6G无线技术趋势分析
6G无线技术趋势分析*
朱伏生1 赖峥嵘1 刘芳2
（1. 广东省新一代通信与网络创新研究院，广州 510760；
2. 北京邮电大学电子工程学院，北京 100876）
摘要：6G无线技术是新一代网络通信技术的重点，涉及到我国持续实现数字化、网络化、智能化发展的核心技术领域。从6G无线技术的趋势特点出发，重点结合高、中、低频谱需求，以及可达10 GHz以上带宽的通信处理能力实现角度进行了研究。在6G重点候选技术方面，根据场景需求对较易提升容量的太赫兹技术、提高管理空间频谱效率的智能反射面、新电磁波维度的轨道角动量、倍增频谱效率的全双工通信和具有多年研究基础的可见光通信进行了研究，同时对作为新技术的区块链、人工智能和6G网络的融合方面进行了前景分析。
关键词：6G无线技术；太赫兹通信；轨道角动量；全双工通信
1 引言
展望现代移动通信近半个世纪的发展，经过1G、2G、3G、4G、5G逐代的多制式技术的市场逐鹿和相互融合，可以预见：未来的6G网络，必然是一个融合多家技术、充分考虑客户、可改变人类生产和生活方式、更加开放的体系。在移动通信业继续快速发展的2020年，除了不断变化的全球各种经济贸易纷争，再就是2020年年初全球爆发的新冠病毒带给人们生活、学习和工作上的深刻影响和改变，并开始逐渐习惯线上办公、学习以及生活，而6G技术的发展也将继续适应这种变化。
2 6G发展特点
国际电联（ITU）于2018年7月成立了2030网络技术研究组，中国、美国、日本、韩国、芬兰等国家都已展开6G研究。为满足6G超高速传输，ITU组织的WRC-2019（2019年世界无线电通信大会）批准275 GHz ~ 450 GHz频段（共137 GHz）带宽的频谱资源可无限制条件地用于固定和陆地移动业务应用，并将为全球6G通信产业发展和应用提供基础资源保障和明确的频谱政策指引。
2019年年初，美国宣布启动6G技术研究，联邦通信委员会（FCC）已经开始为6G研发在无线电频率方面铺好道路，开放了太赫兹波（Terahertz，THz）频段；2019年3月，6G旗舰计划组织的“6G无线峰会”在芬兰召开，发布了6G白皮书《6G泛在无线智能的关键驱动因素及其研究挑战》，并在2020年继续发布新版本；2019年年底，日本NTT集团旗下的设备技术实验室研发了磷化铟化合物半导体制造的6G超高速芯片，并在300 GHz频段进行了高速无线传输试验，实现了100 Gbit/s的无线传输速率。
为推动我国移动通信持续发展，2019年6月3日，工业和信息化部在北京召开6G研究组成立大会，正式开启中国6G的研究大幕；2019年12月31日，6G研究组正式更名为IMT-2030（6G）推进组，并在一些部省科技项目中进行了6G技术的研究；2020年，各工作组进行了系列研究活动。基于当前业界研究的状态和成果，本文对重点研究的无线技术进行综合解读和分析。
2.1 继续进行高、中、低频谱的信道传播机理研究
6G包括卫星通信网络、无人机通信网络、陆地超密集网络、地下通信网络、海洋通信网络等[1]。为了满足超高传输速率和超高连接密度的应用需求，包括毫米波、太赫兹在内的全频谱和信号高效传输新方法将被充分利用。信道仿真器是一种最基本、最有效的频谱研究方法。
最直观的信道预测方式是基于麦克斯韦方程和准确的边界条件的波导计算方法，可以求得精确的电磁能量辐射分布。但在实际通信中，难以得到理想的准确边界条件，且麦克斯韦方程求解过程复杂而耗时，因此不适用于在实际通信中的信道建模。基于几何的信道仿真方式，则将传播的电磁波抽象为像射线一样的波束，来分别计算各种传播途径，包括直射、反射、绕射、透射等的传播效果，并考虑环境模型抽象为具有统计特性的电磁参数，来计算发射弹射时的极化系数，从而针对不同的具体场景做出准确的预测，其典型代表为射线跟踪法。该确定性信道建模方法可以提供准确的功率、时延、角度、极化等信道信息，适用于不同频段的时变多输入/多输出信道的仿真、预测与建模。在信道建模以及推进国际标准化工作上，可以提供信道数据支撑，与实测结果相结合，提出6G通信标准信道模型；在通信系统链路级和系统级仿真方面，可以提供准确的信道模型，为通信系统的设计与优化提供辅助。进一步地，高性能射线跟踪平台可提供更大的算力，为6G的研发从信道仿真、建模到系统级的性能评估形成统一的整体，支撑以太赫兹、全息通信、空天地一体化等为代表的关键技术和应用场景，实现6G智慧未来愿景[2-4]。
