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展望6G曙光:网络的网络

环球通信 | 资深分析师、特约撰稿、手机评测 2022/09/23 23:43

我们正处在5G技术方兴未艾的时代。然而,从无线运营商、芯片制造商到元技术供应商的顶级技术公司都在朝着无线通信的下一个里程碑——6G 进军。

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人们希望网络支持更复杂的、数据密集型的应用程序,连接更多的设备和数据源,并享受持久的、无延迟的数据连接,这推动了对更快、容量更大的网络的需求。

在6G技术被完全开发后,可以支持每秒1TB 的数据传输速率(理论上比5G提供的每秒10GB的最高速度快100倍),网络容量是5G网络的50到100倍,有望形成一个更大的设备互联的生态系统,使消费者、公司和基于基础设施的设备在同一网络上运行,而不会对性能造成影响。此外,5G网络的延迟率通常为4毫秒,6G可以将延迟几乎降低到零,每个接入点可能能够同时支持多个客户端。

6G的愿景及其技术基础仍在形成之中。大量的科技公司、政府和产业集群都在致力于实现持久、可靠和快速的通信基础设施,为移动应用程序智慧城市、V2x 通信、虚拟显式和增强现实技术,甚至个人生物数据系统提供支撑。

英国自动化测试和保障解决方案提供商 Spirent 的市场策略主管 Stephen Douglas 表示:「我认为,6G的关键之处在于,它将形成网络的网络,是互补技术的混合体,相当令人耳目一新。除了在地球上构建一个宏观的网络,可能还会产生人体区域网络,人类也是其中的一部分」。6G很可能将无线网络与卫星、无人机、海上网络和光纤连接网络相互连接,从而形成一个完全连接的生态系统。


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大量的市场活动尚无标准

目前还没有机构制定或发布6G的标准,管理该技术的功耗和无线信号传输方面仍有大量的工作需要完成。美国联邦通信委员会(FCC)已经为早期研究、开发和测试分配了95GHz和3THz 的频段。2020年10月,总部位于华盛顿特区的电信行业解决方案联盟(ATIS)成立了负责制定移动技术的技术和操作标准的NextG联盟。该联盟包括美国四家主要的电信公司(AT&T、T-Mobile、U.S. Cellular和 Verizon),以及爱立信、Facebook、英特尔、LG、微软和高通等公司,ATIS的成立是为了推进美国在6G中的领导地位,重点关注在6G部署的整个生命周期(从研发、制造到标准化和市场准备)中,使该技术的市场参与者保持一致。

「它将成为网络的网络,互补技术的混合体」

当然,其他国家和公司也在努力开发可用于6G网络研发的技术。芬兰奥卢大学启动了「6Genesis」研究项目,旨在在2030年开发出 6G技术,并与日本的「超越5G促进联盟」签署了合作协议,以协调芬兰6G旗舰公司在6G技术方面的研究工作。与此同时,韩国电子和电信研究所正在进行6G的THz频段的研究,三星宣布计划向芯片组制造等领域投资超过2000亿美元,以支持6G 基础设施和设备的研发。

美国国内的从业者一致认为,不仅要考虑以非常高的频率发送数据的技术挑战,还要确定一个或多个6G网络如何才能最好地服务于一系列新的数据密集型应用。

ATIS 的技术和解决方案副总裁 Mike Nawrocki 说:「我们想尽快进入6G时代,把北美/美国的工业界、政府和学术界凝聚在一起。不仅仅从技术的角度来考虑问题,还要考虑到应用、社会驱动因素、未来的频谱需求,以及所有需要很多年才能解决的大的市场问题」。

在美国,人们正致力于确定6G如何更好地服务于一系列新的数据密集型应用。

IEEE 出版的《International Network Generations Roadmap,2022年版》呼应了这一观点,该文件指出: 「网络 代的进化和部署不仅受到不断出现、演化和潜在的技术融合的影响,还受到局部和世界的社会经济、健康状况和政治因素的影响」。

由于开发合适的应用程序和用例、设置6G标准和度量指标以及建立和测试网络技术和基础设施方面必须完成重要的工作,6G的商业化可能需要8到10年的时间。与功能齐全的5G网络相比,6G技术要实现更高的速度、可靠性、伸缩性、更大的网络容量和更低的延迟,这些技术障碍是重大的挑战。


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高频频谱传播的不足之处

确定传输更快数据速率的技术方法是6G技术发展的一个关键挑战。目前,研究者们正探索多条技术路径,很可能会使用支持在其部署区域内提高频谱效率的信号多路复用技术,包括非正交多址接入(NOMA)和大规模多输入多输出(mMIMO)等技术。

虽然这些方法提供了更大的网络容量(就一个区域内可服务的用户数量而言),但它们并不能提高每个设备或用户的频谱效率,这意味着每个被服务的设备不会看到更高的数据容量。

此外,这些方法可能会引入更大的系统延迟,具有能量利用效率低的特点。基于正交频分复用(OFDM)的NOMA系统则可以实现合理的频谱效率增益。OFDM已被应用于5G系统和Wi-Fi802.11无线局域网标准中。

另一种支持更高设备数据吞吐量的方法是将传统的OFDM波形与额外的调制技术配对使用,该技术可以为每个OFDM 符号传输额外的数据再创建一个维度。已经有一些研究工作讨论了空间调制OFDM、副载波-索引调制、带索引调制的OFDM和带有副载波数调制的OFDM 等技术,它们很可能为6G系统提供更高的数据吞吐量。

