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中興通訊:6G移動通信網絡愿景、挑戰與關鍵技術
作者: 趙亞軍,郁光輝,徐漢青 來源: 中興通訊無線研究院 發布時間: 2019-06-03

  摘 要 

隨著5G網絡開啟規模商業部署,越來越多的研究機構及相關人員開始對下一代移動通信系統進行研究。文章將探討十年后(2030年~)的6G概念。該文首先用四個關鍵詞概括未來6G愿景:“智慧連接”、“深度連接” 、“全息連接”和“泛在連接”,這四個關鍵詞共同構成“一念天地,萬物隨心”的6G總體愿景。接著分析了實現6G愿景面臨的技術需求與挑戰,包括峰值吞吐量、更高能效、隨時隨地的連接、全新理論與技術以及一些非技術挑戰。然后分類給出了6G潛在關鍵技術:新頻譜通信技術,包括太赫茲通信和可見光通信;基礎性技術,包括稀疏理論(壓縮感知)、全新信道編碼、大規模天線及靈活頻譜使用;專有技術特性,包括空天地海一體化網絡和無線觸覺網絡。文章通過探討6G愿景、需求與挑戰以及潛在關鍵技術,嘗試勾勒出6G的整體框架,以期為后續展開6G研究提供方向性指引。

6G移動通信網絡: 愿景、挑戰與關鍵技術

趙亞軍,郁光輝,徐漢青

中國科學: 信息科學, 2019, doi: 10.1360/N112019-00033

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引言

隨著5G第一個標準版本完成,2019年將會有5G網絡設備小規模試商用,首批符合5G標準的終端亦將上市??梢栽て?,擁有三大技術特性(enhanced Mobile BroadBand,eMBB;massive Machine-Type-Communications,mMTC;ultra-Reliable Low-Latency Communications,uRLLC)的5G無線移動通信系統將支撐未來十年(2020~2030年)信息社會的無線通信需求,成為有史以來最龐大復雜的通信網絡,并將在多方面深刻影響社會發展及人類生活:與水和電一樣,移動通信也將成為人類社會的基本需求;成為推動社會經濟、文化和日常生活在內的社會結構變革的驅動力;將會極大地擴展人類的活動范圍。

當然,上述5G愿景還需要通信領域的技術人員與其它相關行業人員一起努力,經過一定的時間逐步實現,包括標準不斷完善、工程化逐步落地及商業應用模式突破等。這里從標準化角度觀察5G標準不斷成熟完善的過程。

當前處于5G標準化的第一階段,即5G基礎功能標準化階段。此階段主要針對eMBB技術特性優化,同時兼顧uRLLC和mMTC兩種特性的基礎需求,包括5G NR Rel-15和Rel-16兩個標準版本。5G第一個基礎標準化版本(5G NR Rel-15)已基本完成,包括分階段發布的三個子版本:國際標準化組織 3GPP 于2018年3月發布了第一個5G技術標準, 支持非獨立組網(Non-Standalone,NSA)與eMBB功能[1];2018年9月,3GPP批準了5G獨立組網(Standalone, SA)技術標準[2],5G自此進入了產業全面沖刺的新階段;2018年12月3GPP 于RAN#82全會上宣布,最后一個子版本(5G NR Rel-15 late drop)于2019年3月發布,支持NR-NR DC(Dual Connectivity)特性[3]。而5G第二個標準版本(Rel-16),其所有技術特性已通過標準立項,相關標準化工作正在如火如荼的進行中,并將于2019年12月完成并正式發布。

5G標準化的下一階段(可稱為“5G+”)將從2020年開始,對應的標準版本為5G NR Rel-17及后續版本,標準化重點包括兩方面[4]:優化uRLLC和mMTC兩種物聯網(Internet of Things,IoT)特性,以更好支持垂直行業的應用(例如,工業無線互聯網、高鐵無線通信等);設計支持 52.6GHz~114.25GHz毫米波頻段的空口特性。預期5G標準化的第二階段將會吸引更多垂直行業領域成員參與標準制定,從而5G標準可以更好地針對垂直行業需求進行標準優化。

盡管5G尚處于規模商用起步階段,相關技術特性還需要繼續增強完善,物聯網及垂直行業應用場景的業務模式也需要繼續探索,但我們也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概念與技術研究。這里我們嘗試從三方面分析即刻啟動下一代移動通信系統(為簡化表達,下文將統一用6G標識)概念與技術研究的必然性。

(1)十年周期法則。“自1982年引進第一個代(1G)移動通信系統以來,大約每十年更新一代無線移動通信系統”[5],而且任何一代從開始概念研究到商業應用都需要十年左右的時間,也即,當上一代進入商用期,下一代開始概念和技術研究。5G研究始于十年前,現在啟動6G研究符合移動通信系統發展規律。

(2)“鯰魚效應”。不同于前幾代移動通信系統,5G主要針對物聯網/垂直行業應用場景。隨著5G網絡規模部署,尤其是5G中后期,必將會有眾多垂直行業成員深度參與5G生態。與傳統運營商主導的現狀相比,未來新興企業(尤其是天生具有創新思維的互聯網公司)的深入參與將會對傳統通信產業產生巨大沖擊,甚至是革命性影響,即所謂“鯰魚效應”。

(3)IoT業務模式爆發潛力。如同當年智能手機的出現刺激了3G應用并觸發4G規模部署需求,相信IoT業務某些模式亦將會在5G時代某時間點刺激5G產業爆發,進而刺激對未來6G網絡的需求。我們需要有足夠的想象力,并需要為可能到來的未來網絡提前著手準備,打好技術基礎。

綜上分析,我們可以得出結論——現在是開啟下一代無線移動通信系統(6G)研究的合適時機。

近期,越來越多的機構或個人開始涉及B5G或6G概念,包括學術界、工業界、政府甚至公眾[6-9]。根據谷歌搜索引擎的統計,“6g technologies”是當今搜索量最大的17個關鍵詞之一[10]。在2018美國移動世界大會上,美國聯邦通訊委員會的一位官員在公開場合展望6G[9]。不只美國,中國也已啟動6G相關工作。2018年3月工業和信息化部部長苗圩在接受媒體采訪時表示,中國已著手研究6G[11]。據悉,除中美兩國外,歐盟、俄羅斯等也正在緊鑼密鼓地開展相關工作。由此可以看出,業界對現在啟動6G相關研究有一定的共識。

本文主要探討十年后(2030年~)的通信需求和技術,即針對下一代無線移動通信系統(6G),其相對5G屬于革命性(Revolution)系統。當然,不排除本文涉及的部分技術特性提前成熟或部分業務場景提前應用的可能,則本文把該部分歸屬5G演進特性(Evolution),即可以歸屬所謂B5G(Beyond 5G)??梢栽て?,當前5G大部分特性將會在6G系統中繼續保留并增強,但這些5G技術增強部分不屬于本文討論范疇。本文將側重探討6G系統中可能引入的革命性關鍵技術。

本文將分別從需求驅動和技術驅動兩個維度進行分析討論,重點探討6G愿景、需求與挑戰、潛在候選技術,嘗試勾勒出6G的整體框架,以期為后續展開6G研究提供方向性指引。

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6G愿景與挑戰

5G啟動初期,確立的5G愿景為“信息隨心至,萬物觸手及”[12]?;詿嗽婦?,確定了5G技術指標需求,并進一步提出了候選關鍵技術。經歷了概念確定、技術研究、標準化和產品開發過程,5G系統即將投入規模商用,5G愿景也將隨著標準的完善及產業的成熟而逐步實現。現在要開啟6G前瞻性研究,也有必要首先確立6G愿景及相應的技術需求與挑戰,以牽引后續6G相關研究。5G已經如此激動人心,并將全面地賦能社會,未來我們還能做什么?

