帶你走近下一代無線通信技術——6G

隨著全球5G網(wǎng)絡的逐步部署，我們正見證下一代無線通信技術的蓬勃發(fā)展。5G技術主要聚焦在三大領域：增強型移動寬帶(eMBB)、超可靠低延遲通信(URLLC)以及大規(guī)模機器類通信(mMTC)。而6G則將超越這些范疇，致力于構建一個更全面、沉浸式的通信架構，以靈活適應和滿足各種網(wǎng)絡需求，同時努力降低成本、維護費用和服務時間。

6G技術將為我們帶來前所未有的性能、可靠性和安全性。其無處不在的特性將孕育出新的產業(yè)和商業(yè)模式。通過全面連接物理世界、數(shù)字世界以及人類世界，6G將助力我們應對增長和可持續(xù)發(fā)展所帶來的機遇與挑戰(zhàn)。

為了實現(xiàn)這些廣泛的目標，6G需要依賴一系列關鍵技術。接下來的內容將為您介紹6G的幾個核心技術，包括新頻譜技術、人工智能與機器學習網(wǎng)絡、數(shù)字孿生以及新網(wǎng)絡拓撲結構。

新頻譜技術

亞太赫茲帶寬的極高數(shù)據(jù)傳輸速率和潛在的傳感應用將與多輸入多輸出（MIMO）、智能超表面（RIS）和全雙工等頻譜效率技術相結合，為 6G 通信提供無處不在的覆蓋范圍。

超大規(guī)模MIMO

頻譜效率是一個不斷重復的系統(tǒng)優(yōu)化問題。無線標準一直在不斷發(fā)展，以充分利用特定頻段的可用帶寬。在 5G 中，MIMO 和大規(guī)模 MIMO 技術將多個發(fā)射器和接收器整合到一個系統(tǒng)中，并通過波束成形，使用戶獲得更強的信號恢復能力，從而增強系統(tǒng)性能。

5G MIMO 主要出現(xiàn)在 6 GHz 以下頻段，用于在宏蜂窩環(huán)境中提供覆蓋。它通過空間多路復用來提高容量和吞吐量，從而在需要的地方提供精確覆蓋。Massive MIMO通常指大于 16 根天線發(fā)射和 16 根天線接收，隨著天線數(shù)量的增加，可實現(xiàn)數(shù)量級的改進。

在 6G 中，MIMO 希望將天線數(shù)量從數(shù)百根擴展到數(shù)千根，從而在動態(tài)環(huán)境中為用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和超本地化覆蓋。

智能超表面(RIS)

高自由空間路徑損耗和易阻塞是毫米波（mmWave）和亞太赫茲信號面臨的挑戰(zhàn)。RIS技術為克服這些困難提供了一種前景廣闊的解決方案。

RIS 是一種平面二維結構，由三層或更多層組成，頂層包含多個無源元件，用于反射和折射傳入的信號。工程師可對這些元件進行實時編程，以控制相移。

由于工程師可以控制每個元件的相移，因此 RIS 可以將信號以窄波束反射到特定位置。RIS 可以與來自信號源的反射產生正向作用，從而增強信號強度。在密集的多用戶環(huán)境或多蜂窩網(wǎng)絡中，RIS 可以與源信號發(fā)生負作用，以減少干擾。這種靈活性使 RIS 技術有助于擴大信號范圍并增強安全性。由 RIS 元件創(chuàng)建的天線陣列本質上是無源的，這使得 RIS 成為高密度、低能耗部署的可能解決方案。

全雙工

十多年來，工業(yè)界和學術界的通信研究人員一直在研究如何通過在單個信道上同時發(fā)送（Tx）和接收（Rx）信號，將無線電信道的容量增加一倍。收發(fā)器以不同的頻率（頻分雙工，簡稱 FDD）或不同的時間（時分雙工，簡稱TDD）發(fā)送和接收信號。

無線電和數(shù)字技術的不斷進步為帶內全雙工（IBFD）技術的發(fā)展開辟了道路。IBFD 使用一系列技術消除自干擾，這樣即使發(fā)射機同時在同一信道上工作，接收機也能保持高靈敏度。

一些用于點對點通信的商用無線電系統(tǒng)成功實現(xiàn)了IBFD。雖然仍不可能達到將射頻信道容量增加一倍的理論極限，但已經取得了一些重大進展。

人工智能和機器學習網(wǎng)絡

6G 的兩項基礎技術是人工智能（AI）和機器學習（ML）?？梢院敛豢鋸埖卣f，在6G網(wǎng)絡中，AI將無處不在。

2022年3月，3GPP完成了一項關于使用AI和 ML 的5G RAN架構的研究。該研究調查了三個主要用例：網(wǎng)絡節(jié)能、負載平衡和移動性優(yōu)化。網(wǎng)絡節(jié)能側重于通過流量卸載、覆蓋修改和關閉非活動小區(qū)來實現(xiàn)整個 RAN 的節(jié)能。負載平衡研究如何應用人工智能將網(wǎng)絡負載分配到多個小區(qū)、多個頻率或多 RAT 部署，以實現(xiàn)更好的網(wǎng)絡性能。移動性優(yōu)化用例探討了如何通過預測用戶設備的移動性來幫助在各種移動性情況下保持網(wǎng)絡性能。