除了需要支持更高的数据速率,通过空中接口发送数据通常需要比 4G或5G网络使用的更高的频率。目前的5G信号的工作频率在3.4Ghz 到3.8Ghz之间,而未来的5G实现工作频率将达到约5Ghz,无线6G网络可能会使用THz或sub-THz范围内的频率,大约为95Ghz到3Thz。

信号传播是一项重要的挑战。无线电信号能够传播的距离随着传输频率的增加而减小。考虑到高频6G信号的辐射范围相对较短(10 米),6G网络可能需要更密集的基站和中继器网络。

为了在无需安装成百上千个耗电的天线或信号中继器的条件下,使用高频频谱传输无线电波,一个潜在的解决方案是使用可重构智能表面,这种表面可以由具有特殊特性的材料制成,可用于重定向6G信号,在不需要专用电源的情况下充当放大器。石墨烯就是其中一种单层的基于六角形矩阵的材料,可以用于感知和反射特定方向的电磁波,增强和反射无线信号。

LG电子和欧洲研究实验室「Fraunhofer-Gesellschaft」使用自适应波束形成和高增益天线开关技术,在约300英尺的155GHz-175GHz 频段实现了15分贝毫瓦还有传输。中国工业和信息化部正在投资并监督 6G技术的研发。政府支持的紫金山实验室于2022年1月宣布,在受控环境中实现了高达206.25千兆/秒的无线传输速度。

6G: 网络的网络?

行业观察人士表示,6G不仅仅是空中接口。考虑到各种各样的应用需要网络访问,以及某些技术的融合,6G标准可能会包括多种接口类型,用「网络的网络」来形容6G似乎较为恰当。

IDC和移动连接技术及半导体技术团队研究总监Phil Solis表示:「许多未来的应用由于营销与5G或6G捆绑在一起。但实际上,它们可能主要是在Wi-Fi 环境下运行,因为在Wi-Fi 6环境下,主导技术从 OFDM变成了OFDMA」。OFDMA(正交频分多址接入)是Wi-Fi 6 中的一项技术,通过将称为资源单元(RU)的副载波子集分配给单个客户端,实现与多个客户端并发的上行和下行通信,支持更大的数据传输通道和更高的安全性。所以,Wi-Fi也变得越来越好。

其他专家也指出,未来的应用可能是混合的。例如,家中的数据可能使用最新的Wi-Fi,它支持非常高的数据速率。根据IEEE IRDS主席 Paolo Gargini的说法,如果数据需要发送到家庭以外的地方,将使用某种类型的光纤连接将信号发送到手机发射塔,因为光纤技术在人口密集地区安装的成本可能比在小区域内建立庞大的天线和中继器网络要低。

Gargini 说:「如果想在10年后实现6G,有很多基础设施还没有建立起来。事实是,想要传输这种更高的频率,比如6G,就必须使用光纤。当使用非常高的sub-THz和THz频谱传输数据时,信号传播存在诸多限制」。

「许多未来的应用由于营销与5G或6G捆绑在一起。但实际上,它们可能主要在Wi-Fi环境下运行。」

华为则在6G领域提出了完全不同的网络融合方法。它宣布,计划通过发射几颗低轨或极低轨地球轨道(LEO/VLEO)卫星,整合地面和非地面网络,形成一个巨型卫星群,扩大地面蜂窝基础设施的覆盖范围,为超长途传输提供新的低延迟解决方案。预计这两个网络将深度集成为一个系统,其中地面和非地面网络节点可以以类似的方式作为基站,使用户能够在不同的服务条件下利用每种类型的优势。

根据IEEE卫星工作组的说法,在北美和其它地区,卫星6G预计将以前所未有的水平为非地面网络提供KPI和QoS,该工作组将结合多种技术、度量指标和方法的用例。IEEE 出版的《International Network Generations Roadmap,2022年版》中有一章描述了使用卫星技术支持5G和6G网络的技术障碍和解决方案,并包含了丰富的用例描述,其中结合了卫星直接接入和卫星回传、卫星物联网、卫星网络的毫米波、网络管理、QoS/QoE、安全,以及3GPP、ETSI、ITU 和 IEEE 最近的标准化活动。

日本电信公司 NTT 提供了另一套在6G网络中提高数据传输速度和降低能耗的方法,包括开发和测试一种使用端到端光通信基础设施的无线网络——IOWN。该网络使用光子或光束来传输数据,无需将信号转换为电信号。由于不需要这种信号转换,NTT 的目标是与传统网络相比,在功耗、端到端延迟和传输能力水平上提高100倍。

然而,值得注意的是,由于大量的技术和资金方面的问题,6G的愿景,以及任何潜在的标准方法,都可能在其商业推出之前发生变化。从技术的角度来看,只要各种网络之间的接口是标准化的,允许数据在网络之间流动,实际的6G架构标准在未来可能并不那么重要。

Spirent的Douglas说:「我认为6G是将 Wi-Fi 和蜂窝网络融合在一起的绝佳机会。我们能不能有一种通用的、可以连接到任何类型的后端网络的无线连接?只要它们之间的互操作性是标准化的,6G网络的底层可能完全不同」。

以上文字来源于AI科技评论, 作者丨Keith Kirkpatrick,编译丨OGAI

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