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瞭望2025全球6G技術(shù)發(fā)展趨勢

12/23 08:08
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作者:是德科技6G項(xiàng)目經(jīng)理Roger Nichols

6G目前還處在以研究為主的階段,但在未來兩年,6G將從技術(shù)研究走向?qū)嵸|(zhì)性開發(fā)。業(yè)界已經(jīng)達(dá)成共識,在2029年3月完成第一個版本的技術(shù)規(guī)范,因此6G的發(fā)展還有很長的一段路要走。幾年前備受關(guān)注的使能技術(shù)經(jīng)過了一定程度的培育和發(fā)展。進(jìn)一步的技術(shù)研究、早期開發(fā)和一些初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,甚至在某些情況下反證了某項(xiàng)技術(shù)的可行性,2025年最熱門的技術(shù)無疑也會隨之發(fā)生變化。瞭望2025年6G關(guān)鍵使能技術(shù)的發(fā)展趨勢,是德科技6G項(xiàng)目經(jīng)理Roger Nichols做了如下探討。

首先,在 6G 關(guān)鍵使能技術(shù)中,大概率不會被踢出局的幾項(xiàng)技術(shù)有:

7-16GHz 地面移動無線通信系統(tǒng)

無線技術(shù)的發(fā)展首先取決于可以使用的頻譜資源。數(shù)據(jù)使用量的增加和無線連接的增長已經(jīng)并將繼續(xù)對頻譜帶寬提出越來越高的要求。對于移動運(yùn)營商來說,最理想(某些時候甚至是唯一可接受的)的情況是在其運(yùn)營的區(qū)域內(nèi)獨(dú)占頻譜資源。并且,在這些頻段上,他們可以支持足夠高的無線電發(fā)射功率,以確保網(wǎng)絡(luò)的高容量和高可靠性。對網(wǎng)絡(luò)容量需求的增長促使人們不斷探索如何重新利用7-24 GHz的無線電頻譜資源,尤其是7-16 GHz的頻段。該頻段在無線電導(dǎo)航、無線電定位和衛(wèi)星應(yīng)用中具有重要用途。世界各地的政府機(jī)構(gòu)大多使用這一頻段,甚至將其作為專用頻段,這使問題變得更加復(fù)雜。

若要確保移動無線網(wǎng)絡(luò)在7-16 GHz 頻段正常工作,就必須認(rèn)真考慮如何共享部分頻譜資源的問題。而頻譜共享機(jī)制涉及復(fù)雜的政策和技術(shù),因此兩者都備受關(guān)注。即使是將這一頻率范圍中的部分頻段專門留給商用無線網(wǎng)絡(luò)使用,更高的傳播損耗也會需要各方投入更多精力來應(yīng)對繁重的技術(shù)工作任務(wù)。若要解決接收機(jī)信噪比較低的問題,最顯著的方法就是縮小信號的覆蓋范圍。不過,由于無線電臺站的購置成本高以及在更多蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間增加高密度回程連接所帶來的挑戰(zhàn),這在經(jīng)濟(jì)適用性上對于移動運(yùn)營商而言并不可行。因此,研究如何利用先進(jìn)的集成無線電和天線系統(tǒng)來克服上述挑戰(zhàn)至關(guān)重要(請參考下文中的新一代MIMO部分)。

人工智能

伴隨著多種通用的、功能強(qiáng)大的大型語言模型(LLM)的出現(xiàn),機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)作為實(shí)現(xiàn)人工智能的關(guān)鍵技術(shù)之一變得非常流行。但是,電信網(wǎng)絡(luò)工程師正在探索各種不同類型的大模型。LLM 基于網(wǎng)絡(luò)上的大量文本數(shù)據(jù)來進(jìn)行訓(xùn)練,提升理解和生成人類語言的能力。而移動無線網(wǎng)絡(luò)行業(yè)正在開發(fā)人工智能技術(shù)來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能、解決無線電波束管理的復(fù)雜性、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、提高數(shù)據(jù)傳輸效率以及降低整體功耗。

在這些領(lǐng)域并沒有使用LLM, 而是采用基于網(wǎng)絡(luò)和電路的技術(shù)數(shù)據(jù),甚至是模擬和仿真工具生成的數(shù)據(jù),訓(xùn)練出來的ML模型。關(guān)鍵的技術(shù)難題在于需要構(gòu)建一個可靠的模型,并且要確保該模型能夠持續(xù)取得比傳統(tǒng)方法更加出色的效果。這些難題可以歸納為:如何開發(fā)、完善和訓(xùn)練模型(這意味著開發(fā)人員需要獲取大量可信賴的數(shù)據(jù));2)如何驗(yàn)證模型在絕大多數(shù)情況下都能正常工作。