本節將首先給出對未來6G愿景的暢想,并淺析所述愿景的必然性,然后進一步闡述實現6G愿景所面臨的技術需求與挑戰。

2.1  6G愿景(6G Vision)

當前5G的目標是滲透到社會的各個領域,以用戶為中心構建全方位的信息生態系統。但受限標準化時間及相關技術發展的成熟度,在信息交互的空間深度和廣度上還有很多不足:當前通信對象集中在陸地地表數千米高度的有限空間范圍內;雖然考慮了物聯需求,但距離真正無所不在的萬物互聯還有距離。尤其是隨著人類活動范圍的快速擴張,眾多技術領域的快速進步,對更加廣泛多樣的信息交互提出了更高的需求。

6G目標是滿足十年后(2030年~)的信息社會需求,因此6G愿景應該是現有5G不能滿足而需要進一步提升的需求?;?G可以滿足的需求,并結合其它相關領域的發展趨勢,我們認為6G愿景可以概括為四個關鍵詞:“智慧連接”、“深度連接”、“全息連接”、“泛在連接”,而這四個關鍵詞共同構成“一念天地,萬物隨心”的6G總體愿景。

5G愿景“信息隨心至,萬物觸手及”,強調信息交互、萬物可連接,而且連接對象集中在陸地10km高度的有限空間范圍內。5G雖然在Rel-16版本開始研究并標準化非陸地通信網絡(non-terrestrial networks,NTN))技術特性[13],但NTN架構涉及的衛星通信網絡與蜂窩網絡標準及技術體系依然是彼此獨立,需要通過專門的網關設備連接交互,其通信能力和效率很難滿足十年后的“泛在連接”需求。為滿足未來“泛在連接”需求,6G需要引入下文所述的空天地海一體化網絡,該網絡將是一個有機整體,也即需要統一的標準協議架構和技術體系,真正實現空天地海一體化的“泛在連接”。另外,5G海量連接特性(mMTC)強調連接數量,而不要求實時性;超可靠低時延特性(uRLLC)強調可靠性與實時性,但對連接數量和吞吐量沒有需求,是以降低頻譜效率和連接數量為代價實現的。而6G的“萬物隨心”愿景則同時需要海量連接、可靠性、實時性和吞吐量需求,這些對通信網絡是全新的巨大挑戰,其對應的典型場景為下文所述的無線觸覺網絡。因此,雖然6G愿景涵蓋的基本概念中部分在5G已有涉及,但6G愿景提出了更高的目標,以滿足未來全新的場景需求。

概括來說,6G總體愿景是基于5G愿景的進一步擴展:“一念天地”中的“一念”一詞強調實時性,指無處不在的低時延、大帶寬的連接,“念”還體現了思維與思維通信的“深度連接”,“天地”對應空天地海無處不在的“泛在連接”;“萬物隨心”所指的萬物為智能對象,能夠“隨心”所想而智能響應,即“智慧連接”;呈現方式也將支持“隨心”無處不在的沉浸式全息交互體驗,即“全息連接”。

圖1. 6G愿景

智慧連接(Intelligent connectivity)

人工智能(Artificial Intelligence,AI)是當前最熱門的話題之一,幾乎各個領域都在探索利用AI技術。無線移動通信網絡與AI結合,讓AI更好的賦能網絡也成為必然趨勢[14-30]。目前人們已經開始嘗試在5G系統中使用AI技術[31-32],但當前5G與AI的結合只能算是利用AI對傳統網絡架構進行優化改造,而不是真正以AI為基礎的全新智能通信網絡系統。首先,AI技術應用于5G網絡的時機相對較晚,最近幾年才真正展開研究并嘗試把AI技術應用在5G網絡,而5G網絡架構本身早已定型。盡管5G網絡架構設計初期考慮了足夠的靈活性(即所謂軟件可定義),但畢竟沒有考慮AI技術特點,依然算是傳統的網絡架構體系。其次,盡管AI技術發展很快,也已在一些領域展現了其強大的能力,但在更多領域依然處于探索階段,AI與無線通信技術結合研究更是剛起步不久,距離真正技術成熟還需要一個較長期的研究過程。

不過AI發展的趨勢讓我們看到了未來十年其技術成熟的可能性。同時,考慮到未來6G網絡結構將會越來越龐大異構,業務類型和應用場景也越來越繁雜多變,充分利用AI技術來解決這種復雜的需求幾乎是必然的選擇。預期未來6G將會突破傳統移動通信系統的應用范疇, 演變成為支撐全社會、全領域/行業運行的基礎性互聯網絡。若未來網絡依然以現有統一的通信網絡框架來支撐6G時代極度差異化的繁雜應用,將會面臨著前所未有的挑戰。AI技術的新一輪復興及迅猛發展, 為應對上述挑戰并超越傳統移動通信設計理念與性能提供了潛在的可能性,并將充分賦能未來6G網絡[21]。因此,我們認為基于AI技術構建6G網絡將是必然的選擇,“智慧”將是6G網絡的內在特征,即所謂“智慧連接”。

“智慧連接”特征可以表現為通信系統內在的全智能化:網元與網絡架構的智能化、連接對象的智能化(終端設備智能化)、承載的信息支撐智能化業務。未來6G網絡將會面臨諸多挑戰:更復雜、更龐大的網絡,更多類型的終端及網絡設備,更加復雜多樣的業務類型。“智慧連接”將同時滿足兩方面的需求:一方面,所有相關連接在網絡的設備本身智能化,相關業務也已智能化;另一方面,復雜龐大的網絡本身也需要智能化方式管理。“智慧連接”將是支撐6G網絡其它三大特性“深度連接”、“全息連接”和“泛在連接”的基礎特性。

深度連接(Deep connectivity)

傳統蜂窩網絡(也包括即將規模部署的5G網絡)已有深度覆蓋的概念,主要是優化室內接入需求的深度覆蓋。為實現室內深度覆蓋,工程中一般采用室外宏基站覆蓋室內,或者室內部署無線節點。4G及之前幾代的蜂窩網絡系統是針對以人為中心的通信需求,深度覆蓋針對人員活動的典型室內場景進行優化。經過多代無線通信系統的技術演進及工程經驗積累,對人員活動場所的典型室內場景覆蓋優化技術已經非常成熟。5G開始,通信對象從以人為中心的通信擴展為同時包括物聯通信,即所謂萬物互聯。因此,5G及未來無線通信網絡設計及其部署需要同時兼顧人和物的深度覆蓋需求,尤其是物聯場景的深度覆蓋。

人類生產和生活空間不斷擴大,信息交互需求的類型和場景越來越復雜。以5G為開端的萬物互聯將會促進物聯網通信需求快速提升,并很可能在未來幾年內爆發。相對人員的通信需求,物聯網信息交互無論是空間范圍還是信息交互類型,都將會極大的擴展??梢栽て?,未來物聯需求將會從幾方面快速發展:

(1)連接對象活動空間的深度擴展。

(2)更深入的感知交互。未來的通信設備及其連接對象將大部分智能化,從而需要更深度的感知、更實時的反饋與響應,如同延伸的人類軀干和四肢。

(3)物理網絡世界的深度數據挖掘。AI深度學習將會對未來通信網絡的數據深度挖掘與利用,同時還包括為支持深度學習而強化的大數據通信需求。

(4)深入神經的交互。人機接口(Brain Computer Interface,BCI)等技術的成熟,思維與思維的直接交互將成為可能,一定程度的“心靈感應”將可能變為現實[10][34]。

因此,我們預期十年后(2030年~)的6G系統,接入需求將從深度覆蓋演變為“深度連接(Deep connectivity)”,其特征可以概括為如下幾點:

深度感知(Deep Sensing):觸覺網絡(Tactile Internet);

深度學習(Deep Learning /AI):深度數據挖掘;

深度思維(Deep Mind):心靈感應(Telepathy)、思維與思維的直接交互(Mind-to-Mind Communication)。

全息連接(Holographic connectivity)

AR/VR(Virtual and Augmented Reality)被認為是5G最重要的需求之一,尤其是對5G高吞吐量需求的典型應用之一,5G將能夠支持把當前有線或固定無線接入的AR/VR變為更廣泛場景的無線移動AR/VR。一旦AR/VR可以更簡單方便且不受位置限制的移動使用,將會促進AR/VR業務快速發展,進而刺激AR/VR技術與設備本身的快速發展與成熟??梢栽て?,十年后(2030年~),媒體交互形式將可能以現在平面多媒體為主,發展為高保真AR/VR交互為主,甚至全息信息交互,進而無線全息通信將成為現實。高保真AR/VR將普遍存在,全息通信及顯示也可隨時隨地的進行,從而人們可以在任何時間和地點享受完全沉浸式全息交互體驗,即實現所謂“全息連接”的通信愿景。當然,若想基于無線通信網絡實現全息通信、高保真AR/VR將會面臨諸多挑戰[35],一系列文獻已經在研究采用AI技術來解決相關問題[36-38],即需要“智慧連接”的支撐。

“全息連接”特征可以概括為:全息通信、高保真AR/VR、隨時隨地無縫覆蓋的AR/VR。

泛在連接(Ubiquitous connectivity)

