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全球6G研究進(jìn)展綜述*

魏克軍

（中國信息通信研究院，北京 100191）

*基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”（2018ZX03001024）    

【摘  要】隨著全球主要國家啟動(dòng)5G商用部署，部分國家和組織已經(jīng)啟動(dòng)了對6G技術(shù)的探索，深入分析了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的工作計(jì)劃和主要國家6G最新研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上，對6G標(biāo)準(zhǔn)化及商用時(shí)間、潛在關(guān)鍵技術(shù)及愿景需求進(jìn)行了初步探討。

【關(guān)鍵詞】6G；太赫茲；軌道角動(dòng)量

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.007        

中圖分類號：TN929.5          文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)展綜述[J]. 移動(dòng)通信, 2020,44(3): 34-36.

0   引言

移動(dòng)通信發(fā)展經(jīng)歷了1G/2G/3G/4G的發(fā)展歷程，已進(jìn)入5G商用發(fā)展的關(guān)鍵階段，從時(shí)間演進(jìn)規(guī)律來看，基本遵循十年一代的發(fā)展演進(jìn)規(guī)律，用戶通信需求的提升以及通信技術(shù)的革新是移動(dòng)通信發(fā)展的動(dòng)力^[1]。4G的大規(guī)模商用帶動(dòng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)市場和應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，造就了非常輝煌的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代^[2]，5G在大幅提升移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用場景進(jìn)一步拓展到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，推動(dòng)整個(gè)社會(huì)步入萬物互聯(lián)新時(shí)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(dòng)了面向2030年應(yīng)用的下一代移動(dòng)通信技術(shù)（6G）的探索，本文接下來將對全球6G研究進(jìn)展進(jìn)行介紹與分析。

1    全球6G研究總體進(jìn)展

1.1  國際標(biāo)準(zhǔn)化組織

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

（2）第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）：2018年6月，3GPP已經(jīng)完成了5G第一版本國際標(biāo)準(zhǔn)（R15）的研制，重點(diǎn)支持增強(qiáng)移動(dòng)寬帶場景和超高可靠低時(shí)延場景；2020年3月將完成完整5G國際標(biāo)準(zhǔn)（R16）的研制，全面支持ITU所確定的三大應(yīng)用場景。預(yù)計(jì)3GPP將于2023年開啟對于6G的研究，實(shí)質(zhì)性6G國際標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)計(jì)將于2025年啟動(dòng)。

（3）電氣和電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）：為更好地匯總梳理下一代網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，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(biāo)為使能5G及未來網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前IEEE已經(jīng)開展了一些面向6G的技術(shù)研討，2019年3月25日，在IEEE發(fā)起下，全球第一屆6G無線峰會(huì)在荷蘭召開，邀請了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界發(fā)表對于6G的最新見解，探討實(shí)現(xiàn)6G愿景需應(yīng)對的理論和實(shí)踐挑戰(zhàn)。

1.2  部分國家/地區(qū)的6G研究進(jìn)展

（1）歐盟：2017年，歐盟發(fā)起了6G技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目征詢，旨在研究下一代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)。歐盟對6G的初步設(shè)想是峰值速率要大于100 Gbit/s，單信道帶寬達(dá)到1 GHz，使用高于275 GHz的太赫茲頻段。9月歐盟啟動(dòng)了為期3年的6G基礎(chǔ)技術(shù)研究項(xiàng)目，主要任務(wù)是研究可用于6G網(wǎng)絡(luò)的下一代糾錯(cuò)編碼、先進(jìn)信道編碼及調(diào)制技術(shù)。此外，歐盟還啟動(dòng)了多個(gè)太赫茲研發(fā)項(xiàng)目。

（2）美國：美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）2019年3月宣布開放面向未來6G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的太赫茲頻段（95 GHz—3 THz），用于6G技術(shù)試驗(yàn)使用。此外，2018年9月在“2018年世界移動(dòng)通信大會(huì)-北美”峰會(huì)上，F(xiàn)CC專家提出了6G的三大類關(guān)鍵技術(shù)，包括全新頻譜（太赫茲頻段）、大規(guī)?？臻g復(fù)用技術(shù)（支持?jǐn)?shù)百個(gè)超窄波束）、基于區(qū)塊鏈的動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)等。

