魏克军 / 全球6G研究进展综述
全球6G研究进展综述*
魏克军
（中国信息通信研究院，北京 100191）
*基金项目：国家科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网”（2018ZX03001024）
【摘 要】随着全球主要国家启动5G商用部署，部分国家和组织已经启动了对6G技术的探索，深入分析了国际标准化组织的工作计划和主要国家6G最新研究进展，并在此基础上，对6G标准化及商用时间、潜在关键技术及愿景需求进行了初步探讨。
【关键词】6G；太赫兹；轨道角动量
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.007
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2020)03-0034-03
引用格式：魏克军. 全球6G研究进展综述[J]. 移动通信, 2020,44(3): 34-36.
0 引言
移动通信发展经历了1G/2G/3G/4G的发展历程，已进入5G商用发展的关键阶段，从时间演进规律来看，基本遵循十年一代的发展演进规律，用户通信需求的提升以及通信技术的革新是移动通信发展的动力[1]。4G的大规模商用带动了移动互联网市场和应用的蓬勃发展，造就了非常辉煌的互联网时代[2]，5G在大幅提升移动互联网用户业务体验的基础上，应用场景进一步拓展到物联网应用领域，将与交通、制造、医疗、家居、物流等垂直行业相融合，将开辟全新的产业互联网领域，推动整个社会步入万物互联新时代。随着5G商用部署在全球展开，在“商用一代、规划一代”创新发展理念的指引下，部分国家已经启动了面向2030年应用的下一代移动通信技术（6G）的探索，本文接下来将对全球6G研究进展进行介绍与分析。
1 全球6G研究总体进展
1.1 国际标准化组织
（1）国际电信联盟（ITU）：根据ITU工作计划，2019年的RA-19会议不会设立新的IMT技术研究决议，表明在2019年到2023年研究周期内，仍主要是面向5G和B5G技术开展研究，但2020年到2023年将开展6G愿景及技术趋势研究，业内主流公司普遍认为，在2023年的RA-23会议上设立下一代IMT技术研究及命名的决议较为合适。
（2）第三代合作伙伴计划（3GPP）：2018年6月，3GPP已经完成了5G第一版本国际标准（R15）的研制，重点支持增强移动宽带场景和超高可靠低时延场景；2020年3月将完成完整5G国际标准（R16）的研制，全面支持ITU所确定的三大应用场景。预计3GPP将于2023年开启对于6G的研究，实质性6G国际标准化预计将于2025年启动。
（3）电气和电子工程师学会（IEEE）：为更好地汇总梳理下一代网络相关技术，IEEE于2016年12月发起了IEEE 5G Initiative，并于2018年8月更名为IEEE Future Networks，目标为使能5G及未来网络。当前IEEE已经开展了一些面向6G的技术研讨，2019年3月25日，在IEEE发起下，全球第一届6G无线峰会在荷兰召开，邀请了工业界和学术界发表对于6G的最新见解，探讨实现6G愿景需应对的理论和实践挑战。
1.2 部分国家/地区的6G研究进展
（1）欧盟：2017年，欧盟发起了6G技术研发项目征询，旨在研究下一代移动通信关键技术。欧盟对6G的初步设想是峰值速率要大于100 Gbit/s，单信道带宽达到1 GHz，使用高于275 GHz的太赫兹频段。9月欧盟启动了为期3年的6G基础技术研究项目，主要任务是研究可用于6G网络的下一代纠错编码、先进信道编码及调制技术。此外，欧盟还启动了多个太赫兹研发项目。
（2）美国：美国联邦通信委员会（FCC）2019年3月宣布开放面向未来6G网络服务的太赫兹频段（95 GHz—3 THz），用于6G技术试验使用。此外，2018年9月在“2018年世界移动通信大会-北美”峰会上，FCC专家提出了6G的三大类关键技术，包括全新频谱（太赫兹频段）、大规模空间复用技术（支持数百个超窄波束）、基于区块链的动态频谱共享技术等。