傳統蜂窩網絡也有隨時隨地的無線接入需求。不過如前所述,5G系統開始,相對人員的通信需求,物聯網信息交互無論是空間范圍還是信息交互類型都將會極大的擴展。物聯設備的活動范圍將會極大擴展通信接入的地理空間,包括布置于深地、深?;蟶羈盞奈奕頌講餛?,中高空有人/無人飛行器,深入惡劣環境的自主機器人、遠程??氐鬧悄芑魃璞傅?。另外,隨著宇航、深海探測等領域的科學技術快速發展,在一些極端自然環境下的生存能力提升,人類自身的活動空間也在快速擴展。例如,2030~2040年,也許會有更多人有機會進入外太空,則衛星與地面、衛星之間及與航天器之間的通信需求將會更普遍,而不是現在僅僅局限于少數專業的科學探索領域的特殊通信需求;人類在地面的活動蹤跡也會更多的出現在極地、沙漠腹地等;遠洋的活動、更多無人島嶼進駐人類。上述通信場景構成十年后(2030年~)更為廣泛的“隨時隨地”連接需求,即實現真正的“泛在連接(Ubiquitous connectivity)”,“廣闊”的世界也將變得越來越觸手可及。

“泛在連接”特征可以概括為:全地形、全空間立體覆蓋連接,即“空-天-地-海”隨時隨地的連接,或稱為空天地海一體化通信。對比“深度連接”和“泛在連接”,前者側重連接對象的深度,后者強調地理區域的廣度。

總結上述四大未來6G愿景,“智慧連接”是未來6G網絡的大腦和神經,“深度連接”、“全息連接”和“泛在連接”三者構成6G網絡的軀干,從而這四個特性共同使得未來6G網絡成為完整的擁有“靈魂”的有機整體。未來通信系統將會在現有5G的基礎上進一步發展增強,真正實現信息突破時空限制、網絡拉近萬物距離,實現無縫融合的人與萬物智慧互聯,并最終達到“一念天地,萬物隨心”的6G總體愿景。

2.2  需求與挑戰(Requirements and Challenges)

2.1節對未來6G網絡做了暢想,其美好愿景讓人無限期待。但若想實現這些美好的愿景,我們將不得不面臨諸多技術需求與挑戰。毫無疑問,5G已有的幾項基本技術指標還會在現有需求的基礎上進一步提升,包括更高的吞吐量、更低的時延、更高的可靠性和更海量的連接數等。不過本文將重點討論幾項6G特有的關鍵技術需求與挑戰。本節將會首先羅列這幾項6G關鍵的技術需求與挑戰,然后再對它們進行詳細討論和分析。為實現6G網絡的愿景,滿足未來通信需求,如下幾項關鍵技術需求與挑戰需要被考慮。

圖2. 6G需求與挑戰

峰值速率:太比特時代(Terabit Era, Tb/s)

 

提及無線移動通信系統,人們首先要考慮的需求指標是峰值速率,峰值速率是從第一代無線移動通信系統開始就一直追求的關鍵技術指標之一。毫無疑問,6G也必將進一步提升峰值速率。從無線通信系統發展規律和6G愿景兩個角度分析可知,6G峰值速率可能進入太比特時代(Terabit Era,Tb/s)。

首先,我們基于1~5G移動通信系統峰值速率提升的統計規律定量預測十年后(2030年~)的峰值速率需求?;諼南譡44]的分析可知,1~5G移動通信系統峰值速率的增長服從指數分布(按照各代系統標準化的時間點計算)?;詵逯鄧俾識雜ξ鬧斜硪壞詼興荊?~5G移動通信系統的峰值速率)預測未來十年的發展趨勢,可知2030年可能達到Tb/s峰值速率。其次,從6G愿景定性分析可知,至少有兩方面的應用需要6G峰值速率大幅度提升:

(1)智能化(大數據)的普遍應用,需要海量的數據傳輸需求,基于大數據的智能化應用可能是觸發下一代移動通信系統發展的重要驅動力之一;

(2)高保真的AR/VR和全息通信將成為6G必然支持的應用,其所需的數據速率將遠超我們目前已知的其他無線應用。

進一步,為達到高保真沉浸式AR/VR,不僅需要Tb/s的峰值速率,還需要較低的交互時延,也即需要高吞吐率與低時延同時保證。另外,隨時隨地AR/VR意味著任何時間任何地點都希望可以滿足高速率需求,也即不僅要求峰值速率,對網絡平均速率和覆蓋也有極高的要求。

總結上述分析可知,6G網絡將需要高達Tb/s級別的峰值速率。另外,不同于以往僅要求局部覆蓋區域(例如熱點區域)的峰值速率需求,6G網絡還將要求能夠隨時隨地的享受高速率、低時延的連接需求,這些將是6G網絡需要面對的巨大挑戰。

更高能效(Higher Energy Efficiency)

超大規模的移動通信網絡已成為世界能源消耗的不可忽視的一部分。它不僅產生巨大的碳排放,而且占據了相當一部分的運營成本。未來6G網絡擁有超高吞吐量、超大帶寬、超海量無處不在的無線節點,這些將對能耗帶來前所未有的巨大挑戰。頻譜效率提升和頻譜帶寬增大,吞吐量可以有巨大的提升,但隨之而來的能效問題將會更加嚴重,需要盡可能降低每比特的能量消耗(J/bit)。無所不在、密集充滿人類生產生活空間的感知網絡傳感器,將帶來兩方面的能耗問題:首先,龐大的數量帶來高昂的總能耗;其次,如何方便有效地對無處不在的部署進行供能也是挑戰。另外,“智慧連接”中海量數據處理功耗、超大規模天線的處理功耗等場景,也是未來6G網絡需要面臨的功耗挑戰。面對未來6G網絡巨大的能源消費壓力,綠色節能通信顯得尤為重要和迫切[45]。

隨時隨地的連接(Connection Everywhere and Anytime)

隨著科學技術的進步,人類活動空間將進一步擴大,活動區域更普遍的到達高空、外太空、遠洋、深海;通信節點,尤其是物聯節點相對人員將遍布更廣闊的區域。通信網絡已經和人類的社會活動密不可分,未來需要構建一張無所不在(覆蓋空天地海)、無所不連(萬物互聯)、無所不知(借助各類傳感器)、無所不用(基于大數據和深度學習)的網絡,真正實現隨時隨地的連接及交互需求。未來通信網絡的通信目標應為:任何人(Anyone)在任何時間(Anytime)任何地點(Anywhere)可與任何人(Anyone)進行任何業務(Anyservice)通信或與任何相關物體(Related Objects)進行相關信息(Related Information)交互[46]。

全新理論與技術(New Theories and Technologies)

為實現6G極具挑戰性的愿景,需要新增更多可用頻譜資源,同時也需要在一些基礎性的理論與技術上有所突破?;詼?G愿景的需求分析,我們認為需要在幾個關鍵方面取得突破,包括全新信號采樣機制、全新信道編碼與調制機制、太赫茲通信的理論與技術、AI與無線通信結合的技術等。

自聚合通信架構(Self-Aggregating Communications Fabric)

幾乎每一代3GPP標準都號稱可以融合多種技術標準,但最終結果依然還是一個自我封閉的標準系統。盡管3GPP標準希望包打天下,但在萬物互聯逐漸實現的過程中,我們將不得不面臨與其它復雜多樣的垂直行業標準和技術融合的問題。為更好支持萬物互聯及垂直行業應用,6G應該真正可以動態的融合多種技術體系,具備對不同類型網絡(技術)智能動態地自聚合能力。雖然5G能夠一定程度地適應不同類型的網絡(技術),但還是只能靜態或半靜態組合方式。6G將需要實現以更加智能靈活的方式聚合不同類型的網絡(技術),以動態自適應地滿足復雜多樣的場景及業務需求。

非技術性因素的挑戰(Nontechnical Challenges)

未來6G若想順利落地實現,不僅要面臨上述技術性問題的挑戰,也將不得不需要盡力克服諸多非技術因素的挑戰,主要涉及行業壁壘、消費者習慣及政策法規問題等。

相對5G,6G將會更加全面地滲透到社會生產、生活的各個方面,與其它垂直行業領域的結合也將更加緊密。這意味著移動通信不再局限于自己的領域,需要和其它垂直行業/領域緊密配合。但是,一些傳統行業固有的行為方式或利益關系將會對移動通信的進入直接或間接地設置行業壁壘。

頻譜分配與使用規則是另一個非技術限制因素。例如6G太赫茲頻段的使用,一方面需要全球不同國家和地區協調分配,盡可能分配統一的頻段范圍,同時還需要考慮與該頻譜的其它領域使用者協調,例如氣象雷達等。

衛星通信將面臨更多的政策法規限制。首先,衛星通信所用的軌道資源、頻譜資源等都需要各國協商解決。其次,相對傳統地面通信,衛星通信在全球漫游切換方面上將面臨更多挑戰。目前,幾個主要國家及一些商業實體都在積極進行衛星通信系統搭建,如何協調這些彼此獨立部署的衛星通信系統關系,將是一個極其復雜的問題。

