6G愿景及潜在关键技术分析

摘 老

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**【关键词】**6G；愿景需求；太赫兹；轨道角动量

0 引言

全球移动通信经历了从1G到4G的演进过程，在每一次技术升级中都实现了显著的数据传输效率提升，并催生出一系列新的应用场景和商业模式。这些创新不仅改变了传统的通讯方式——从拨打本地电话到发送短信；再到如今的网页浏览、在线视频观看、移动支付以及直播短视频等新型服务形式；还深刻影响了消费级互联网的发展历程。当前阶段5G商用全面启动，在这一关键节点上，5G技术寻求的不仅是更高的数据传输速率目标；而是更加广泛的应用场景定位——通过与各垂直行业深度结合；推动社会经济各领域实现数字化转型；从而全面提升产业智能化水平并构建起完整的‘万物互联’时代

5G商用将推动移动互联向万物互联领域延伸发展。从个人用户、家庭到经济社会各领域的广泛应用中不断涌现出了种类繁多的泛在设备接入网络系统。这些网络系统产生的海量数据将成为构建起人与人之间紧密联系、人与物之间深度互动以及物与物之间协同运转的基础平台。然而5G技术只是万物互联阶段的一个重要起点随着物联网应用范围进一步深化和完善未来社会的整体发展进程也将进入一个全新的阶段即数据驱动时代这一时代的到来不仅体现在物理空间中更为显著的是其已经实现了对物理空间海量数据进行动态采集并在此基础上实现了即时分析能力的提升同时通过决策信息的实时反馈实现了对物理空间内的精准调控从而形成了一个更加高效可靠的安全可靠的分发体系而这一系列功能性的提升恰恰需要比现有水平更高阶的6G通信基础设施来支撑才能满足日益增长的数据处理需求和复杂场景下的智能决策需求

1 全球6G最新进展

国际电信联盟(ITU)制定了初步时间表。在二〇二〇年二月期间召开

国际电信联盟-R工作组第34次会议 decide to initiate

会议决定开始开展新一代移动通信技术(6G)的研发工作

该次会议明确提出了《未来技术趋势研究报告》和《未来技术愿景建议书》等关键文档的重要时间节点

其中，《未来技术趋势报告》主要阐述了5G之后IMT系统的技术演进方向

该报告的撰写工作已启动，并计划于二〇二二年上半年完成

与此同时，《未来技术愿景建议书》则涵盖了至二〇三〇年间IMT系统的整体目标

其中一份文件打算从二〇二一年上半年开始推进

第三代合作伙伴计划（3COPP）预期将在大约两年后即于2025年前开展第六代通信标准的研发工作。自本年度六月起，在过去三年中已有第五代通信系统完整国际规范版图（R15）正式推出并投入实际应用，在这一版本中特别关注于增强移动宽带和超低时延、高可靠性场景的支持功能。目前相关技术文档已基本完成初稿并进入审定阶段，在这一阶段主要针对工业互联网与车联网等关键行业应用领域进行了强化支持以满足低时延高可靠性的业务需求。未来第五代网络将不断优化提升承载能力的同时进一步拓展垂直行业的应用场景特别是在定位、网络架构及切片技术等方面寻求突破以满足日益增长的需求预期未来3COPP将在本年度开始研究第六代相关技术并将真正意义上的第六代标准化工作安排至两年后启动

全球主要国家相继启动6G技术的前期研究工作。美国联邦通信委员会（FCC）于2019年宣布开放太赫兹频段（95 GHz至3 THz）以支持未来6G网络服务的应用，并与美国国防高级研究计划局（DARPA）合作开展相关基础技术研究。欧盟启动了面向2021-2027年的欧洲地平线（Horizon Europe）项目“Horizon Europe 2021-2027”，计划投资1,000亿欧元用于探索下一代网络技术。与此同时，在芬兰奥卢大学成立了6G Flagship研究组，致力于到2030年实现的6G愿景和技术突破，并与IEEE合作举办了两年一度的全球6G峰会。日本于2019年设立了“后5G信息通信系统及半导体开发”项目，并于2018年研发出了面向B5G和6G的新技术——轨道角动量和太赫兹通信系统。在随后的研究中，日本NTT集团于2019年底基于磷化铟化合物半导体材料开发出了具有100 Gb/s传输速率的太赫兹射频芯片。韩国则于2028年前计划在全球率先实现6G商用，并为此设立了高达9,760亿韩元的资金投入计划；同时成立了多个研究中心以推动相关技术的发展——三星电子成立了"三星网络革新中心"专注于新一代移动通信技术；LG电子与韩国科学技术院共同设立了新的研发机构；韩国电子通信研究院与芬兰奥卢大学签署了合作协议共同开发6G网络技术。中国也同步推进着全球范围内的6G技术研发——自2019年6月工信部成立IMT-2030推进组以来全面布局了相关工作；科技部也成立了国家层面的技术研发工作组和专家组来统筹规划推进工作；而在学术界则组织召开了多场研讨会深入探讨了对未来的愿景和技术挑战

