专栏名称: 微言创新

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6G专题∣频谱创新，技术整合——6G的关键技术探析

微言创新 · 公众号 · · 2019-11-09 20:00

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编者按

11月3日，我国6G技术研发推进工作组和总体专家组在京成立，我国6G研发正式启动。但是，当前尚处于6G概念探讨的初期，对于6G关键技术及其体系的构成还存在较大争议。本文将分类罗列6G一些潜在关键候选技术特性, 并进行分析和解读。

结合6G愿景及其挑战，并考虑相关技术发展状况与趋势，专家认为，6G潜在关键技术特性可以包括以下几个方面:新频谱通信技术、基础性技术和专有技术特性(图1)。其中，基础性技术是构成6G网络的基石；专有特性则由多个关键基础性技术点有机组成，以满足未来6G典型场景的需求。

图1 6G潜在关键技术特性

1、新频谱通信技术

频谱是移动通信的基础，也是稀缺资源，太赫兹(terahertz)和可见光(visible light) 将是极具吸引力的两类重要候选频谱。

⑴太赫兹通信

太赫兹波是波长30∼3000µm，频谱0.1∼10 THz的电磁波，介于微波与远红外光之间，属于宏观电子学与微观光子学的过渡区域，尚未被完全开发，且太赫兹通信技术研究只有 20 年时间，很多关键器件还没有研制成功，一些关键技术还不够成熟。

但太赫兹频段以其独有特性，用于移动通信具有不可替代的优势，在高速短距离宽带无线通信、宽带无线安全接入、空间通信等方面有着广阔的应用前景。其特性包括：

①太赫兹波极易被空气中的水分吸收，较适合高速短距离无线通信。

②波束更窄、方向性更好、抗干扰能力更强，可实现2∼5 km内的保密通信。

③频率高、带宽宽，太赫兹波频谱为108∼1013 GHz，有几十GHz可用频谱带宽，能满足无线宽带(Tb/s级通信)传输需求。

④广泛适用于空间通信，在外太空，太赫兹波在350、450、620、735和870µm波长附近存在相对透明的大气窗口，能做到无损耗传输，以极小功率完成远距离通信；且相对无线光通信而言，波束更宽、接收端容易对准、量子噪声较低，天线终端可以小型化、平面化。因此，特别适合卫星之间、星地之间的宽带通信。

⑤波长短，适合采用更多天线阵子的Massive MIMO (相对毫米波，同样大小甚至更小的天线体积)。初步研究表明，Massive MIMO 提供的波束赋型及空间复用增益可以很好地克服太赫兹传播中的雨衰和大气衰落，满足密集城区覆盖需求(如200 m小区半径)；

⑥能量效率高，相对于无线光通信而言，太赫兹波光子能量低，作为信息载体能量效率极高；

⑦穿透性强，太赫兹波能以较小的衰减穿透物质，适合某些特殊场景的通信需求。

⑵可见光通信

光无线通信(optical wireless communications, OWC)频段包括红外、可见光和紫外，可有效缓解当前射频通信频带紧张的问题，为短距离无线通信提供一种新选择。其典型应用场景及其技术突破点包括：光热点(特别是在室内场景)、短距离通信、星间链路激光通信和海底通信(克服衰减和电磁干扰)。

可见光(390∼700nm)是OWC最重要的频段，可见光通信(visible light communications,VLC)充分利用可见光发光二极管(LED)的优势，实现照明和高速数据通信的双重目的。其优势在于：

① VLC可以提供大量潜在的可用频谱(THz级带宽)，且频谱使用无需频谱监管机构授权。

② VLC既不产生电磁辐射，也不易受外部电磁干扰影响，可广泛应用于对电磁干扰敏感，甚至必须消除电磁干扰的特殊场合，如医院、航空器、加油站、化工厂等。

③ VLC网络安全性更高，以可见光为传输媒介，不能穿透墙壁等遮挡物，传输只能限制在用户视距范围以内，可有效避免传输信息被外部恶意截获。

④ VLC可以方便灵活地组建临时网络与通信链路，降低网络使用与维护成本，如地铁、隧道等射频信号覆盖盲区。且室内可见光通信技术可将室内照明光源作为基站，提供便捷的室内无线通信服务。

2、基础性技术

构成6G系统最可能的关键基础性技术包括：稀疏理论(主要指压缩感知)、全新信道编码、大规模天线、灵活频谱技术、基于AI的无线通信技术等。

⑴稀疏理论—压缩感知 (Sparse theory-compressed sensing)