另外,移動通信進入眾多完全不同特點的垂直行業后,不得不面對差異化極大的用戶使用習慣。如何更快速地改造這些千差萬別的垂直行業用戶固有思維方式和習慣,盡快適應全新的行為方式與規則,將是一個極具挑戰的問題。

6G網絡最終將提供每秒太比特速率,支撐十年后(2030年~)平均每人1000+無線節點的連接,并提供隨時隨地的即時全息連接需求。未來將是一個完全的數據驅動的社會,人與萬物被普遍地、近乎即時(毫秒級)地連接,構成一個不可思議的完全連接的烏托邦世界。

3

6G候選關鍵技術

無線接入技術發展推動主要來自兩個方面:關鍵理論/技術突破推動技術發展,應用需求驅動技術發展。對于未來6G將會有哪些潛在的關鍵技術構成,不同的機構分別給出了不同的觀點[6-10]。當前尚處于6G概念探討的初期,各家給出的觀點差異還比較大。但相信隨著大家對6G概念探討和技術研究的深入,認識將會逐漸清晰,研究方向也會不斷收斂聚焦。本節將首先分類羅列6G潛在關鍵候選技術特性,然后對相關候選技術特性進行分析和解讀。

為實現第2節所描繪的6G愿景及其挑戰,同時考慮相關技術發展狀況與趨勢,我們認為6G潛在關鍵技術特性可以包括如下幾方面。

圖3. 6G潛在關鍵技術特性

基礎性技術是構成6G網絡的基石,只有關鍵基礎技術被突破,6G網絡相應的技術需求才可能滿足,進而相關愿景才可能實現。而專有技術特性則由多個關鍵的基礎性技術點有機組成,用于滿足未來6G典型場景的需求。從系統維度看,多個關鍵技術點組成專有技術特性,而多個專有技術特性組合構建有機的系統。當前,我們需要對6G候選關鍵技術進行基礎性研究和突破,為未來6G網絡的標準化及工程實現技術研究奠定基礎。其中,AI與無線通信結合研究(“AI-based Wireless Communication”)近期非?;鶉?,也是實現未來6G網絡“智慧連接”的關鍵技術,但是否可以作為無線領域的基礎性技術尚存在爭議。

3.1  新頻譜通信技術

頻譜是移動通信的基礎,也是稀缺資源,持續增長的業務量需求要求未來移動通信系統擴展可用的頻譜資源。太赫茲(Terahertz)和可見光(Visible Light)將是極具吸引力的兩類重要的候選頻譜。太赫茲頻譜在通信等領域的開發利用受到了來自歐、美、日等國家和區域的高度重視,也獲得了國際電信聯盟(ITU)的大力支持??杉饌ㄐ偶際跏撬孀耪彰鞴庠粗С指咚倏囟⒄蠱鵠吹囊恢中灤屯ㄐ歐絞?,可以有效的緩解當前射頻通信頻帶緊張的問題,為短距離無線通信提供了一種新的選擇方式。

本部分將分析太赫茲和可見光兩類重要的候選頻譜特性,探討兩者主要的應用場景,并給出面臨的技術挑戰。

3.1.1  太赫茲通信(THz Communication)

太赫茲波是指頻譜在0.1~10 THz之間的電磁波,波長為30至3000微米。頻譜介于微波與遠紅外光之間,在其低波段與毫米波相鄰,而在其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。太赫茲作為一個介于微波與光波之間的全新頻段尚未被完全開發,太赫茲通信具有頻譜資源豐富、傳輸速率高等優勢,是未來移動通信中極具優勢的寬帶無線接入(Tb/s級通信)技術[47]。美國聯邦通信委員會專員Jessica Rosenworcel在2018年9月召開的美國移動通信世界大會上表示,6G可以采用基于太赫茲(THz)頻譜的網絡和空間復用技術[9]。

太赫茲波以其獨有的特性,使太赫茲通信比微波和無線光通信擁有許多優勢,決定了太赫茲波在高速短距離寬帶無線通信、寬帶無線安全接入、空間通信等方面均有廣闊的應用前景。

(1)太赫茲波在空中傳播時極易被空氣中的水分吸收,比較適合于高速短距離無線通信;

(2)波束更窄、方向性更好,具有更強的抗干擾能力,可實現2~5 km內的保密通信。

(3)太赫茲波的頻率高、帶寬寬,能夠滿足無線寬帶傳輸時對頻譜帶寬的需求。太赫茲波頻譜在108~1013 GHz之間,其中具有幾十GHz的可用頻譜帶寬,可提供超過Tb/s的通信速率。

(4)空間通信。在外層空間,太赫茲波在350μm、450μm、620μm、735μm和870μm波長附近存在著相對透明的大氣窗口,能夠做到無損耗傳輸,極小的功率就可完成遠距離通信。并且,相對無線光通信而言,波束更寬,接收端容易對準,量子噪聲較低,天線終端可以小型化、平面化。因此,太赫茲波可廣泛應用于空間通信中,特別適合用于衛星之間、星地之間的寬度通信。

(5)太赫茲頻段波長短,也適合采用更多天線陣子的Massive MIMO(相對毫米波同樣大小甚至更小的天線體積)。初步的研究表明,Massive MIMO提供的波束賦型及空間復用增益可以很好的克服太赫茲傳播的雨衰和大氣衰落,可以滿足密集城區覆蓋需求(例如,200m小區半徑)。

(6)能量效率高。相對于無線光通信而言,太赫茲波的光子能量低,大約是10-3eV,只有可見光的1/40,用它作為信息載體可以獲得極高的能量效率。

(7)穿透性強。太赫茲波能以較小的衰減穿透物質,適合一些特殊場景的通信需求。

太赫茲頻段用于移動通信具有不可替代的優勢,但同時面臨著多方面的挑戰

(1)覆蓋與定向通信。電磁波傳播特性表明,自由空間衰落大小與頻率的平方成正比,因此太赫茲相對低頻段有較大的自由空間衰落。太赫茲傳播特性及巨量天線陣子,意味著太赫茲通信是高度定向的波束信號傳播。我們需要針對這種高度定向傳播的信號特征,重新設計和優化相關機制。

(2)大尺度衰落特性。太赫茲信號對陰影非常敏感,對覆蓋范圍影響很大。例如,如磚的信號衰減高達40-80dB,人體可以帶來20-35dB的信號衰減。不過濕度/降雨衰落對于太赫茲通信影響相對較小,因為濕度/降雨衰落在100GHz以下隨著頻率提升而快速增加,但在100GHz以上已經相對平坦??梢匝≡裼晁ハ嘍越閑〉募父鎏兆繞刀巫魑蠢刺兆韌ㄐ諾牡湫推刀?,例如140GHz、220GHz和340GHz等附近頻段[47]。

(3)快速信道波動與間歇性連接。給定的移動速度,信道相干時間與載波頻率為線性關系,也即意味著太赫茲頻段的相干時間很小,多普勒擴展較大,相比當前蜂窩系統所采用的頻段變化快很多。此外,較高的陰影衰落將導致太赫茲傳播的路徑衰落更劇烈地波動。同時,太赫茲系統主要構成是小范圍覆蓋的微小區,而且是高度空間定向的信號傳輸,這意味著路徑衰落、服務波束和小區關聯關系將會迅速改變。從系統角度,意味著太赫茲通信系統的連接將表現為高度間歇性,需要有快速迅速適應機制來克服這種快速變化的間歇性連接問題。

(4)處理功耗。利用超大規模天線的一個重大的挑戰是寬帶太赫茲系統模數(A/D)轉換的功率消耗。功耗一般與采樣率呈線性關系,而與每比特的采樣數為指數關系。太赫茲頻段大帶寬和巨量天線需要高分辨率的量化,實現低功耗、低成本的設備將是巨大挑戰。

為支持太赫茲通信,如下幾方面需要進一步深入研究

(1)半導體技術,包括RF、模擬基帶和數字邏輯等;

(2)研究低復雜度、低功耗的高速基帶信號處理技術和集成電路設計方法,研制太赫茲高速通信基帶平臺;

(3)調制解調,包括太赫茲直接調制、太赫茲混頻調制和太赫茲光電調制等;

(4)波形、信道編碼;

(5)同步機制,例如,高速高精度的捕獲和跟蹤機制、數百量級天線陣子的同步機制;

(6)太赫茲空間和地面通信的信道測量與建模。

上述幾方面技術問題研究需要綜合兼顧,以便在太赫茲通信的性能、復雜性和功耗之間取得平衡。

另外,在頻譜監管方面,目前國際電聯己決定將0.12THz和0.2THz劃歸無線通信使用,但0.3THz以上頻譜的監管規則尚不明晰,全球范圍內尚未統一。需要國際電聯層面和WRC會議共同努力,積極推動以達成共識。

