你應(yīng)該了解的6G技術(shù)：華為等巨頭都已布局
據(jù)外媒iPhone手機(jī)incanada 8月14日報(bào)道，位于加拿大渥太華的華為實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開始研究6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。據(jù)悉，該研究中心是華為全球5G研究四大核心機(jī)構(gòu)之一。十多年來前，華為一直和加拿大13所大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合研究新技術(shù)，華為至少投入了5000萬加元（約合人民幣2.63億）資助大學(xué)研究。華為董事長梁華曾表示，華為在2019年將加大科研投入，估計(jì)支出超過1200億人民幣。報(bào)道稱，華為在渥太華的6G技術(shù)研究還處于早期階段。現(xiàn)在，華為正在與加拿大大學(xué)的研究人員討論開發(fā)下一代無線系統(tǒng)的問題。華為的暫定6G計(jì)劃表明，在2030年之前將不會(huì)有真正的6G技術(shù)。今年6月，諾基亞，愛立信和SK電訊宣告建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，共同致力于6G開發(fā)的備忘錄。那么什么是6G呢？未來為我們有哪些影響呢？筆者在這里科普一下。6G，即第六代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)概念性無線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信技術(shù)，也被稱為第六代移動(dòng)通信技術(shù)。主要促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。6G網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)地面無線與衛(wèi)星通信集成的全連接世界。通過將衛(wèi)星通信整合到6G移動(dòng)通信，實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋，網(wǎng)絡(luò)信號能夠抵達(dá)任何一個(gè)偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村，讓深處山區(qū)的病人能接受遠(yuǎn)程醫(yī)療，讓孩子們能接受遠(yuǎn)程教育。此外，在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、電信衛(wèi)星系統(tǒng)、地球圖像衛(wèi)星系統(tǒng)和6G地面網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動(dòng)支持下，地空全覆蓋網(wǎng)絡(luò)還能幫助人類預(yù)測天氣、快速應(yīng)對自然災(zāi)害等。這就是6G未來。6G通信技術(shù)不再是簡單的網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸速率的突破，它更是為了縮小數(shù)字鴻溝，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)這個(gè)“終極目標(biāo)”，這便是6G的意義。去年9月在北美舉行的世界移動(dòng)通信大會(huì)上，美國聯(lián)邦通信協(xié)會(huì)專員Jessica Rosenworcel女士表示：“6G將運(yùn)用太赫茲（THz）頻段，且6G網(wǎng)絡(luò)的“致密化”程度也將達(dá)到前所未有的水平，屆時(shí)，我們的周圍將充滿小基站。什么是太赫茲太赫茲頻段是指100GHz-10THz，是一個(gè)頻率比5G高出許多的頻段。從通信1G（0.9GHz）到現(xiàn)在的4G（1.8GHZ以上），我們運(yùn)用的無線電磁波的頻率在不斷升高。因?yàn)轭l率越高，允許分配的帶寬范圍越大，單位時(shí)間內(nèi)所能傳遞的數(shù)據(jù)量就越大，也就是我們通常說的“網(wǎng)速變快了”。不過，頻段向高處發(fā)展的另一個(gè)主要原因在于，低頻段的資源有限。就像一條公路，即便再寬闊，所容納車量也是有限的。當(dāng)路不夠用時(shí)，車輛就會(huì)阻塞無法暢行，此時(shí)就需要考慮開發(fā)另一條路。頻譜資源也是如此，隨著用戶數(shù)和智能設(shè)備數(shù)量的增加，有限的頻譜帶寬就需要服務(wù)更多的終端，這會(huì)導(dǎo)致每個(gè)終端的服務(wù)質(zhì)量嚴(yán)重下降。而搞定這一問題的可行的方式便是開發(fā)新的通信頻段，拓展通信帶寬。