信号采样是联系模拟信源和数字信息的桥梁。传统的信号处理以 Shannon-Nyquist采样定理为基础，通常先采样后压缩，且采样和处理速率必须高于Shannon-Nyquist频率。Donoho和Candès等基于信号稀疏性提出的压缩感知/压缩采样 (compressed sensing/compressive sampling, CS)理论，成功实现了同时采样与压缩。CS理论在5G已有少量涉及，10年后其技术成熟度将完全可以满足工程化应用需求。6G时代，其典型应用场景包括：超宽带频谱感知、无线传感网络(无线触觉网络)、超大规模天线。

⑵全新信道编码 (New channel coding)

信道编码是无线通信的基础，其应用涉及先进的信道编码算法和强大的芯片及实现技术两方面，前者受到后者工程实现的制约。信道编码机制研究可以基于现有先进编码机制，如Turbo、LDPC、Polar等，AI研究也提供了一种全新的范式。

下一代信道编码机制研究需要满足未来更加复杂异构的无线通信场景和业务需求，如超高吞吐量(Tb/s级别)、超大带宽信道、超高频信道、可见光信道、高空/太空信道、远洋/深海信道、深地信道等。现有的高斯 (Gauss)点对点信道假设并不符合实际通信需求，未来有必要考虑基于干扰信道假设进行优化设计。

⑶超大规模天线技术 (Very large scale antenna)

多天线技术，尤其超大规模天线技术，是提升无线移动通信系统频谱效率的关键技术之一。需要研究并突破以下问题：解决跨频段、高效率、全空域覆盖天线射频领域的理论与技术实现问题；研究可配置、大规模阵列天线与射频技术，突破多频段、高集成射频电路面临的包括低功耗、高效率、低噪声、非线性、抗互扰等关键性挑战；提出新型大规模阵列天线设计、高集成度射频电路优化设计的理论与实现方法，以及高性能大规模模拟波束成型网络设计技术。

⑷灵活频谱技术 (Flexible spectrum)

以上几项技术都是为了进一步提升频谱效率，在理想假设下达到网络峰值速率。而实际网络中，频谱需求的不均衡性会导致频谱利用率低下，需要相应的技术解决方案，包括: ①频谱共享 (Spectrum sharing)，主要用于解决不同网络间的频谱需求不均衡问题；②全自由度双工–全双工(Free duplex-full duplex)，主要用于解决同一网络内不同节点之间、同一节点收发链路之间的频谱需求不均衡问题（图2）。

图2 无线移动通信系统双工方式演进路线

⑸基于AI的无线通信技术(AI-based wireless communication)

该技术是实现6G网络“智慧连接”的关键，但是否可以作为无线领域的基础性技术尚存在争议。 6G网络将呈现为基于“分布式智能无线计算”(distributed intelligent wireless computing) 网络架构以及基于 AI 的底层通信机制。

AI在无线通信网络主要有两方面功能，且在很大程度上相互依赖。即用于预测、推理和大数据分析；以及通过在网络边缘及其各网元实体(如基站和终端用户设备)上内嵌 AI功能来实现自组织网络操作。这种边缘智能是资源管理、用户关联和数据卸载的自组织解决方案的关键促成因素。

3、专有技术特性 (Special technical features)

⑴空天地海一体化通信(Space-air-ground-sea integrated communication)

空天地海一体化网络是以地面网络为基础、以空间网络为延伸，覆盖太空、空中、陆地、海洋等自然空间，为天基(卫星通信网络)、空基(飞机、热气球、无人机等通信网络)、陆基(地面蜂窝网络)、海基(海洋水下无线通信+近海沿岸无线网络+远洋船只/悬浮岛屿等构成的网络)等各类用户的活动提供信息保障的基础设施。

从基本的构成上，包括两个子系统：与卫星通信网络结合的天地一体化子系统和与深海远洋通信网络结合的水下通信子系统。

⑵ 无线触觉网络 (Wireless tactile network)

“触觉互联网”指能够实时传送控制、触摸和感应/驱动信息的通信网络，IEEEP1918.1标准工作组将其定义为一个网络或一个网络的网络，用于远程访问、感知、操作或控制感知实时的真实/虚拟对象或过程。与传统互联网相比，它将提供从信息内容传递到远程技能集合传递的真正范式转换，有3个关键要素：物理实时交互(人和机器以感知的实时方式访问、操作和控制对象)；用于远程控制的超实时响应基础设施；将控制和通信融入一个网络的应用程序。

实现触觉互联网的关键技术挑战之一是将通信、控制和计算系统组合成一个共享的基础设施。通过将移动通信系统作为底层无线网络，连同其软件化和虚拟化的逻辑网元实体，集成为一个(双向) 实时控制环路，以使预期的实时控制与网络边缘高效计算能力相结合。

（本文根据韩红根据相关资料摘录撰写）

（责任编辑：雷蓉）

作者简介

韩红，中国科学院成都文献情报中心副研究员。