太赫茲通信技術的研究只有二十年時間,很多關鍵器件還沒有研制成功,一些關鍵技術還不夠成熟,還需進行大量的研究工作。但太赫茲通信是一個極具應用前景的技術,隨著關鍵器件及關鍵技術的突破,太赫茲波通信技術必將給人類生產生活帶來深遠的影響。

3.1.2  可見光通信(Visible Light Communications)

一種對現有無線射頻通信技術可能的補充技術是光無線通信(Optical Wireless Communications,OWC),頻段包括紅外、可見光和紫外,可以有效的緩解當前射頻通信頻帶緊張的問題。其中,可見光頻段是OWC最重要的頻段,將在本節重點討論。

可見光波段(390-700納米)的OWC系統通常被稱為可見光通信(Visible Light Communications,VLC),它充分利用可見光發光二極管(LED)的優勢,實現照明和高速數據通信的雙重目的。與無線電通信相比,VLC具有多方面極具吸引力的優勢。首先,可見光通信技術可以提供大量潛在的可用頻譜(THz級帶寬),并且頻譜使用不受限,不需頻譜監管機構的授權。其次,可見光通信不產生電磁輻射,也不易受外部電磁干擾影響,所以可廣泛應用于對電磁干擾敏感、甚至必須消除電磁干擾的特殊場合,如醫院、航空器、加油站和化工廠等。再次,可見光通信技術所搭建的網絡安全性更高。該技術使用的傳輸媒介是可見光,不能穿透墻壁等遮擋物,傳輸限制在用戶的視距范圍以內,這就意味著網絡信息的傳輸被局限在一個建筑物內,有效地避免了傳輸信息被外部惡意截獲,保證了信息的安全性。最后,可見光通信技術支持快速搭建無線網絡,可以方便靈活的組建臨時網絡與通信鏈路,降低網絡使用與維護成本。像地鐵、隧道等射頻信號覆蓋盲區,如果使用射頻通信,則需要高昂的成本建立基站,并支付昂貴的維護費用。而室內可見光通信技術可以利用其室內的照明光源作為基站,結合其它無線/有線通信技術,為用戶提供便捷的室內無線通信服務。

OWC典型應用場景包括:光熱點(特別是在室內場景)、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)。這些典型應用場景的OWC技術值得深入研究,并針對性的優化解決。

3.2  基礎性技術

構成6G系統的潛在基礎技術較多,本節將對其中最可能的潛在關鍵基礎性技術展開討論,包括稀疏理論(主要指壓縮感知)、全新信道編碼、大規模天線、靈活頻譜技術等。

3.2.1  稀疏理論-壓縮感知(Sparse Theory - Compressed Sensing)

信號采樣是聯系模擬信源和數字信息的橋梁。人們對信息的巨量需求對信號的采樣、傳輸和存儲帶來巨大壓力,如何緩解這種壓力又能有效提取承載在信號中的有用信息是信號與信息處理中急需解決的關鍵問題之一。傳統的信號處理是以香農-奈奎斯特(Shannon-Nyquist)采樣定理為基礎,信號通常先采樣后壓縮,而且必須以高于香農-奈奎斯特頻率的速率對信號進行采樣和處理。不同于香農-奈奎斯特信號采樣機制,Donoho[48]和Candès、Tao、Romberg[49]等人近年來基于信號稀疏性提出一種稱為壓縮感知/壓縮采樣(Compressed Sensing/Compressive Sampling,CS)的新穎采樣理論,成功實現了信號的同時采樣與壓縮,為緩解上述壓力提供了解決方法。CS是獲取、處理和恢復稀疏信號的有吸引力的范例[48],這種全新模式是傳統信息處理操作(包括采樣、感知、壓縮、估計和檢測)極具競爭力的替代方案。此研究思想挑戰了香農-奈奎斯特采樣定理[50]的理論極限,對整個信號處理領域產生了極其重要的影響。

CS理論是當前信號處理領域的研究熱點之一[48-49][51-57]。CS的核心在于可以以計算有效的方式從欠定線性系統中恢復稀疏信號,即信號的少量線性測量(投影)包含用于其重建的足夠信息。壓縮感知理論指出:當信號在某個變換域是稀疏的或可壓縮的,可以利用與變換矩陣非相干的測量矩陣將變換系數線性投影作為低維觀測向量,同時這種投影保持了重建信號所需的信息,通過進一步求解稀疏最優化問題就能夠從低維觀測向量精確地或高概率精確地重建原始高維信號。在該理論框架下,采樣速率不再取決于信號的帶寬,而是很大程度上取決于兩個基本準則:稀疏性和非相干性,或者稀疏性和等距約束性。在壓縮感知理論中,發端用信息采樣(即數據觀測或感知)代替了信號采樣,而收端設備則用信號重建代替了傳統的解碼,因此不受香農-奈奎斯特采樣率的限制。 這一優勢使得壓縮感知在通信與信息處理的許多方面有著巨大的應用前景。

傳統香農-奈奎斯特采樣定理存在的問題:對于高寬帶信號,香農-奈奎斯特采樣定理需要至少兩倍帶寬的采樣速率,對采樣硬件設備要求較高;同時,產生的大量信號采樣點對后續的傳輸及存儲帶來很重的負擔,既浪費了大量的通信帶寬資源又增加了通信設備成本;另外,也會因為要處理的數據量較多而降低了系統對信號處理的實時性?;諫銜乃鯟S特性可知,利用CS特性完全可以克服傳統香農-奈奎斯特采樣定理的問題,更好的提升未來通信系統的性能:極大提升有用信息傳輸能力,降低有用信息傳輸及處理時延。近年來,人們提出了利用目標信號稀疏性的各種無線通信應用,值得注意的例子包括信道估計、干擾抵消、方向估計、頻譜感知和符號檢測[52]。

壓縮感知/稀疏理論在5G已有少量涉及,例如基于稀疏碼的非正交多址(SparseCode Multiple Access,SCMA)、Massive MIMO的信道估計,但由于技術成熟度不足與標準化時間緊迫性的矛盾,最終并沒有能夠在5G標準中采納。面對未來6G極具挑戰的需求,壓縮感知理論在6G中應用有更大的迫切性:下一代無線傳輸面臨超大帶寬、超大規模天線及超密集基站,將需要難以估量的計算復雜度、硬件成本及能量消耗;海量的物聯網節點/觸覺網絡節點也需要利用壓縮感知理論來解決信號采集壓縮問題[51]?;諛殼把顧醺兄?稀疏理論研究的發展趨勢,10年后其技術成熟度完全可以滿足工程化應用的需求,從而在6G系統中工程化落地成為可能。

結合6G將要面臨的需求和挑戰,有三種壓縮感知典型應用場景:超寬帶頻譜感知、無線傳感網絡(無線觸覺網絡)、超大規模天線。

3.2.2  全新信道編碼(New Channel Coding)

信道編碼是無線通信的基礎,下一代信道編碼機制需要率先研究并突破,為未來6G無線通信系統打下基礎。

相對目前5G系統,下一代信道編碼機制研究需要滿足未來更加復雜異構的無線通信場景和業務需求,需要考慮幾方面的典型場景:超高吞吐量(Tb/s級別)、超大帶寬信道、超高頻信道、可見光信道、高空/太空信道、遠洋/深海信道、深地信道等復雜的傳播環境及更異構多樣的業務類型。

信道編碼應用于未來無線通信系統同時涉及先進的信道編碼算法和強大的芯片及實現技術兩方面。前者受到后者工程實現的制約,因此需要對兩者綜合研究和突破。信道編碼機制研究可以基于現有先進編碼機制(如Turbo、LDPC、Polar等)獲得適用于未來通信系統應用場景的基本信道編碼原則,并進一步研究新的編解碼機制及對應的芯片實現方案。需要對目前學術界正在研究的相關信道編碼機制進行遴選,綜合考慮其理論性能上限及對應的工程實現約束,作為下一代無線通信系統信道編碼機制候選的突破方向。AI在無線通信中的應用研究也給信道編碼研究提供了一種全新的范式。經典的糾錯碼是根據編碼理論設計的,而AI驅動的方法不再需要依賴于編碼理論,為突破現有理論設計出全新信道編碼機制提供了可能[58]。

另外,現有工程使用的信道編碼設計假設為高斯點對點信道,而實際通信是多用戶復雜網絡場景的干擾/衰落信道,因此現有信道編碼機制對實際干擾信道來說是次優的。未來通信網絡干擾關系更加復雜,有必要考慮基于干擾信道假設進行優化設計,例如,多用戶信道編碼。