在 3GPP 之外，AI和ML正在協(xié)助硬件設計。ML 使工程師能夠優(yōu)化收發(fā)器、射頻前端和天線系統(tǒng)。AI也在考慮以創(chuàng)新方式進行基帶處理。除了輔助設計，AI還將幫助解決無線網(wǎng)絡中的優(yōu)化難題。例如，AI可以幫助優(yōu)化無線網(wǎng)絡的延遲。

數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是對 6G 設計更具顛覆性的技術之一。數(shù)字孿生是物理系統(tǒng)基于軟件的實現(xiàn)。它們類似于模擬，但通過數(shù)據(jù)反饋回路連接起來，可以實時整合物理或數(shù)字系統(tǒng)的變化。數(shù)字孿生工作流程的價值在于，它能夠在對硬件進行更改之前對系統(tǒng)進行迭代驗證。隨著 6G 進入原型設計和開發(fā)階段，兩個關鍵的數(shù)字孿生工具將成為高效、經濟地設計 6G 的關鍵：電路建模數(shù)字孿生和網(wǎng)絡數(shù)字孿生。

電路數(shù)字孿生

數(shù)字孿生概念旨在將大多數(shù)物理系統(tǒng)工程活動轉化為虛擬活動。在難以進行物理測試和難以重現(xiàn)真實世界效果的情況下，數(shù)字孿生具有很高的價值，例如在 5G、雷達、衛(wèi)星和其他射頻系統(tǒng)場景中。射頻電路的高度復雜性和昂貴的元件，尤其是毫米波和太赫茲波段等較高頻率的射頻電路，使設計過程難以迭代。由于傳統(tǒng)的建模工具需要高度復雜的處理才能準確地表示復雜的射頻電路，數(shù)字孿生可以通過描述物理電路的響應并將其反饋到數(shù)字表示中來提供優(yōu)勢。

網(wǎng)絡數(shù)字孿生

隨著 5G 網(wǎng)絡的分解和更加以軟件為中心的 RAN，持續(xù)集成/持續(xù)部署工作流程已成為運營商和集成商在網(wǎng)絡管理方面努力實現(xiàn)的目標。利用數(shù)字孿生技術，網(wǎng)絡可以將物理 RAN 測量與上層網(wǎng)絡應用直接聯(lián)系起來，并在軟件環(huán)境中測試新特性和功能，然后再將其投入使用。

網(wǎng)絡數(shù)字孿生使工程師能夠將現(xiàn)有模型或其他數(shù)字孿生集成到系統(tǒng)中，并在不進行昂貴的現(xiàn)場測試的情況下進行試驗。例如，根據(jù)新的部署或將非地面基站集成到架構中以提供設計覆蓋，在不同信道條件下對現(xiàn)有網(wǎng)絡進行建模，可降低發(fā)射高空平臺或衛(wèi)星的成本?？梢阅M覆蓋模型進行規(guī)劃，但這些模型可以隨著覆蓋的部署以及驅動測試或站點驗收測試等活動的結果從現(xiàn)場返回而不斷更新。

在評估網(wǎng)絡威脅和通過模擬攻擊測試網(wǎng)絡時，網(wǎng)絡數(shù)字孿生也很有價值。在系統(tǒng)上并行運行多個攻擊矢量時，數(shù)字孿生可以從網(wǎng)絡中收集有關真實世界行為的反饋，并確定各種模擬威脅中存在的漏洞。網(wǎng)絡數(shù)字孿生還能查看攻擊后的數(shù)據(jù)，顯示網(wǎng)絡攻擊在整個網(wǎng)絡中的連鎖反應。這類信息極具價值。使用數(shù)字孿生可以在多次模擬中反復快速地獲取此類數(shù)據(jù)。

新的網(wǎng)絡拓撲結構

6G 將依靠開放、可擴展的虛擬網(wǎng)絡協(xié)同工作。為了解決覆蓋難題，并為盡可能多的用戶提供下一代數(shù)據(jù)速率，必須考慮采用許多新的網(wǎng)絡拓撲結構來擴大接入范圍。以 5G 中使用的軟件為中心的 RAN 架構為基礎，是使網(wǎng)絡更易于部署、成本更低的一種方法，但這并不能解決農村或偏遠地區(qū)的覆蓋問題。

覆蓋不同海拔高度和地區(qū)的非地面網(wǎng)絡可能是將 6G 連接帶到世界每個角落的解決方案之一。但是，隨著這些新網(wǎng)絡架構的出現(xiàn)，脆弱性也隨之而來，必須確保其免受數(shù)字威脅。未來網(wǎng)絡的網(wǎng)絡安全對于維護服務、確保網(wǎng)絡和用戶的數(shù)據(jù)至關重要。

6G 將會推動通信技術通過其可持續(xù)性和連接性目標產生社會影響。如今，6G 標準正處于早期階段。目前正在對候選技術進行研究、原型開發(fā)和模擬，以確定標準的發(fā)展方向。