2 6G愿景展望

5G正引领我们步入一个高度互联的时代,通过促进人类之间、人类与其他设备以及设备之间的全方面连接,逐步深入到社会经济各个行业领域,构建起基础性的网络基础设施,推动数字化转型进程。
在社会经济各行业领域中,广泛运用5G技术并与信息通信技术实现紧密融合,将加速整个社会迈向数字化、信息化及智能化的新阶段。
基于5G的技术积累,6G的发展将进一步推动社会经济向更深层次的数字化转型迈进,并最终实现从完全互联向智能化联结的整体跨越。

6G将具备比5G更强的性能能力，并聚焦于能够超越现有5G技术支撑能力的新兴应用场景。随着移动通信网络规模不断扩大以及应用场景深度拓展的需求日益增长，在现有的关键性能指标体系中已无法完全满足部分新型应用的需求。例如，在全息通信领域单张全息图像数据量约为7至8 GByte即折算后其对应的比特传输量为56至64 Gbit基于30帧/秒的视频清晰度计算所需传输速率为1.68至1.92 Tbps这已经达到了Tbps级别数量级[1]。随着全球经济格局和社会发展的不断演进新的应用场景和技术挑战将持续涌现这也将促使相关技术标准研究工作不断推进并最终需要在关键性能指标体系中进行相应的补充和完善。例如当前全球移动通信网络仅覆盖全球范围内的20%区域而仍有超过20亿用户不具备接入条件未来规划中将充分考虑社会因素进一步提升弱势群体的价值和机遇释放潜力因此拟构建覆盖全球范围内的空天地一体化网络并将网络覆盖率作为未来6G体系中的重要技术指标之一。此外在高精度工业控制、纳米医疗机器人等前沿技术领域对设备定位精度提出了极高的要求而目前的5G标准体系并未对此给予明确规定因此定位精度问题也将在未来的6G技术体系设计中被纳入重点考量范畴。

在对比5G技术的基础上

包括但不限于个性化内容推荐、智能资源分配等服务模式

3 6G潜在使能技术分析

为了应对未来6G网络性能的提升需求，有必要引入一系列创新性关键技术。当前行业内关于高效无线接入技术的讨论主要集中在超大规模天线系统以及利用轨道角动量实现高效率通信方面。具体而言，则包括太赫兹频段、可见光通信技术以及高效的频谱资源利用方案；此外还包括空天一体化通信系统、多层网关节点技术和基于边缘计算的智能接入节点方案。通过整合上述成熟技术和潜在新兴使能方案，则预计未来将显著提升6G网络的整体性能水平，并为用户提供更加丰富和多样化的业务服务与应用场景。

3.1 新型频谱使用技术

与5G相比，在传输速率方面6G将可望实现其10倍的增长（相较于5G而言），这一增长不仅会带来更高的通信效率还意味着更大的技术挑战。从频谱资源的角度来看，在这一过程中6G将消耗更多的频谱资源来达成这一目标。要实现这一目标主要有两种主要途径：一是通过向高频频段延伸（目前来看，在毫米波频段上已能支持高达52.6 GHz），未来有望拓展至太赫兹波段甚至可见光频域；二是通过优化现有频率带的使用效率（目前移动通信系统多采用固定分配模式导致资源利用率低下）。为此，在动态管理和高效利用现有频率带方面也提出了新的技术要求和解决方案