3.2.3  超大規模天線技術(Very Large Scale Antenna)

多天線技術,尤其超大規模天線技術,是提升無線移動通信系統頻譜效率的關鍵技術之一。若想在未來6G網絡中更好的發揮多天線的增益,我們將不得不面臨諸多前所未有的需求和挑戰。

從候選頻譜角度,6G極有可能采用太赫茲頻譜通信。目前太赫茲頻譜特性還未完全研究清楚,如何在太赫茲頻譜上采用大規模天線更是面臨諸多難題,包括工程理論突破和設計實現。同時,太赫茲頻譜的引入也意味著未來通信系統頻譜范圍跨度更大,囊括6GHz以下低頻、6GHz以上毫米波及更高頻太赫茲。另外,太赫茲頻譜的大規模天線的陣子數量也會大幅增加,頻譜效率要求更高。

面對6G需求的挑戰,大規模天線技術需要研究并突破如下幾方面的問題:解決跨頻段、高效率、全空域覆蓋天線射頻領域的理論與技術實現問題;研究可配置、大規模陣列天線與射頻技術,突破多頻段、高集成射頻電路面臨的包括低功耗、高效率、低噪聲、非線性、抗互擾等多項關鍵性挑戰;提出新型大規模陣列天線設計理論與技術、高集成度射頻電路優化設計理論與實現方法、以及高性能大規模模擬波束成型網絡設計技術。

另外,為了充分得到大規模天線增益,需要在發射端和接收端獲得信道狀態信息(Channel Status Information,CSI)。即使假設TDD雙工方式,依然會存在導頻污染的問題,也即來自不同小區的上行鏈路導頻序列彼此干擾。這些問題對于超大規模天線來說,即使僅僅為了獲取不完美的CSI也是極具挑戰性。尤其對于太赫茲頻譜的大規模天線,其陣子數更多,需要估計的信道數目將會非常龐大?;諮顧醺兄礪鄱蘊兆繞燈椎拇蠊婺L煜囈脅慰夾藕派杓?、信道估計與反饋是一個較好的選擇,包括FDD和TDD雙工方式的MassiveMIMO場景[59]-[61]。在Massive MIMO系統中[62][63],發射機和/或接收機配備了大規模天線陣列,由于散射群數量有限,空間分辨率提高,信道可以在角域中稀疏地表示[64][65][66]。另外,相關研究和實際測量表明,太赫茲信號到達由少量的路徑簇構成,且每個簇僅有較小的角度擴展。這些太赫茲頻譜及其大規模天線的顯著稀疏特性有利于采用壓縮感知技術,有效降低處理復雜度,提升系統性能。

3.2.4  靈活頻譜技術(Flexible Spectrum)

上文所討論的幾項潛在的關鍵基礎性技術都是為了進一步提升頻譜效率,使得頻譜效率逼近信道容量上限,從而在理想假設下達到網絡峰值速率。而實際網絡中,更典型情況是頻譜需求的不均衡性,包括不同網絡間的不均衡、同一網絡內不同節點之間的不均衡、同一節點收發鏈路之間的不均衡等,而這些不均衡特性導致頻譜利用率低下。本節將分別探討解決上述頻譜需求不均衡問題的兩種潛在候選技術:

(1)頻譜共享,主要用于解決不同網絡間的頻譜需求不均衡問題;

(2)全自由度雙工,主要用于解決同一網絡內不同節點之間和同一節點收發鏈路之間的頻譜需求不均衡問題。

無線通信業務量需求激增與頻譜資源緊缺的外在矛盾,正驅動無線通信標準的內在變革。進一步提升頻譜效率,并消除對頻譜資源利用方式的限制,成為未來無線通信革新的一個目標。

3.2.4.1  頻譜共享(Spectrum Sharing)

為滿足未來6G系統頻譜資源使用需求,一方面,需要擴展可用頻譜,例如采用太赫茲頻譜和可見光頻譜,如3.1節所述;另一方面也需要在頻譜使用規則上有所改變,突破目前授權載波使用方式為主的現狀,以更靈活的方式分配和使用頻譜,從而提升頻譜資源利用率。目前蜂窩網絡主要是采用授權載波的使用方式,頻譜資源所有者獨占頻譜使用權限,即使所述頻譜資源暫時空閑,其它需求者也沒有機會使用。獨占授權頻譜對用戶的技術指標和使用區域等有嚴格的限制和要求,能夠有效避免系統間干擾并可以長期使用。然而,這種方式在具備較高的穩定性和可靠性的同時,也存在著因授權用戶獨占頻段造成的頻譜閑置、利用不充分等問題,加劇了頻譜供需矛盾。顯然,打破獨占授權頻譜的靜態頻譜劃分使用規則,采用頻譜資源共享的方式是更好的選擇[67]。

基于頻譜資源授權方式劃分,頻譜共享可以進一步分為兩種類型:非授權頻譜,用戶使用頻段不受限制,彼此之間享有同等的使用權利但均不受到?;?,需要通過技術手段避免相互產生干擾;動態共享頻譜,在保證主用戶不受干擾的前提下,通過設計許可權限(如規定接入時間、接入地點、發射功率、干擾?;さ齲?,賦予次用戶相應的頻譜使用權利,次用戶可使用數據庫、頻譜感知、認知無線電等技術,在空間、時間、頻率等不同維度上與主用戶共享頻譜。

對于非授權頻譜,目前主要的非授權載波頻段包括2.4GHz、5GHz,占總可用頻譜的比例較小,不同國家和地區使用規則也不統一。WLAN系統是最主要使用非授權載波的商業化的技術,但頻譜效率相對較低。3GPP LTE Rel-13標準版本引入LAA(Licensed-Assisted Access)技術,開創了蜂窩系統使用非授權載波的先例。當前,NR-unlicensed技術特性正在3GPP 5G標準討論中,將會包含在5G NRRel-16標準版本(2019年底完成并發布),5G NR也將可以利用非授權載波通信。而對于動態頻譜共享,盡管已有多年的研究,但迄今尚未在規模商用網絡中采用。

頻譜共享技術沒有被充分部署的原因有頻譜分配規則約束的因素,但更主要是頻譜共享技術本身成熟度的限制。我們還是需要在頻譜共享技術研究上有所突破,包括高效頻譜共享技術及高效頻譜監管技術,以在未來網絡中更好的采用共享頻譜技術提升頻譜資源利用率,同時也可以更方便的進行頻譜監管。頻譜共享的實現技術可分為三大類:一是感知類,例如認知無線電技術(Cognitive Radio, CR)[68];二是共享數據庫類,如頻譜池技術;三是將前兩類技術結合起來使用。進一步,可以利用AI與頻譜共享技術結合,以實現智能的動態頻譜共享使用和智能的高效頻譜監管[69-74]。

3.2.4.2  全自由度雙工-全雙工(Free Duplex - Full Duplex)

如上文所述,由于業務的數據包到達服從泊松分布,實際網絡中收發鏈路(在蜂窩網絡中一般指上下行鏈路)資源利用率動態波動,極不均衡。增強現有的雙工技術是為了實現收發鏈路間靈活的頻譜分配(或稱為收發鏈路間靈活的頻譜共享),從而從雙工維度提升頻譜資源利用率。

目前,相對傳統的移動通信系統,5G系統基于靈活空口概念設計,而雙工方式則采用動態TDD架構,其中FDD模式僅僅是一種配置的特例。另外,5G及后續B5G/6G主要可用頻譜分布在2GHz以上的頻段,這些頻譜絕大部分為TDD頻譜。解決上下行(Down Link /Up Link,DL/UL)交叉鏈路干擾的CLI-RIM WID(CrossLink Interference - Remote Interference Management Work Item Description)標準項目將于2019年完成,并將包含在5G NRRel-16標準版本[75]。此標準項目將會引入兩類干擾抑制:解決相鄰基站交叉鏈路干擾問題的機制,解決遠端基站間交叉鏈路干擾(大氣波導現象引起的交叉鏈路干擾)問題的機制。一旦這兩類干擾被很好的解決,5G將真正能夠很好地支持靈活雙工(Flexible Duplex)特性的商業部署,從而逐漸擺脫固定雙工模式(Fixed Duplex,FDD/TDD)的資源利用限制。5G初期的技術討論雖涉及全雙工技術,但由于其理論和技術研究尚不成熟,已沒有在機會5G中采用。

