淺析6G無線通信技術(shù)及應(yīng)用

淺析6G無線通信技術(shù)及應(yīng)用摘要：隨著社會的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)也再不斷進(jìn)步。人工智能AI、虛擬現(xiàn)實(shí)VR、物聯(lián)網(wǎng)IoT等各種自動系統(tǒng)應(yīng)用的快速發(fā)展，帶來了巨大的流量，自動系統(tǒng)在社會的各個(gè)領(lǐng)域流行，數(shù)以百萬計(jì)的傳感器被集成到城市、工業(yè)、汽車、家庭等各種環(huán)境中，以提供智能化、自動化的工作及生活，需要具有更加可靠連接的高數(shù)據(jù)速率來支持這些應(yīng)用程序。與4G通信相比，盡管5G網(wǎng)絡(luò)提供大帶寬、新的QoS、新技術(shù)如毫米波等，但以數(shù)據(jù)為中心的自動化系統(tǒng)的快速增長已然超過了5G無線網(wǎng)絡(luò)的能力，5G通信在很大程度上忽視了通信、智能、傳感、控制和計(jì)算等功能的融合，未來的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將需要融合特定設(shè)備，要求至少10Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，隨著5G能力達(dá)到極限，新的設(shè)計(jì)目標(biāo)需要引進(jìn)6G技術(shù)。關(guān)鍵詞：6G；無線通信技術(shù)；應(yīng)用引言6G將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，它將利用與更成熟的5G相同的優(yōu)勢，正是這種對5G的依賴，使得早期的6G研究對于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的未來如此重要。6G將實(shí)現(xiàn)“萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生”的美好愿景。基于互聯(lián)網(wǎng)連接，6G提供萬物互聯(lián)，建成集“海-陸-空-天”一體的全維度網(wǎng)絡(luò)，提供接近100%的地理覆蓋率。6G所提供的數(shù)據(jù)速率、網(wǎng)絡(luò)容量、安全性等性能將有更大進(jìn)步。16G通信關(guān)鍵技術(shù)1.1人工智能5G通信系統(tǒng)支持部分或非常有限的人工智能，而6G將完全支持AI的自動化。人工智能在6G階段將充分發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)從認(rèn)知無線向智能無線的轉(zhuǎn)變，機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步為6G中實(shí)時(shí)通信創(chuàng)造了更多的智能網(wǎng)絡(luò)，在通信中引入人工智能將簡化和改善實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。機(jī)器學(xué)習(xí)有可能應(yīng)用于射頻信號處理、頻譜挖掘和頻譜映射，將光子技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，推動人工智能在6G中的進(jìn)化，從而構(gòu)建一個(gè)基于光子的認(rèn)知無線電系統(tǒng)。物理層采用基于人工智能的編解碼器，深度學(xué)習(xí)信道狀態(tài)估計(jì)，自動調(diào)制分類，在數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層，基于深度學(xué)習(xí)的資源分配、智能流量預(yù)測和控制被廣泛研究以滿足6G需求。人工智能技術(shù)將有助于實(shí)現(xiàn)6G通信中uMUB、uHSLLC、mMTC和uHDD服務(wù)的目標(biāo)。1.2太赫茲通信太赫茲（THz）波又稱亞毫米輻射，通常指0.1~10THz頻帶，對應(yīng)波長在0.03~3mm。根據(jù)ITU-R建議，275GHz~3THz是太赫茲通信頻段的主要部分，6G通信的容量將通過增加太赫茲波段（275GHz~3THz）到mmWave波段（30~300GHz）來提升。