高防竊聽和防干擾的能力。第二，6G可以應用于超高速通信，保證更大帶寬、更大容量、超高數據速率和安全傳輸。第三，6G可以應用于擴展現實，實現實時VR與AR的混合。第四，6G可以應用于宇宙探索，增大探索距離。第五，6G可以應用于安全監測領域，利用太赫茲的穿透性識別物品。第六，6G可以應用于生命科學領域，診斷疾病，分析情感，實現實時追蹤。第七，6G可以應用于娛樂設施領域，實現超高清視頻體驗，虛擬真實游戲。第八，6G可以應用于超級物聯網，增加共生無線電和衛星輔助。第九，6G可以應用于人工智能，實現情感交流和智能學習。

4 展望與未來

6G與5G相比，將改善網絡性能，整合不同技術，提高QoS，為超智能社會實現萬物互聯。然而，有些技術還沒有做好市場準備，一些技術還停留在實驗室或構想階段，且6G研制成功前，一些新的技術與手段也可能被研發與提出。因此，6G的研發將是世界各國在科技領域的一場爭奪戰。