隨著未來十年雙工技術的進步和工藝的成熟,預期6G時代的雙工方式將有望實現真正全自由度雙工模式(Free Duplex),即不再有FDD/TDD區分,而是根據收發鏈路間業務需求完全靈活自適應的調度為靈活雙工或全雙工(Full Duplex)模式,徹底打破雙工機制對收發鏈路之間頻譜資源利用的限制。全自由度雙工模式通過收發鏈路(或DL與UL)之間全自由度(時、頻、空)靈活的頻譜資源共享,將可以實現更加高效的頻譜資源利用,達到提升吞吐量及降低傳輸時延的目的。而要實現全自由度雙工模式,最關鍵的技術挑戰是需要突破全雙工技術。下圖(圖5)描繪了無線移動通信系統雙工方式的演進路線。

圖5無線移動通信系統雙工方式演進路線

全雙工可以最大限度的提升網絡和接入設備收發設計的自由度,能夠消除FDD和TDD資源使用限制,從而提升頻譜效率和降低傳輸時延,可作為未來無線通信系統頻譜提升的關鍵候選使能技術。

提升頻譜效率:基于自干擾抑制技術的同時同頻全雙工技術可消除FDD和TDD資源使用限制,從理論極限上可提升一倍的頻譜效率。

降低傳輸時延:未來的載波屬性應該是以TDD載波為主。DL/UL采用TDD方式傳輸,即使可以動態靈活上下行,甚至靈活時隙結構,依然會存在上下行TDD帶來的時延、切換操作等問題。全雙工或者部分全雙工,可以克服不能夠同時傳輸帶來的時延問題,同時對DL/UL資源調度提供更多的自由度、更大的靈活性。

同時同頻全雙工涉及的通信理論與工程技術研究已進行多年,形成了空域、射頻域、數字域聯合的自干擾抑制技術路線。近些年很多研究機構已經成功設計出全雙工收發機[76-77], 并達到了110dB自干擾抑制能力[76]。全雙工通信的應用領域十分廣泛,包括認知無線電系統[78],中繼網絡[79][80],雙向通信系統[81],終端與終端通信系統(Device to Device,D2D)[82],蜂窩網[83][84][85]等。其中,在蜂窩網尤其是覆蓋范圍小、發射功率低的密集蜂窩網場景的應用得到了越來越多的關注。

基于自干擾受限的技術特征可知,全雙工技術主要適合于如下幾類典型應用場景:(1)低發射功率場景,包括短距離無線鏈路(例如D2D(Deviceto Device),V2X(Vehicle toEverything))和小覆蓋發射低功率的微小區(Small Cell)。

(2)收發設備復雜度與成本不受限的場景,例如無線中繼(Wireless Relay)和無線回傳(Wireless Backhaul);

(3)窄波束且空間自由度較多的場景,包括采用Massive MIMO的6GHz以下頻段及高頻毫米波/太赫茲頻段的通信場景。

全雙工技術的實用化進程中,尚需解決的問題和技術挑戰包括:大功率動態自干擾信號的抑制、多天線射頻域自干擾抑制電路的小型化、全雙工體制下的網絡新架構與干擾消除機制、與FDD/TDD半雙工體制的共存和演進策略。另外,從工程部署角度,充分研究全雙工的組網技術是更重要的方向。

3.2.4.2 基于AI的無線通信技術(AI-based Wireless Communication)

近年來,隨著大數據時代的來臨以及多種軟硬件計算資源的增長,人工智能(AI)特別是深度學習,已經成為一個具有眾多實際應用和活躍研究課題的領域。借助深度學習,通過對數據進行深入歸納、分析,從而獲取新的、規律性的信息和知識,并利用這些知識建立用于支持決策的模型,進行風險分析或預測。深度學習的出現,促進了許多領域快速發展,例如語音認知、計算機視覺、機器翻譯和生物信息等。而學術界和工業界也在不斷思考如何將AI融入到無線通信系統中,實現無線通信系統效能的大幅提升[86]-[87]。已有研究集中于應用層和網絡層,主要思想是將AI特別是深度學習的思想引入到無線資源管理和分配領域。不過,該方向的研究正向MAC層和物理層推進,特別在物理層出現無線傳輸與深度學習相結合的趨勢。盡管無線大數據為AI與無線通信結合提供了可能,但各項研究目前尚處于初步探索階段,智能通信系統的發展還需要一個長期的過程,機遇與挑戰共存[88]。

AI在無線通信網絡的應用層和網絡層主要有兩方面的應用。首先,它們可以用于預測、推理和大數據分析。在此應用領域,AI功能與無線網絡從其用戶、環境和網絡設備生成的數據集學習的能力有關。例如,AI可以用來分析和預測無線用戶的可用性狀態和內容請求,從而使基站能夠提前確定用戶的關聯內容并進行緩存,從而減少數據流量負載。在這里,與用戶相關的行為模式(如移動方式和內容請求)將顯著影響緩存哪些內容、網絡中的哪個節點以及在什么時間緩存哪些內容。其次,AI在無線網絡中的另一個關鍵應用是通過在網絡邊緣及其各網元實體(如基站和終端用戶設備)上內嵌AI功能來實現自組織網絡操作。這種邊緣智能是資源管理、用戶關聯和數據卸載的自組織解決方案的關鍵促成因素。在這種情況下,AI可以學習環境,并隨著環境的變化采用不同的解決方案,使得設備自主決策成為可能,從而實現網絡智能化[89]。當然,AI可以同時用于無線通信網絡的預測和自組織操作,因為這兩個功能在很大程度上是相互依賴的。

AI用于物理層傳輸主要呈現出兩種類型的深度學習網絡,一種基于數據驅動,另一種基于數據模型雙驅動?;謔萸納疃妊巴緗尷咄ㄐ畔低車畝喔齬δ苣?榭醋饕桓鑫粗暮諍兇?,利用深度學習網絡取而代之,然后依賴大量訓練數據完成輸入到輸出的訓練?;謔菽P退納疃妊巴繚諼尷咄ㄐ畔低吃屑際醯幕∩?,不改變無線通信系統的模型結構,利用深度學習網絡代替某個??榛蛘哐盜廢喙夭問蘊嶸掣瞿?櫚男閱?。AI用于物理層傳輸,意味著底層基礎的信號處理與通信機制將可能突破傳統經典的通信理論框架,而采用基于AI驅動的信號處理及通信機制。不過,上述兩種用于物理層傳輸的深度學習網絡至少面臨如下三方面的問題:

(1)基于深度學習的AI算法主要采用大量訓練數據離線方式進行參數訓練優化,而且由于訓練數據獲取的限制,一般為特定信道條件下的數據。這種處理機制產生了特定信道環境訓練數據的離線靜態訓練與無線信道的多樣性及動態時變性的矛盾;

(2)當前深度學習處理的為實數信號,而無線通信物理層傳輸的為復數信號。如何構建復數域的信號檢測神經網絡以更契合無線通信信號特點需要進一步研究;

(3)AI用于物理層傳輸的訓練樣本主要采用數學仿真生成,仿真數據可能忽略了部分實際通信環境帶來的影響。為了更好反應實際網絡環境,需要利用更完備的、實際采集的數據進行相應網絡的訓練和測試。不過,如何有效獲取足夠的實際可信的訓練數據是必須要解決的問題。例如,實際采樣數據復雜多樣,且存在大量虛警、錯檢數據,如何有效進行數據清理及合理分類將是巨大挑戰。

為實現6G時代“智慧連接”的愿景,6G網絡將呈現為基于“分布式智能無線計算”(“Distributed intelligent wireless computing”[90])網絡架構以及基于AI的底層通信機制。也即,在6G時代,AI將會被充分地集成到智能的6G網絡系統中:

AI將在未來網絡端到端的方方面面占據主導地位,包括:智能核心網和智能邊緣網絡,智能手機和智能物聯網(超級物聯網)終端,以及智能業務應用;

自主進化性能,如可用性、可修改性、有效性、安全性和效率;自主進化質量,如可測試性、可維護性、可重用性、可擴展性、可移植性和彈性;

底層基礎的信號處理與通信機制將可能會突破傳統經典的通信理論框架,全面采用AI驅動的機制。例如,基于深度學習的信道編譯碼[91]、基于深度學習的信號估計與檢測[92]、基于深度學習的MIMO機制[93-95]、基于AI的資源調度[96-97]與分配[98-99]等。

網絡基礎設施具備自組織自優化能力,就像一個獨立的自治系統。

隨著ICT 產業鏈架構融合的逐步深入、網絡云化重構轉型的加快以及更多新制式和技術的演進,電信運營商在網絡運營方面將面臨越來越大的壓力和挑戰,智能化網絡是未來網絡發展趨勢,網絡運營和運維模式將發生根本性變革。網絡將由當前以人驅動為主的人治模式,逐步向網絡自我驅動為主的自治模式轉變。未來,智能化網絡將通過網絡數據、業務數據、用戶數據等多維數據感知,實現高度自治[100]。