太赫兹通信技术作为一种新兴领域。太赫兹波段指的是频率介于0.1至10 terahertz（THz）范围内的电磁辐射。该频段具有丰富的光谱资源，在卫星间通信方面具有独特优势（由于太空环境为真空状态且不受水分子吸收影响特性显著）。与6G通信技术相比而言，该技术不仅能够满足6G网络对极高频谱资源的需求，并且凭借其极短波长特点，在环境监测和高精度定位等方面也展现出巨大潜力。然而，在实际应用中面临的主要挑战包括传播特性限制以及射频器件的技术瓶颈问题（如严重的路径损耗现象）。具体而言，在距离仅为10米时的路径损耗已达到100分贝这一情况较为严重。此外，在大气传播过程中还会受到水蒸气和氧气分子吸收的影响因素制约，并且由于高频段波长较短导致的大范围衍射能力不足这一特性也会变得尤为明显（特别是在存在障碍物遮挡的情况下表现更加突出）。值得关注的是，在满足传播需求的同时芯片和器件性能也面临着更高要求（功率放大器等关键组件性能指标需得到显著改善）。随着工作频率升高这一问题将愈发突出具体表现为输出功率及效率均呈现大幅下降趋势难以支撑现有基站及终端设备的实际应用需求。因此在未来6G通信系统设计中需要重点解决的关键技术难题主要包括：建立精确可信的信道传播特性模型；开发高性能、低能耗、低成本的关键元器件；以及设计适应性较强的系统方案（包括新型调制解调技术和信道译码算法等）

（2）可见光通信技术。这指的是利用可见光波段的光作为信息载体实现数据通信的技术。相较于传统无线通信系统而言，该技术具有超广频带的特点，并且能够集成了通信、照明和定位等多种功能。此外，在电磁干扰敏感的环境中也具有显著的应用潜力。然而该技术面临一系列关键挑战：其一是在有效带宽方面存在瓶颈。尽管可见光频段拥有高达400太赫兹（THz）的光谱资源空间但由于商用LED芯片的调制带宽目前仍局限于几十兆赫兹水平导致了传输速率的限制通过采用新型材料引入蓝色滤波以及脉冲整形等技术可以使LED芯片的有效调制带宽提升至800兆赫兹以上从而改善传输性能除此之外该技术还包括超高速率下的可见光通信调制编码方法阵列复用技术和多址接入组网方案等高效传输手段需要解决的关键还包括高性能的超高速率visible light transmission receive/transmit chip、元器件及系统模块方面的创新突破

（3）高效频谱使用技术。动态 freq spectrum 使用是显著提高现有 freq spectrum 利用效率的重要手段,主要包含动态 freq spectrum 接入机制和智能 freq spectrum 共享方式等技术手段。对于动态 freq spectrum 接入机制,由于大量授权 freq spectrum 在时间和空间上均未得到充分利用,因此该方法可被用来实现二级用户对空闲 freq spectrum 波段的快速定位与获取,以便能够临时利用这些空闲 freq spectrum 波段进行信息传输。然而,为了制定出最优的 dynamic freq spectrum 接入策略,通常需要掌握完整的网络状态信息,但现有的 dynamic freq spectrum 接入协议尚无法适应更为复杂的实际应用模型,因此开发低计算复杂度要求的分布式学习算法成为亟待解决的问题。而智能 freq spectrum 共享方式则允许不同制式网络根据自身业务需求,通过灵活申请与释放 shared resources 实现资源的有效共享,从而大幅提升了整体资源利用率。对于这一问题而言,如何平衡不同制式间的物理信道干扰问题成为亟待解决的关键点之一,而区块链技术和深度学习方法则提供了有效的解决方案途径

3.2 高效无线接入技术

在固定的频谱资源下追求更高的数据传输速率一直是每一代移动通信系统的核心目标。为了达到更高的频谱效率目标，在现有技术基础上继续优化现有技术手段时可以采取多天线技术、高级调制方案以及双工通信等方式进行。同时需要深入研究新的物理维度和新型传输介质，在这一领域寻求突破性的创新方法。例如基于轨道角动量的研究。

传统物理层技术得到强化与拓展。编码调制作为物理层最基础的技术，在6G无线通信系统中将发挥核心作用。相较于5G而言,6G信道编码需要针对更加复杂的无线通信场景和业务需求进行针对性优化与设计,例如超高吞吐量、超高移动速度、超高频段以及面向物联网行业应用的极简化设计等,同时还需要应对超高可靠性等挑战.人工智能技术的应用则为信道编码研究提供了全新的思路,使得其不再受限于传统的编码理论,而是通过学习、训练与搜索来找到最适合当前传输环境的最佳调制编码方案.多天线技术是提升频谱效率最为关键的技术手段,商用大规模天线产品已实现256天线单元,随着频段提升,单位面积可集成更多天线单元.借助大规模天线不仅可以显著提升系统频谱效率,还能通过分布式超大规模天线打破小区界限,实现以用户为中心的网络部署;此外,其超高的空间分辨率还可以用于高精度定位与环境感知相关应用.在大规模天线的实际应用中需要突破天线技术和架构的关键瓶颈,目前大型智能表面技术在该领域的应用已受到广泛关注;新型大规模阵列天线设计理论与射频电路优化设计方法等也需要重点研究.新型双工技术和全双工机制可能在未来6G系统中得到应用,从而解除传统FDD/TDD双工机制对收发信机链路间频谱资源利用限制.全双工模式通过共享收发信机间的频谱资源可有效提升资源利用率的同时降低传输时延;当前全双工技术研发面临大功率自干扰抑制、多天线自干扰抑制等关键问题.