（3）日本：将开发太赫兹技术列为“国家支柱技术十大重点战略目标” 之首，在2019财政年度提出10亿多日元的预算，着手研究6G技术。2018年7月，日本经济新闻社报道称，日本NTT集团已成功开发出了面向B5G和6G的新技术，一个是轨道角动量（OAM）技术，另一个是太赫兹通信技术，峰值传输速率达到了100 Gbit/s。
（4）韩国：SK电讯ICT研发中心的专家2018年10月在美国纽约大学举行的前沿技术研讨会上，提出未来6G网络的3大使能技术，包括太赫兹通信、去蜂窝架构（完全虚拟化的RAN+大规模天线）和非地面无线网络三大技术方向。此外，SK电讯还与爱立信、诺基亚两家设备制造企业达成协议，合作开发6G相关技术。
2 6G愿景及关键技术展望
2.1 6G愿景展望
5G的愿景是实现“万物互联”，但5G与垂直行业融合应用仍面临着需求不明确、协调环节多、政策法规不完善等挑战，目前尚处于探索阶段，解决5G融合应用发展中的问题不是一蹴而就的，需要一个相当长时间的过程。从移动通信发展规律来看，1G实现了语音通信，到2G时代才获得了广泛应用，3G引入了多媒体业务，到4G时代才实现了宽带数据业务的迅猛发展，5G应用场景首次由移动互联网场景拓展到物联网，6G将在5G基础上进一步扩展和深化物联网应用的范围和领域，并与人工智能、大数据等技术相结合，服务于智能化的社会与生活，实现万物智联，“万物互联始于5G，蓬勃发展于6G”。
业界专家认为，与5G相比，6G将具备“更强性能、更加智能、更加绿色、更广覆盖”等特点。6G峰值速率将达到100 Gbit/s～1 Tbit/s；空口时延低至0.1 ms；连接数密度支持1000万连接/平方公里；定位精度将达到厘米量级。6G网络将具备高度智能化特点，通过与人工智能、大数据的结合，可满足个人和行业用户精细化、个性化的服务需求；6G网络将有效降低成本和能耗，大幅提升网络能效，实现可持续发展。此外，6G网络还将进一步扩大覆盖范围，卫星与地面通信系统的深度融合将是未来重要的发展方向。
2.2 6G潜在关键技术
当前6G尚处于早期探索阶段，关键技术尚不清晰。对于6G将包含哪些关键技术，不同研究机构给出的观点具有较大差异，但相信随着业界关于6G概念讨论的逐渐深入，认识将会逐渐清晰，关键技术逐渐收敛。下面就针对当前业界讨论比较多的一些6G潜在关键技术进行分析。
（1）太赫兹通信技术：太赫兹是指频率在0.1 THz～10 THz的电磁波，具有极为丰富的频谱资源，可用频谱资源甚至可达数十GHz，可满足100 Gbit/s到Tbit/s级的极高传输速率频谱需求，是未来移动通信中极具潜力的无线通信技术。当前，美国、欧盟、日本等国都在加速发展面向6G的太赫兹通信技术。2019年日本NTT集团宣布研发出了太赫兹频段的射频芯片，并进行了高速数据传输实验，峰值速率达到了100 Gbit/s。太赫兹通信由于频段高、波长短，单位面积可以集成大量的天线阵元，利用波束赋形技术可有效补偿路径损耗，满足密集组网覆盖需求。太赫兹通信具有独特的技术优势，但当前仍然面临诸多方面的挑战，其中最重要的是太赫兹器件成熟度不高，固态太赫兹功率放大器的输出功率无法满足大覆盖需求，太赫兹相控阵天线尚未突破，高指向性太赫兹波束对准和动态跟踪也有待研究。基于射频模块的太赫兹通信系统小型化程度不够，无法满足地面通信应用场景的要求。
（2）可见光通信技术：可见光通信是指利用可见光波段的光作为信息载体进行数据通信的技术，与无线电通信相比，可见光具有多方面的优势。首先是可提供大量潜在的可用频谱，且频谱使用不需频谱监管机构授权；其次是可见光不产生电磁辐射，具有绿色无污染的特点，可广泛应用于医院、加油站等对电磁干扰敏感的场所；最后，可见光通信技术安全性高，由于无法穿透墙壁等遮挡物，可有效避免传输信息被恶意截获，从而可以保证信息安全[3]。当前日本、美国、德国、意大利等国的高校及科研机构开展了可见光通信技术研究，试验样机的峰值传输速率已超过了10 Gbit/s。可见光通信当前主要的应用瓶颈在于可见光收发器件，一方面发射机的调制带宽只有大于毫米波，可见光才有应用优势，另一方面，检测器带宽和灵敏度还比较低，难以满足NLOS场景下的检测需求。此外，终端侧需要精准对光束进行操控，实现集成光子天线的收发器件。