為什么說6G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)將“致密化”，我們的周圍會(huì)充滿小基站呢？這就涉及到了基站的覆蓋范圍問題，也就是基站信號的傳輸距離問題。一般來說，影響基站覆蓋范圍的原因比較多，比如信號的頻率、基站的發(fā)射功率、基站的高度等。就信號的頻率而言，頻率越高則波長越短，所以信號的繞射能力（也稱衍射，在電磁波傳播過程中遇到障礙物，這個(gè)障礙物的尺寸與電磁波的波長接近時(shí)，電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。繞射可以幫助進(jìn)行陰影區(qū)域的覆蓋）就越差，損耗也就越大。并且這種損耗會(huì)隨著傳輸距離的增加而增加，基站所能覆蓋到的范圍會(huì)隨之降低。6G信號的頻率已經(jīng)在太赫茲級別，而這個(gè)頻率已經(jīng)進(jìn)入分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級的光譜了，很容易被空氣中的被水分子吸收掉，所以在空間中傳播的距離不像5G信號那么遠(yuǎn)，6G需要更多的基站“接力”。5G運(yùn)用的頻段要高于4G，在不考慮其他原因的情況下，5G基站的覆蓋范圍自然要比4G的小。到了頻段更高的6G，基站的覆蓋范圍會(huì)更小。因此，5G的基站密度要比4G高很多，而在6G時(shí)代，基站密集度將無以復(fù)加。空間復(fù)用技術(shù)在技術(shù)上，6G將運(yùn)用“空間復(fù)用技術(shù)”，6G基站將可同時(shí)接入數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)無線連接，其容量將可達(dá)到5G基站的1000倍。前面說到6G將要運(yùn)用的是太赫茲頻段，雖然這種高頻段頻率資源豐富，系統(tǒng)容量大。但是運(yùn)用高頻率載波的移動(dòng)通信系統(tǒng)要面臨改善覆蓋和減少干擾的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)信號的頻率超過10GHz時(shí)，其主要的傳播方式就不再是衍射。對于非視距傳播鏈路來說，反射和散射才是主要的信號傳播方式。同時(shí)，頻率越高，傳播損耗越大，覆蓋距離越近，繞射能力越弱。這些原因都會(huì)大大增加信號覆蓋的難度。不止是6G，處于毫米波段的5G也是如此。而5G則是通過Massive MIMO和波束賦形這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)來搞定此類問題的。我們的手機(jī)信號連接的是運(yùn)營商基站，更準(zhǔn)確一點(diǎn)，是基站上的天線。Massive MIMO技術(shù)說起來挺簡單，它其實(shí)就是通過增加發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量，即規(guī)劃一個(gè)多天線陣列，來補(bǔ)償高頻路徑上的損耗。在MIMO多副天線的配置下可以提升傳輸數(shù)據(jù)數(shù)量，而這用到的便是空間復(fù)用技術(shù)。在發(fā)射端，高速率的數(shù)據(jù)流被分割為多個(gè)較低速率的子數(shù)據(jù)流，不一樣的子數(shù)據(jù)流在不一樣的發(fā)射天線上在相同頻段上發(fā)射出去。由于發(fā)射端與接收端的天線陣列之間的空域子信道足夠不一樣，接收機(jī)能夠區(qū)分出這些并行的子數(shù)據(jù)流，而不需付出額外的頻率或者時(shí)間資源。這種技術(shù)的好處就是，它能夠在不占用額外帶寬、消耗額外發(fā)射功率的情況下增加信道容量，提升頻譜利用率。6G還在起步階段，剛剛開始研究，甚至沒有清晰的概念定義，其關(guān)鍵技術(shù)仍在摸索之中?！睂I(yè)人士告訴記者，從開始研究到技術(shù)成熟需要時(shí)間。歐盟在2013年就啟動(dòng)了METIS項(xiàng)目（2020年信息社會(huì)與移動(dòng)無線通信助推器），開展5G的研究。但直到2015年項(xiàng)目結(jié)束，關(guān)鍵技術(shù)都沒有完全確定。“作為一名無線通信研究者，我相信6G總有一天會(huì)到來，但現(xiàn)在仍是完善5G、探索6G的階段?！薄疤掌澅缓芏嗳苏J(rèn)為是6G的關(guān)鍵技術(shù)之一。事實(shí)上，太赫茲能否用于無線通信還在論證?！睋?jù)專業(yè)人士介紹，之前太赫茲主要用來雷達(dá)探測、醫(yī)療成像，用于無線通信也是近兩年才開始研究。它的特點(diǎn)就是頻率高、通信速率高，理論上能夠達(dá)到太字節(jié)每秒（TB/S），但實(shí)際上哪種使用需要如此高的網(wǎng)速尚無定論。