275GHz~3THz范圍內(nèi)的波段還沒有在全球范圍內(nèi)被分配用于任何用途，因此具有實(shí)現(xiàn)理想的高數(shù)據(jù)速率的潛力。當(dāng)這個(gè)太赫茲波段添加到現(xiàn)有的mmWave波段時(shí)，總波段容量至少增加11.11倍。5G引入了mmWave頻率以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，并支持新的應(yīng)用。然而，6G的目標(biāo)是將頻帶邊界推向太赫茲以滿足更高的需求，太赫茲頻段將在6G通信中成為高數(shù)據(jù)速率通信的前沿領(lǐng)域。1.3無線光通信前端/回傳網(wǎng)絡(luò)由于地理位置偏遠(yuǎn)和連接復(fù)雜，不可能總有光纖連接作為回程網(wǎng)絡(luò)，為小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署光纖鏈路可能不是一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。FSO前端/回傳網(wǎng)絡(luò)正在超5G通信系統(tǒng)中嶄露頭角，F(xiàn)SO系統(tǒng)的發(fā)射和接收特性與光纖網(wǎng)絡(luò)相似，F(xiàn)SO是在6G中提供前端/回傳連接的優(yōu)秀技術(shù)。利用無線光通信，甚至可以在10000km以上的遠(yuǎn)距離進(jìn)行通信。FSO支持海洋、外空、水下、孤島等偏遠(yuǎn)和非偏遠(yuǎn)地區(qū)的大容量回傳連接。無線光通信前端/回傳是5G和6G網(wǎng)絡(luò)中常見的問題，而在6G中更為關(guān)鍵，一是它需要更高的前路/回傳連接容量，二是與5G相比，它將需要更多的遠(yuǎn)程連接。FSO通信可以同時(shí)支持這2種功能，成為6G通信系統(tǒng)提升uMUB和uHSLLC服務(wù)的關(guān)鍵因素。1.43D網(wǎng)絡(luò)6G系統(tǒng)將集成地面和機(jī)載網(wǎng)絡(luò)，為垂直擴(kuò)展的用戶提供通信支持。3D基站是通過低軌道衛(wèi)星和無人機(jī)提供的，在高度和相關(guān)自由度方面增加了新的維度，使得3D連接與傳統(tǒng)的2D網(wǎng)絡(luò)有很大的不同，6G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將提供3D覆蓋，將地面網(wǎng)絡(luò)、無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星系統(tǒng)相結(jié)合的分散6G網(wǎng)絡(luò)，真正實(shí)現(xiàn)全球覆蓋和嚴(yán)格的無縫接入，甚至覆蓋海洋和山區(qū)。2太赫茲通信新興應(yīng)用2.1太赫茲室內(nèi)通信根據(jù)目前室內(nèi)寬帶高速無線通信系統(tǒng)持續(xù)增長的需求，太赫茲波段具備10GB/s以上的通信速率的特點(diǎn)，超高速太赫茲室內(nèi)通信將是最重要的應(yīng)用場景之一。太赫茲波具有很強(qiáng)的方向性，太赫茲信號的傳播路徑很容易被室內(nèi)障礙物阻擋。Salhi等介紹了基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的辦公室、工業(yè)環(huán)境等場景中的寬帶信道傳播信道測量，考慮到現(xiàn)實(shí)復(fù)雜環(huán)境對傳播信道的影響，在50~325GHz范圍內(nèi)，視距無線傳輸（LOS）在以上場景中占主導(dǎo)地位，反射信號是傳播過程中不可忽略的一部分。Ma等提出太赫茲頻段智能反射面（IRS）以緩解室內(nèi)覆蓋問題，通過調(diào)整IRS元件的離散相移重新配置電磁波的傳播，實(shí)現(xiàn)接近最優(yōu)的覆蓋性能，降低了計(jì)算負(fù)擔(dān)。在沒有IRS的傳統(tǒng)通信方案的情況下，太赫茲信號的功率分布差距明顯，傳輸功率被設(shè)定為100dBm，由于太赫茲波的路徑損耗極高，給定用戶的接收功率約為?67.35dBm，該用戶幾乎無法接收太赫茲信號。在IRS增強(qiáng)的通信方案中，該用戶在房間角落的接收功率高達(dá)?4.76dBm，可以實(shí)現(xiàn)更好的覆蓋性能。一旦IRS解決了高頻通信中存在的覆蓋問題，太赫茲通信系統(tǒng)將為未來6G室內(nèi)通信場景鋪平道路。