2.2 建立基于个体感知的全维宽带系统
6G宽带通信系统将应用场景从物理空间推动到虚拟空间，在宏观上将实现满足全球无缝覆盖的“空—天—陆—海”融合通信网络，在微观上满足不同个体的个性化需求，提供“随时、随地、随心”的通信体验，不仅解决了偏远地区和无人区的通信问题，还能以类人思维服务于每位客户，实现智慧连接、深度连接、全息连接和泛在连接。而建立这样的系统，需要海量异构网络的接入和全频谱融合协作，要把人工智能日益增强的算力更好地应用到通信系统，以物理层全新的空口技术甚至轨道角动量的革命性突破，来满足6G应用场景对超低时延、超大带宽、超大容量和极高可靠性、确定性的要求。
2.3 适用超大宽带的基带系统
由于太赫兹丰富的频率资源，在6G的容量需求下，在基带处理中，初始阶段可以不用追求过高的调制阶数，所以对整个系统的计算复杂度可以不必像低频段资源的要求那样，对性能达到极致。为了满足全频段、多场景的挑战，具有弹性的基带处理架构是一个较合适的选择。需要从3个角度考虑其灵活多样性：处理带宽和采样精度的灵活性；数字接口的能力适配性；基带处理的资源池化能力。
太赫兹场景面临的主要问题是路径损耗大、相位噪声高、功率放大器效率低等，所以需要一种太赫兹信号候选新波形。未来6G将包含比5G更多、更复杂的应用场景，不同应用场景的需求也不相同。对于一些特殊的应用场景，为了保证良好的性能，增强空口波形设计非常重要。目前，没有任何一种单一的空口波形方案可以满足6G各种不同应用场景的需求。例如，对于太赫兹场景，为了克服一些挑战，单载波类型的增强波形可能是一个好的选择；对于室内热点覆盖场景，其需求包括更高的速率、更大的容量和更灵活的用户调度等，为了满足这些需求，基于正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）多载波类型的增强波形可能是一个好的选择；对于高多普勒频移场景，基于正交时频空（Orthogonal Time Frequency Space，OTFS）类型的增强波形可能是一个好的选择。因此，设计多种波形类型的组合方案将可以满足6G不同场景的需求。在多种波形类型组合方案中，不同波形之间的灵活切换、配合及兼容性等问题也需要深入细化地进行研究[14]。
低峰均比调制方式是太赫兹通信空口技术需要重点研究的方向。目前，业界提出了一些低峰均比调制方案，包括FDSS+pi/2 BPSK、8-BPSK和CPM等，这些方案虽然峰均比很低，但解调性能会有损失。因此，仍然需要进一步研究峰均比低且解调性能好的新型调制方式。
太赫兹通信相位噪声很高，虽然接收端能够补偿大部分相噪，但残留相噪仍然会影响性能。因此，需要为太赫兹通信设计能很好抑制相噪的新型调制方式。由于相位噪声与加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）有不同的特性，因此需要研究新型的解调算法以保证良好的解调性能。另外，为了满足6G爆发式增长的容量需求，提高频谱效率也非常重要。一些高频谱效率的调制技术，比如FTN和高频谱效率频分复用（Spectrum Efficiency Frequency Division Multiplexing，SEFDM），也值得进一步深入研究。相对于传统移动通信频段，太赫兹频段的路损衰减很大。然而，得益于太赫兹频段单位面积可以容纳更多天线的特点，可以通过波束的方式来克服路损衰减大的不利因素。波束管理主要包括如下关键技术。
（1）波束训练：太赫兹波束数目多，主要解决的问题是如何以较低的训练开销、延迟及复杂度，快速找到满足传输条件的波束链路，解决方案可考虑如何充分利用空域的稀疏性。
（2）波束跟踪：太赫兹波束窄，容易发生切换，主要解决的问题是随着终端的移动，准确、快速地对使用的波束链路进行调整、切换，解决方案可考虑与人工智能结合。