而且太赫茲有顯著的缺點(diǎn)，那就是傳輸距離短，易受障礙物干擾，現(xiàn)在能做到的通信距離只有10米左右，只有搞定通信距離問題，才能用于現(xiàn)有的移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)。此外，通信頻率越高對硬件設(shè)備的要求越高，需要更好的性能和加工工藝。這些技術(shù)難題短時(shí)間內(nèi)很難搞定。路線方案尚需驗(yàn)證“現(xiàn)在，國際通信技術(shù)研究機(jī)構(gòu)相繼提出了多種實(shí)現(xiàn)6G的技術(shù)路線，但這些方案都處于概念階段，能否落實(shí)還需驗(yàn)證?！睂I(yè)人士表示，奧盧大學(xué)無線通信中心是全球最先開始6G研究的機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在正在從無線連接、分布式計(jì)算、設(shè)備硬件、服務(wù)使用四個(gè)領(lǐng)域著手研究。無線連接是利用太赫茲甚至更高頻率無線電波通信；分布式計(jì)算則是通過人工智能、邊緣計(jì)算等算法搞定大量數(shù)據(jù)帶來的時(shí)延問題；設(shè)備硬件主要面向太赫茲通信，研究對應(yīng)的天線、芯片等硬件；服務(wù)使用則是研究6G可能的使用領(lǐng)域，如自動(dòng)駕駛等?！艾F(xiàn)在也只是有這四個(gè)方向，具體的細(xì)節(jié)還沒有明確”。據(jù)了解，韓國SK集團(tuán)信息通信技術(shù)中心曾在2018年提出了“太赫茲+去蜂窩化結(jié)構(gòu)+高空無線平臺(tái)（如衛(wèi)星等）”的6G技術(shù)方案，不僅使用太赫茲通信技術(shù)，還要徹底變革現(xiàn)有的移動(dòng)通信蜂窩架構(gòu)，并建立空天地一體的通信網(wǎng)絡(luò)。專業(yè)人士指出，SK集團(tuán)提到的去蜂窩化結(jié)構(gòu)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，即基站未必按照蜂窩狀布置，終端也未必只和一個(gè)基站通信，這確實(shí)能提升頻譜效率，瑞典林雪平大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)最早提出了去蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)想。但這一構(gòu)想能否滿足6G時(shí)延、通信速率等指標(biāo)，還需要驗(yàn)證。除了SK集團(tuán)，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室也提出了“太赫茲+網(wǎng)絡(luò)切片”的技術(shù)路線。這些方案在技術(shù)細(xì)節(jié)上都需要長時(shí)間試驗(yàn)驗(yàn)證。推廣使用成本高昂“無線通信進(jìn)一步發(fā)展的大量投資必不可少?！睂I(yè)人士談到，要提升通信速率有兩個(gè)方案：一是基站更密集，部署量增加，雖然基站功率可以降低，但數(shù)量增加仍會(huì)帶來成本上升。第二種方案就是運(yùn)用更高頻率通信，比如太赫茲或者毫米波，但高頻率對基站、天線等硬件設(shè)備的要求更高，現(xiàn)在進(jìn)行太赫茲通信硬件試驗(yàn)的成本都非常高，超出一般研究機(jī)構(gòu)的承受能力。另外，從基站天線數(shù)上來看，4G基站天線數(shù)只有8根，5G能夠做到64、128甚至256根，6G的天線數(shù)可能會(huì)更高，基站的更換也會(huì)提升使用成本?！安桓淖儸F(xiàn)有的通信頻段，只依靠通過算法優(yōu)化等措施很難實(shí)現(xiàn)設(shè)想的6G愿景，所有替換所有基站也不現(xiàn)實(shí)?！睂I(yè)人士認(rèn)為，未來很有可能會(huì)采取非獨(dú)立組網(wǎng)的方式，即在原有基站等設(shè)施的基礎(chǔ)上部署6G設(shè)備，6G與5G甚至4G、4.5G網(wǎng)絡(luò)共存，6G主要用于人口密集區(qū)域或者滿足自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能工廠等垂直行業(yè)的高端使用。其實(shí)，普通百姓對幾十個(gè)G、甚至太字節(jié)每秒的速率沒有太高的需要，況且如果6G以毫米波或太赫茲為通信頻率，其移動(dòng)終端的價(jià)格必然不菲。筆者認(rèn)為，作為下一代新的通訊技術(shù)6G現(xiàn)在還沒有系統(tǒng)化的標(biāo)準(zhǔn)。世界各大公司也僅僅是處于前期的探討、籌備階段。華為在此時(shí)就開始著手研究6G，從側(cè)面反映了該公司具有遠(yuǎn)見，在5G時(shí)代領(lǐng)先世界，在6G時(shí)代也絕對不能落后。隨著科技的快速發(fā)展，相信在幾年后6G技術(shù)就會(huì)嶄露頭角。