（3）日本：將開發(fā)太赫茲技術(shù)列為“國家支柱技術(shù)十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)” 之首，在2019財(cái)政年度提出10億多日元的預(yù)算，著手研究6G技術(shù)。2018年7月，日本經(jīng)濟(jì)新聞社報(bào)道稱，日本NTT集團(tuán)已成功開發(fā)出了面向B5G和6G的新技術(shù)，一個(gè)是軌道角動(dòng)量（OAM）技術(shù)，另一個(gè)是太赫茲通信技術(shù)，峰值傳輸速率達(dá)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(xué)舉行的前沿技術(shù)研討會(huì)上，提出未來6G網(wǎng)絡(luò)的3大使能技術(shù)，包括太赫茲通信、去蜂窩架構(gòu)（完全虛擬化的RAN+大規(guī)模天線）和非地面無線網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)方向。此外，SK電訊還與愛立信、諾基亞兩家設(shè)備制造企業(yè)達(dá)成協(xié)議，合作開發(fā)6G相關(guān)技術(shù)。

2   6G愿景及關(guān)鍵技術(shù)展望

2.1  6G愿景展望 

5G的愿景是實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”，但5G與垂直行業(yè)融合應(yīng)用仍面臨著需求不明確、協(xié)調(diào)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(yīng)用發(fā)展中的問題不是一蹴而就的，需要一個(gè)相當(dāng)長時(shí)間的過程。從移動(dòng)通信發(fā)展規(guī)律來看，1G實(shí)現(xiàn)了語音通信，到2G時(shí)代才獲得了廣泛應(yīng)用，3G引入了多媒體業(yè)務(wù)，到4G時(shí)代才實(shí)現(xiàn)了寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，5G應(yīng)用場景首次由移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)場景拓展到物聯(lián)網(wǎng)，6G將在5G基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展和深化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的范圍和領(lǐng)域，并與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合，服務(wù)于智能化的社會(huì)與生活，實(shí)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(rèn)為，與5G相比，6G將具備“更強(qiáng)性能、更加智能、更加綠色、更廣覆蓋”等特點(diǎn)。6G峰值速率將達(dá)到100 Gbit/s～1 Tbit/s；空口時(shí)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(dá)到厘米量級。6G網(wǎng)絡(luò)將具備高度智能化特點(diǎn)，通過與人工智能、大數(shù)據(jù)的結(jié)合，可滿足個(gè)人和行業(yè)用戶精細(xì)化、個(gè)性化的服務(wù)需求；6G網(wǎng)絡(luò)將有效降低成本和能耗，大幅提升網(wǎng)絡(luò)能效，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。此外，6G網(wǎng)絡(luò)還將進(jìn)一步擴(kuò)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(guān)鍵技術(shù) 

當(dāng)前6G尚處于早期探索階段，關(guān)鍵技術(shù)尚不清晰。對于6G將包含哪些關(guān)鍵技術(shù)，不同研究機(jī)構(gòu)給出的觀點(diǎn)具有較大差異，但相信隨著業(yè)界關(guān)于6G概念討論的逐漸深入，認(rèn)識將會(huì)逐漸清晰，關(guān)鍵技術(shù)逐漸收斂。下面就針對當(dāng)前業(yè)界討論比較多的一些6G潛在關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

（1）太赫茲通信技術(shù)：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(dá)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(dòng)通信中極具潛力的無線通信技術(shù)。當(dāng)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(shù)。2019年日本NTT集團(tuán)宣布研發(fā)出了太赫茲頻段的射頻芯片，并進(jìn)行了高速數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，峰值速率達(dá)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(shù)可有效補(bǔ)償路徑損耗，滿足密集組網(wǎng)覆蓋需求。太赫茲通信具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，但當(dāng)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(zhǔn)和動(dòng)態(tài)跟蹤也有待研究?；谏漕l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(yīng)用場景的要求。