新一代MIMO

多路輸入/多路輸出(MIMO)技術(shù)是利用電磁波在發(fā)射端和接收端之間可以有多條傳輸路徑(如直接路徑、一條或多條反射路徑)這一事實(shí)而開發(fā)的。 在 MIMO 出現(xiàn)之前,多路徑傳播一直是無線通信領(lǐng)域需要解決的痛點(diǎn)問題,它會造成 "多路徑干擾"(有些人可能還記得電視機(jī)的花屏 “鬼影”,當(dāng)時唯一的信號接入方式是通過天線的廣播系統(tǒng))。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用的 MIMO 現(xiàn)已發(fā)展到第四代。

為了解決用于5G網(wǎng)絡(luò)的 3.5 GHz 頻段下的高損耗問題,有必要采用最新的實(shí)現(xiàn)方式?;痉椒òǎ菏褂迷S多天線元件和復(fù)雜的數(shù)字信號處理(DSP),讓天線元件之間能夠協(xié)同工作,提高接收端的有效信噪比;不斷測量發(fā)射端和接收端之間的信道狀態(tài)(移動無線信道處于不斷變化的狀態(tài)),使得DSP 能夠持續(xù)執(zhí)行任務(wù),利用多個天線元件來克服信道狀態(tài)的不斷變化。 在保持

信號覆蓋范圍不變的情況下(例如,保持與 3.5 GHz頻段相同的最大收發(fā)距離),向 7-16 GHz 頻段演進(jìn)意味著 MIMO 系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜性進(jìn)一步提高:將搭載更多的天線元件甚至是分布式天線元件,并配備更強(qiáng)的 DSP。 鑒于整個系統(tǒng)所需克服的復(fù)雜性,這是利用 ML 的絕佳機(jī)會。

Open RAN

無線接入網(wǎng)(RAN)指的是無線通信系統(tǒng)中連接移動終端設(shè)備(如智能手機(jī))與基站之間的傳輸網(wǎng)絡(luò)。在5G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)之前,RAN是一個封閉的架構(gòu),少數(shù)幾家大型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商都使用自己的專有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。然而,將 RAN 的數(shù)字部分虛擬化(在高性能通用服務(wù)器上運(yùn)行的軟件實(shí)體)的想法促使業(yè)界共同努力將由此帶來的RAN系統(tǒng)功能拆分(無線電單元、數(shù)字單元、集中單元)標(biāo)準(zhǔn)化,同時在這些架構(gòu)組件之間也實(shí)現(xiàn)接口的標(biāo)準(zhǔn)化。這種O-RAN (開放式無線接入網(wǎng)絡(luò))架構(gòu)帶來了新的概念,包括 RAN 功能的智能控制(RAN 智能控制器或 RIC),這其中 ML 已經(jīng)在一定程度上得到了應(yīng)用。許多人認(rèn)為,O-RAN(和其他開放標(biāo)準(zhǔn))是實(shí)現(xiàn) 6G 的必由之路。因此在該領(lǐng)域,業(yè)界正在開展進(jìn)一步的工作,以便推動這些概念的迭代升級。

其次,在2025年,6G 領(lǐng)域中下面這幾項(xiàng)技術(shù)將備受關(guān)注,但商業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)較高。

毫米波技術(shù)(用于5G網(wǎng)絡(luò)的24-71 GHz頻段)

3GPP 協(xié)議規(guī)定的頻率范圍 2(FR2)已在 5G 網(wǎng)絡(luò)中投入使用,不過業(yè)界一直在努力推動其商業(yè)化進(jìn)程,希望該服務(wù)能夠盈利。但是這項(xiàng)技術(shù)依然價格昂貴,沒有明確的 "殺手級應(yīng)用 "來推動應(yīng)用的普及和量產(chǎn)(從而通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)來降低成本)。此外,還需要在標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)際部署方面下功夫,以提高無線鏈路的可靠性,尤其是智能波束管理,它與多輸入多輸出(MIMO)類似,依賴于準(zhǔn)確的實(shí)時信道狀態(tài)信息,也可受益于 ML。然而,這對更高網(wǎng)絡(luò)容量和頻譜接入的需求是巨大的,7-17 GHz頻率范圍釋放出來的容量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此,F(xiàn)R2頻段(大部分已分配但尚未充分利用)可以成為其中必要的一部分。