（2）轨道角动量技术作为一项新兴技术，在现有传统物理层手段的基础上寻求新的突破方向。我们特别关注的是基于光子自旋与光子环向场这两种全新的物理维度的发展前景。从经典电磁波的基本特性来看, 电磁波不仅具有线性动量作为无线通信的传统基础, 同时还具有自旋（即角动量）这一额外属性, 而我们希望将这种自旋性质作为新型传输维度加以利用, 其中自旋型光子通道主要包括两种类型:一种是由发端装置驱动自由电子发生自旋-轨道耦合激发产生的微波光子量子;另一种则是通过大量传统平面波构造出环向场并利用其正交特性, 通过多路叠加实现高速数据传输的技术路径. 在目前的研究中, 轨道角动量在无线通信中的应用仍处于探索阶段, 当前面临的主要技术瓶颈包括:微波光子生成器与耦合器的小型化问题、射频条件下环向场多路叠加传输的技术难题以及外界环境干扰对环向场传输性能的影响等问题.

3.3 天地融合通信技术

未来的6G技术将进一步扩大通信覆盖的广度与深度，并实现全球范围内的无缝覆盖。这一目标将依赖于卫星通信的支持与协作作用。由于卫星通信能够以低成本实现广泛的覆盖范围，并且对高速移动的交通工具（如飞机）提供良好的支持服务；而这些特点恰恰是传统蜂窝移动通信系统所不具备的优势所在。因此，在此基础上构建6G网络体系，并将其与卫星通信深度融合将是未来发展的关键方向：空中交通网、陆地交通网以及海洋交通网均可得到全面实现。目前美国正积极推进 satellite互联网的发展进程；其中最为引人注目的项目包括星链计划和铱星系统等；其中SpaceX公司的星链卫星互联网计划预计将在未来6个月内发射约1.2×10^4颗卫星；目前已成功发射422颗，并将于2020年4月完成首次测试部署。该技术体系的发展不仅得益于 satellite制造成本的重大下降；同时也得益于先进的移动通信技术所提供的技术保障；但目前仍面临诸多性能方面的挑战：例如星链计划中每颗 satellite 的峰值带宽高达20 Gb/s；但由于单颗 satellite 的覆盖范围极为庞大；导致单位面积的服务容量显著降低；无法满足城市密集区的大规模用户需求；此外由于 satellite 与 ground之间的平均距离较大；导致 starlink网络系统的时延问题较为严重（一般在20-35ms之间）难以满足超低时延业务的需求要求：这种性能瓶颈使得 satellite互联网无法对现有蜂窝移动通信产生根本性的颠覆性影响；但作为一种补充手段它可以在人口密度较低且光纤铺设成本较高回报价值有限的偏远地区提供相应的网络服务：同时蜂窝移动通信也将重点解决城市密集区的大规模接入需求以及对时延敏感的应用领域问题：就目前情况来看天地一体化建设仍面临 satellite系统与移动通信网络之间的一体化设计难题不同 satellite 通信用系统间的互联互通挑战以及频谱资源的有效分配与管理等问题尚未完全解决

4 结束语

自5G大规模投入运行以来,全球研究机构已就6G的发展方向展开了深入探讨。然而,目前仍处于6G技术研发初期阶段,具体应用场景仍需进一步明确,相关核心技术尚未达成普遍共识。本文系统梳理了国际标准化机构与各国在6G领域取得的主要成果,重点分析了其未来发展趋势与应用前景,并基于此深入探讨了超大规模天线系统、新型调制编码方案、双工通信技术和新型轨道角动量管理方法等前沿技术。此外,本文还重点解析了新型频谱利用技术包括超赫兹带宽（THz）、可见光通信（ VLC）以及高效频谱聚合（HAS）等先进方案,并对其空天地一体化协同工作机制也进行了深入剖析。然而,值得注意的是:这些创新性技术能否成功应用于新一代移动通信系统中,不仅需要在技术研发层面实现突破性进展,还需综合考量芯片设计、元器件优化等基础领域的影响;同时要确保其满足功耗效率、体积尺寸以及成本投入等方面的硬性指标