（3）波束恢复：太赫兹信号绕射能力弱，容易发生阻塞，主要解决的问题是当原有波束链路失效时，收发可以快速重建新的波束链路进行通信，解决方案可考虑多个节点之间的协作传输。
3 6G重点技术
3.1 太赫兹通信与新频谱
太赫兹波是频率在0.1 THz ~ 10 THz范围内的电磁波，处于电子学向光子学的过渡区域，具有不同于微波和光波的独特特性，是电磁波谱中唯一尚待开发、亟待全面探索的、具有重大科学意义和应用前景的新频段。相比于微波毫米波，太赫兹波载波频率高、通信容量大。考虑到太赫兹波段尚未分配给全球特定的有源业务，借助太赫兹频段大带宽特性，其有望具备实现未来无线通信所需高数据速率的潜力，已成为无线通信发展的必然趋势[5]。
在太赫兹通信系统中，上下变频是实现基带信号与太赫兹信号之间转换的有效途径，其核心功能器件是太赫兹频段的混频器，目前通常基于具有非线性效应的肖特基二极管来实现。与传统的Si基材料肖特基二极管相比，采用GaAs材料有效地促进了太赫兹肖特基二极管的发展。InP基材料具有更高的载流子迁移率和非常高的饱和速度，使得肖特基二极管可以向更高的频率拓展，但其发射功率和接收灵敏度还需进一步发展以满足移动通信应用的需求[6]。
在太赫兹信号功率放大方面，目前包括固态功放和真空电子学放大器两种技术途径，前者部份达到几百毫瓦的水平，接近于实际应用的需求；后者高达百瓦的发射功率可以满足一些特殊场合应用。在太赫兹信号低噪声接收方面，目前主流的思路是研发太赫兹频段的低噪声放大器，但在200 GHz及以上频段的MMIC低噪放芯片技术（尤其是国内）还不成熟。
除了太赫兹发射接收电路，太赫兹天线在太赫兹通信系统中也发挥着至关重要的作用。通信用太赫兹高增益天线具有超电大尺寸和跨尺度结构并存的特点，一方面为了获得高的增益，天线通常具有几百倍波长的电大尺寸；另一方面，馈源和馈电结构往往具有与波长相比拟甚至小于波长的精细结构。对这种特殊结构天线的设计，传统全波电磁仿真方法和高频近似电磁仿真方法均不适用，需要研究专用的高效多尺度电磁仿真技术，用于天线的优化设计。
综上所述，高功率太赫兹信号产生、高灵敏度太赫兹信号接收、高增益太赫兹天线以及太赫兹频段的波束赋形与调控等技术已成为推动太赫兹通信技术发展与应用的核心关键技术，将对太赫兹通信距离、通信速率、通信误码率以及通信系统的应用场景等产生深远影响。
3.2 智能反射表面技术
在部份大规模天线研究中，智能反射表面技术是通过控制在无线传播环境中部署的亚波长人工合成超材料的电磁特性，使电磁波入射超材料时，能够获得预期的反射信号或透射信号，以达到控制信号的幅度、频率、相位、极化特性，实现干扰协调（吸波与全反射）、波束形成与信号补盲（入射信号与反射信号可以不满足镜像关系）、非线性频谱搬移（谐波）、简化射频（射频功能向材料层下移）、生成电磁波轨道角动量信号（产生正交信号）、解决高频信号绕射传播、无线供电、低成本相控阵等6G应用价值。当前，在该技术方向的研究难点在于超材料的制造工艺、超材料与有源器件的结合、超材料与天线结合、多维调控耦合等问题[14]。随着全球天线和传播学术界和产业界的持续投入研究，新型的大规模天线阵列性能将得到改善，帮助实现6G无线通信的性能指标。
3.3 新维度电磁波轨道角动量技术
电磁波轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）是区别于电磁波电场强度的另一个物理量。具有OAM的电磁波又称“涡旋电磁波”，其相位面沿着传播方向呈现螺旋状，已经不是平面电磁波。电磁波轨道角动量提供了除频率、相位、空间之外的另一个维度，给人们提供了一个新的视角去认识和利用电磁波[7]。
整数倍OAM模态数的电磁波之间相互正交，在同一个频点可以通过OAM复用传输多路正交信号，从而提高频谱效率，增加信道容量。具有不同模态数的电磁涡旋波间相互正交，因此在无线传输过程中，可以在同一载波上将信息加载到具有不同轨道角动量的电磁波上，实现大数据量的传输，这种OAM电磁波复用技术可有效提高频谱利用率，理论上可以达到如图1所示的A区域[8-9]。
原文刊于《信息通信技术与政策》2020年 第12期