地面和非地面網(wǎng)絡(luò)的融合

最近有很多關(guān)于地面和非地面無線網(wǎng)絡(luò)(NTN)融合的新聞,也就是利用衛(wèi)星和高空平臺基站(HAPS--氣球、亞軌道平流層飛艇等)。這關(guān)系到是否能夠?qū)崿F(xiàn)更好的信號覆蓋和更高的可靠性,特別是在發(fā)生自然災(zāi)害或海難時。 然后,要實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)也頗具挑戰(zhàn)性:

  • 從發(fā)射端到接收端的距離高達(dá)數(shù)百公里(而不是數(shù)百米)
  • 需要管理多個不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸
  • 需要進(jìn)行干擾管理,因?yàn)閭鬏敺较蛟黾恿艘粋€維度(幾乎沒有手機(jī)信號塔會將信號直接向上或者向下發(fā)射,而且所有標(biāo)準(zhǔn)化的無線電信道模型都只有二個維度)

這是一個令人振奮的領(lǐng)域,雖然衛(wèi)星公司的商業(yè)模式似乎顯而易見(相同的基礎(chǔ)設(shè)施,更多的用戶),但對于管理地面網(wǎng)絡(luò)的移動運(yùn)營商來說,卻不那么清晰。

集成傳感與通信(ISAC)

利用通信信號感知周圍的環(huán)境是另一個備受關(guān)注的領(lǐng)域。交通管理、無人機(jī)管理、人群管理以及無數(shù)其他應(yīng)用都在考慮使用這樣技術(shù)。所面臨的挑戰(zhàn)主要與以下兩個方面有關(guān):電磁波的頻率、波長和信號帶寬;網(wǎng)絡(luò)容量管理。信號的頻率、波長和帶寬與傳感技術(shù)能否達(dá)到超高的物理和時間精度有直接關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)容量也很重要,將無線網(wǎng)絡(luò)資源僅用于傳感意味著這些資源不能被用于通信,而網(wǎng)絡(luò)容量需求已在上文討論過。

然而,適合用于數(shù)據(jù)通信的信號并不一定適合用于傳感。此外,如果傳感和通信可以使用完全相同的信號,也不能保證實(shí)現(xiàn)傳感所需的信號理想方向與系統(tǒng)傳輸所需的電磁波信號的方向一致。因此,在技術(shù)層面執(zhí)行的工作意味著除了要應(yīng)對來自多個基站和移動設(shè)備的復(fù)雜傳感干擾之外,還要應(yīng)對多重挑戰(zhàn)。這方面的商業(yè)模式并不明顯,因此這項(xiàng)技術(shù)的最終效用還有待觀察。

第三,下面這些課題仍然會受到科研界的關(guān)注,但其商用的可能性會更加不明朗。

智能超表面

在許多無線通信系統(tǒng)中,信號在室內(nèi)傳播和室外到室內(nèi)的傳播都存在著問題。 例如,停車場、大型商業(yè)樓宇、購物中心和室內(nèi)體育館都采用分布式天線系統(tǒng)和無線電中繼器,有時甚至采用額外的獨(dú)立基站。理論上,使用安裝在墻壁上的大型 "表面 "來實(shí)施智能反射表面這項(xiàng)技術(shù),是一種成本較低的方法,可以使室內(nèi)的信號接收效果大為改觀。它們也將變得足夠智能,能夠適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件(人員、家具變化、室內(nèi)機(jī)器搬遷等)。 目前面臨的挑戰(zhàn)是如何在降低成本的同時,提高可靠性和靈活性,并提高性能。還需要開展大量的工作來解決諸多挑戰(zhàn),特別是在降低成本方面這種需求更加迫切。

太赫茲技術(shù)(頻率超過100 GHz)

由于在上文提到的FR2 頻段上缺乏商業(yè)成功,工作頻率在100 GHz 以上超寬頻帶范圍吸引力減弱。再加上亞太赫茲頻段比 24-71 GHz 頻段更昂貴、更難管理的事實(shí),這種情況進(jìn)一步加劇。業(yè)界和學(xué)術(shù)界仍在進(jìn)行大量研究,但太赫茲頻段已不再被考慮納入6G 無線接入技術(shù)的主流用途。盡管如此,使用 D 波段技術(shù)(110-170 GHz)的點(diǎn)對點(diǎn) “微波”通信鏈路已經(jīng)取得了巨大成功。對高容量回程數(shù)據(jù)傳輸解決方案的巨大需求可能會推動在該領(lǐng)域和其他利基應(yīng)用中對更高頻率技術(shù)的進(jìn)一步投資。不出所料,正在研究的技術(shù)包括半導(dǎo)體、天線、波束管理、高速數(shù)字信號處理器,甚至帶內(nèi)全雙工技術(shù)(同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)傳輸速率提高一倍)。

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