（2）可見光通信技術(shù)：可見光通信是指利用可見光波段的光作為信息載體進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的技術(shù)，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(jī)構(gòu)授權(quán)；其次是可見光不產(chǎn)生電磁輻射，具有綠色無污染的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)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(shù)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(dāng)前日本、美國、德國、意大利等國的高校及科研機(jī)構(gòu)開展了可見光通信技術(shù)研究，試驗(yàn)樣機(jī)的峰值傳輸速率已超過了10 Gbit/s?？梢姽馔ㄐ女?dāng)前主要的應(yīng)用瓶頸在于可見光收發(fā)器件，一方面發(fā)射機(jī)的調(diào)制帶寬只有大于毫米波，可見光才有應(yīng)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(cè)需要精準(zhǔn)對光束進(jìn)行操控，實(shí)現(xiàn)集成光子天線的收發(fā)器件。

（3）軌道角動(dòng)量技術(shù)：軌道角動(dòng)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(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，為移動(dòng)通信提供了新的物理維度。軌道角動(dòng)量技術(shù)分為量子態(tài)軌道和統(tǒng)計(jì)態(tài)兩種模式，目前在在無線通信中的應(yīng)用仍處于探索階段。軌道角動(dòng)量技術(shù)在光領(lǐng)域已經(jīng)有所應(yīng)用，美國與日本在軌道角動(dòng)量領(lǐng)域的研發(fā)處于領(lǐng)先地位，日本NTT集團(tuán)2018年宣稱已實(shí)現(xiàn)11路渦旋電磁波的疊加傳輸，峰值傳輸速率達(dá)到了100 Gbit/s。我國清華大學(xué)完成了世界首次微波頻段軌道角動(dòng)量電磁波27.5 km長距離傳輸實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前，軌道角動(dòng)量在無線通信中應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，如業(yè)界尚未突破軌道角動(dòng)量微波量子產(chǎn)生與耦合設(shè)備小型化技術(shù)，射頻統(tǒng)計(jì)態(tài)軌道角動(dòng)量傳輸技術(shù)也面臨正交渦旋電磁波的產(chǎn)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(shù)：無線通信業(yè)務(wù)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(dòng)通信發(fā)展演進(jìn)的目標(biāo)之一，全雙工技術(shù)將成為解決這一問題的潛在技術(shù)方案[4]。全雙工利用自干擾消除技術(shù)在收發(fā)鏈路之間實(shí)現(xiàn)靈活頻譜資源利用，達(dá)到提升吞吐量及降低傳輸時(shí)延的目的。目前全雙工技術(shù)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(shù)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(shù)手段實(shí)現(xiàn)空間自干擾的輻射隔離；射頻域自干擾抵制通過構(gòu)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(jìn)一步進(jìn)行重建消除。當(dāng)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(shù)在實(shí)用化過程中，仍面臨大功率動(dòng)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(shù)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(luò)基礎(chǔ)上，將衛(wèi)星通信、短距離通信等非蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)、通信協(xié)議和信息的融合，可構(gòu)建起全面覆蓋、立體分層、全時(shí)空統(tǒng)一服務(wù)的新型網(wǎng)絡(luò)，覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間，實(shí)現(xiàn)多層覆蓋、多網(wǎng)融合的高速寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)。但天地一體化網(wǎng)絡(luò)尤其是天基網(wǎng)絡(luò)受空間傳播環(huán)境等因素的影響，與傳統(tǒng)的地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)存在明顯的差別，需要重點(diǎn)解決網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、接口標(biāo)準(zhǔn)、衛(wèi)星系統(tǒng)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、頻譜資源分配管理等問題。

3   結(jié)束語

隨著5G商用部署在全球的開展，部分國家已經(jīng)啟動(dòng)了對6G愿景及關(guān)鍵技術(shù)的探索。本文深入分析了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織及全球主要國家的6G主要觀點(diǎn)及研究進(jìn)展，提出了6G將在5G基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展和深化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的范圍和領(lǐng)域，服務(wù)于智能化的社會(huì)與生活，實(shí)現(xiàn)萬物智聯(lián)的愿景目標(biāo)，并對太赫茲通信、可見光通信、軌道角動(dòng)量、全雙工以及空天地一體化通信等當(dāng)前業(yè)界比較關(guān)注的6G潛在關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析探討。