（3）轨道角动量技术：轨道角动量是利用具有不同本征值的涡旋电磁波的正交特性，通过多路涡旋电磁波的叠加实现高速数据传输，为移动通信提供了新的物理维度。轨道角动量技术分为量子态轨道和统计态两种模式，目前在在无线通信中的应用仍处于探索阶段。轨道角动量技术在光领域已经有所应用，美国与日本在轨道角动量领域的研发处于领先地位，日本NTT集团2018年宣称已实现11路涡旋电磁波的叠加传输，峰值传输速率达到了100 Gbit/s。我国清华大学完成了世界首次微波频段轨道角动量电磁波27.5 km长距离传输实验。当前，轨道角动量在无线通信中应用仍面临挑战，如业界尚未突破轨道角动量微波量子产生与耦合设备小型化技术，射频统计态轨道角动量传输技术也面临正交涡旋电磁波的产生、涡旋电磁波的检测与分离以及如何降低传输环境对涡旋电磁波影响等问题。
（4）全双工技术：无线通信业务量爆发与频谱资源短缺的矛盾日益突出，提升频谱效率，消除传统TDD/FDD模式的频谱资源使用与管理方式的差异性，成为移动通信发展演进的目标之一，全双工技术将成为解决这一问题的潜在技术方案[4]。全双工利用自干扰消除技术在收发链路之间实现灵活频谱资源利用，达到提升吞吐量及降低传输时延的目的。目前全双工技术已经形成了空域、射频域和数字域联合的自干扰抵制技术路线，空域自干扰抵制主要依靠天线位置优化、空间零陷波束等技术手段实现空间自干扰的辐射隔离；射频域自干扰抵制通过构建与接收自干扰信号幅相相反的对消信号，在射频模拟域完成抵消；数字域自干扰抵制针对残余的线性和非线性自干扰进一步进行重建消除。当前业界全双工自干扰抵制能力已经超过了115 dB，可满足小功率简单场景下的全双工通信需求。但全双工技术在实用化过程中，仍面临大功率动态自干扰抵制、多天线射频域自干扰抵制、全双工组网技术以及全双工核心器件芯片等问题。
（5）空天地一体化通信：在传统蜂窝网络基础上，将卫星通信、短距离通信等非蜂窝网络进行系统架构、通信协议和信息的融合，可构建起全面覆盖、立体分层、全时空统一服务的新型网络，覆盖太空、空中、陆地、海洋等自然空间，实现多层覆盖、多网融合的高速宽带无线通信网络。但天地一体化网络尤其是天基网络受空间传播环境等因素的影响，与传统的地面移动通信网络存在明显的差别，需要重点解决网络架构、接口标准、卫星系统与移动通信网络互联互通、频谱资源分配管理等问题。
3 结束语
随着5G商用部署在全球的开展，部分国家已经启动了对6G愿景及关键技术的探索。本文深入分析了国际标准化组织及全球主要国家的6G主要观点及研究进展，提出了6G将在5G基础上进一步扩展和深化物联网应用的范围和领域，服务于智能化的社会与生活，实现万物智联的愿景目标，并对太赫兹通信、可见光通信、轨道角动量、全双工以及空天地一体化通信等当前业界比较关注的6G潜在关键技术进行了分析探讨。
★原文发表于《移动通信》2020年第3期★
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.007
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2020)03-0034-03
引用格式：魏克军. 全球6G研究进展综述[J]. 移动通信, 2020,44(3): 34-36.
魏克军（orcid.org/0000-0002-6283-919X）：博士，现任中国信息通信研究院技术与标准研究所主任工程师、IMT-2020（5G）推进组无线技术工作组副组长，主持多项国家科技重大专项和863计划等科研项目，主要研究方向为LTE/LTE-Advanced、5G、6G等移动通信技术，在国内外核心期刊发表论文数十篇，申请多项发明专利。