3.3  專有性技術特性

為實現上述6G網絡的愿景與挑戰,至少有兩種潛在的關鍵專有技術特性需要被特別考慮,包括空天地海一體化通信和無線觸覺網絡。如前文所述,這些專有技術特性則由多個關鍵的基礎性技術點有機組成,用于滿足未來6G典型場景的需求,而這些專有技術特性組合構建為有機的6G系統。本節將對這兩種典型的專有技術特性進行較為詳細的分析討論。

3.3.1  空天地海一體化通信(Space-Air-Ground-Sea Integrated Communication)

空天地海一體化通信的目標是擴展通信覆蓋廣度和深度,也即在傳統蜂窩網絡的基礎上分別與衛星通信(非陸地通信)和深海遠洋通信(水下通信)深度融合??仗斕睪R惶寤縭且緣孛嬙縹?、以空間網絡為延伸,覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間,為天基(衛星通信網絡)、空基(飛機、熱氣球、無人機等通信網絡)、陸基(地面蜂窩網絡)、?;êQ笏攣尷咄ㄐ?近海沿岸無線網絡+遠洋船只/懸浮島嶼等構成的網絡)等各類用戶的活動提供信息保障的基礎設施。從基本的構成上,空天地海一體化通信系統可以包括兩個子系統組成:陸地移動通信網絡與衛星通信網絡結合的天地一體化子系統、陸地移動通信網絡與深海遠洋通信網絡結合的深海遠洋(水下通信)通信子系統。本節將分別探討天地一體化通信和作為深海遠洋通信最關鍵構成的水下無線通信。其中,用于滿足深海遠洋通信場景的水下無線通信是否能夠成為未來6G網絡的組成部分存在爭議,本文僅是拋磚引玉,嘗試性提出來作為探討。

3.3.1.1  天地一體化通信(Space and Ground Integrated Communication)

天地一體化信息網絡由衛星通信系統(天基骨干網、天基接入網、地基節點網)與地面互聯網和移動通信網互聯互通,建成“全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、安全可信”的天地一體化信息網絡體系。下圖提供了一個天地一體化網絡架構參考例子。

圖6 天地一體化網絡架構

文獻[101]提供了一種典型的天地一體化網絡架構,可以作為未來6G網絡天地一體化通信網絡架構研究的參考。文中作者認為天基骨干網由布設在地球同步軌道的若干骨干衛星節點聯網而成,而骨干節點需要具備寬帶接入、數據中繼、路由交換、信息存儲、處理融合等功能,有單顆衛星或多個衛星簇構成;天基接入網由布設在高軌或低軌的若干接入點組成,滿足陸??仗於嗖憒魏A坑沒У耐緗尤敕裥棖?,形成覆蓋全球的接入網絡;同時,地基節點網有多個地面互聯的地基骨干節點組成,主要完成網絡控制、資源管理、協議轉換、信息處理、融合共享等功能,通過地面高速骨干網絡完成組網,并實現與其它地面系統的互聯互通。

天地一體化網絡特別是天基網絡受到空間傳播環境與網絡設置等因素的影響,與陸地移動通信網絡存在顯著差別[102]:

(1)空間傳輸條件受限??占浣詰閿捎誥嗬胍T?,信道質量差,鏈路通常存在較大的傳輸時延、較高的中斷概率、非對稱等特點;

(2)空間節點組網的特殊性??占浣詰閔柚檬芄斕?、星座等的制約,節點高度動態、稀疏分布、拓撲結構動態變化等;

(3)系統組成與管理上的特殊性。有大量專用系統組成和專網構成,各自長期發展中缺乏統一標準,網絡的管理實體應用需求和習慣也大相徑庭,不同管理域異構網絡互聯互通困難,節點資源協同難。

由于天基網絡存在上述與陸地移動通信網絡的顯著差別,大量陸地移動通信網絡中的成熟技術難以直接用于天基網絡。為盡快克服這些問題,需要考慮從幾方面入手:盡快確定網絡架構、確定接口標準、星間鏈路方案選擇、天基信息處理、網絡協議體系、安全機制等。

未來天地一體化通信網絡五大典型的應用場景:

(1)全地形覆蓋:地面基站無法覆蓋到的區域,如為海洋、湖泊、島嶼、山區等;移動平臺,如飛機、遠洋船舶、高鐵。

(2)應急通信:地震、海嘯等災害。

(3)廣播業務:低速的廣播服務,如公共安全、應急響應消息等;廣播,點播多媒體業務。

(4)IoT服務:遠洋物資跟蹤、偏遠設備監控、大面積物聯設備信息采集;

(5)信令分流:通過衛星網絡傳遞控制面的信息。

基于目前的發展狀態,天地一體化網絡還需要有如下幾方面問題需要研究解決:傳統衛星系統與移動通信網絡的互聯互通問題、衛星通信系統本身的技術突破問題、軌道與頻譜資源分配管理問題、不同衛星系統之間的互聯互通問題等。

3.3.1.2  水下無線通信(Undersea Communication)

水下無線通信是實現深海遠洋通信的關鍵技術特性,可分為水下無線電磁波通信和水下非電磁波通信(主要包括水聲通信和水下光通信)兩種,它們分別具有不同的特性及應用場合。

水下無線電磁波通信(Undersea Wireless Electromagnetic Communication)

電磁波是橫波,在有電阻的導體中的穿透深度與其頻率直接相關。頻率越高,衰減越大,穿透深度越小。反之,頻率越低,衰減相對越小,穿透深度越大。海水是良性的導體,趨膚效應較強,電磁波在海水中傳輸時會造成嚴重的影響,原本在陸地上傳輸良好的短波、中波、微波等無線電磁波在水下由于衰減的厲害,幾乎無法傳播。目前,各國發展的水下無線電磁波通信主要使用甚低頻(Very Low Frequency,VLF)、超低頻(Super Low Frequency,SLF)和極低頻(Extremely Low Frequency,ELF)三個低頻波段。水下無線電磁波通信主要用于遠距離的小深度的水下通信場景。

水聲通信(Undersea Acoustic Communication)

水聲通信是其中最成熟的技術。聲波是水中信息的主要載體,己廣泛應用于水下通信、傳感、探測、導航、定位等領域。聲波屬于機械波(縱波),在水下傳輸的信號衰減?。ㄆ淥ゼ趼飾绱挪ǖ那Х種唬?,傳輸距離遠,使用范圍可從幾百米延伸至幾十公里,適用于溫度穩定的深水通信。水聲信道一個十分復雜的多徑傳輸的信道,而且環境噪聲高帶寬窄可適用的載波頻率低以及傳輸的時延大。為了克服這些不利因素,并盡可能地提高帶寬利用效率,需要進一步研究新的技術方案。例如,多載波調制技術、多輸入多輸出技術。

水下無線光通信(Undersea Optical Wireless Communication)

水下激光通信技術利用激光載波傳輸信息。由于波長450nm~530nm的藍綠激光在水下的衰減較其他光波段小得多,因此藍綠激光作為窗口波段應用于水下通信。藍綠激光通信的優勢是擁有幾種方式中最高傳輸速率。在超近距離下,其速率可到達100Mbps級。藍綠激光通信方向性好,接收天線較小。不過目前藍綠激光應用于淺水近距離通信依然存在如下難點,需要進一步研究解決:

(1)散射影響。水中懸浮顆粒及浮游生物會對光產生明顯的散射作用,對于渾濁的淺水近距離傳輸,水下粒子造成的散射比空氣中要強三個數量級,透過率明顯降低。

(2)光信號在水中的吸收效應嚴重。包括水媒質的吸收、溶解物的吸收及懸浮物的吸收等。

(3)背景輻射的干擾。在接收信號的同時,來自水面外的強烈自然光,以及水下生物的輻射光也會對接收信噪比形成干擾。

(4)高精度瞄準與實時跟蹤困難。淺水區域活動繁多,移動的收發通信單元,在水下保持實時對準十分困難。并且由于激光只能進行視距通信,兩個通信點間隨機的遮擋都會影響通信性能。

3.3.2  無線觸覺網絡(Wireless Tactile Network)

當前5G網絡所涉及的IoT網絡主要是強調對萬物的感知與連接,而未來6G網絡連接的對象將是普遍具備智能的對象,其連接通信關系不僅是感知,還包括實時的控制與響應,即所謂“觸覺互聯網”[103]。“觸覺互聯網”指能夠實時傳送控制、觸摸和感應/驅動信息的通信網絡。IEEE P1918.1標準工作組將觸覺互聯網定義為一個網絡或一個網絡的網絡,用于遠程訪問、感知、操作或控制感知實時的真實和虛擬對象或過程[104]。傳統的互

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