2.2太赫茲短距超高速無線通信由于對更高速率和更大容量的無線通信的需求不斷增長，太赫茲無線電有望成為超高速無線通信系統(tǒng)的候選者。其波長短、頻帶寬可以有效地解決高速寬帶無線接入面臨的諸多問題，適合于短距離通信（傳輸范圍一般有限，小于幾米）。Naghavi，Hu等已經(jīng)初步探索了太赫茲技術(shù)用于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、手機(jī)、可穿戴設(shè)備間以及電子器件間通信的芯片，雖然面臨一些技術(shù)性挑戰(zhàn)，但都證明了太赫茲通信應(yīng)用于短距離高速無線通信的可能。6G移動通信標(biāo)準(zhǔn)有望以低延遲和低功耗傳輸8K和其他超高清視頻。大阪大學(xué)研究人員與RohmCo.，Ltd.演示了使用太赫茲波傳輸未壓縮全分辨率8K超高清視頻的方法，顯示了超寬帶太赫茲波能力，將提高與社會問題直接相關(guān)的遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程辦公的質(zhì)量，并促進(jìn)物理網(wǎng)絡(luò)融合。Yang等研發(fā)了一種“拓?fù)浔Ｗo(hù)”的太赫茲高速互連芯片，該芯片不僅能傳輸太赫茲波，還能以高達(dá)11GB的數(shù)據(jù)速率傳輸，支持實(shí)時(shí)傳輸未壓縮的4K高清視頻，超過5G無線通信每秒10GB的理論上限，可以互連集成到無線通信設(shè)備中，為6G提供前所未有的TB/s的速度。太赫茲通信技術(shù)將具備無限可能被應(yīng)用于未來的通信網(wǎng)絡(luò)中，除了上述應(yīng)用場景，在車聯(lián)網(wǎng)、人體數(shù)字孿生、物-物互聯(lián)、星間通信、全息通信等領(lǐng)域中也具有極大的潛力。亟須研發(fā)和管理可用頻譜資源，解決太赫茲關(guān)鍵核心器件及芯片、信道建模、長距離傳輸?shù)绕渌y以攻克的問題。3面臨的挑戰(zhàn)首先是要解決頻譜效率和能量利用率之間的矛盾，頻譜效率和能量利用率之間的平衡點(diǎn)一直是歷代移動通信系統(tǒng)所需要解決的一大難題。通常情況下，提升系統(tǒng)的頻譜效率會減小系統(tǒng)的能量利用率；反之，則相反。與前面幾代移動通信技術(shù)相比，在綠色6G網(wǎng)絡(luò)中的用戶可以廣泛應(yīng)用能量收集技術(shù)，從不同的能量來源收集能量。但是，目前主流的幾項(xiàng)能量收集技術(shù)都有顯著的缺陷，在實(shí)際應(yīng)用中如何揚(yáng)長避短，發(fā)揮各技術(shù)的優(yōu)勢，仍是研究人員所面臨的挑戰(zhàn)。其次，大力發(fā)展AI技術(shù)，完全采用AI技術(shù)構(gòu)建綠色6G網(wǎng)絡(luò)雖然可以極大地提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，但是AI技術(shù)往往需要與私人數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互來做出判斷，以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。由于涉及到大量個(gè)人隱私及敏感數(shù)據(jù)，這種網(wǎng)絡(luò)非常容易受到攻擊，造成用戶隱私數(shù)據(jù)泄露，甚至造成整體網(wǎng)絡(luò)的崩潰。針對AI網(wǎng)絡(luò)，建立標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)指導(dǎo)數(shù)據(jù)的收集和使用是研究人員面臨的挑戰(zhàn)。結(jié)語網(wǎng)絡(luò)的高性能是與復(fù)雜度成正相關(guān)的，要想提升網(wǎng)絡(luò)的高性能，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度必然也會大幅度提高，日后，越來越多的技術(shù)難題將呈現(xiàn)在研究人員面前。同時(shí)，更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)也會大幅提高移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的建設(shè)成本，同樣，消費(fèi)者的設(shè)備成本也