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下一個目標是6G 通信人永遠在路上

2019-10-10  來源:人民郵電報  作者:達涌

據國外媒體近日報道,位于加拿大渥太華的華為實驗室已經開始研發6G技術。今年6月,諾基亞、愛立信和SK電訊宣布建立戰略合作伙伴關系,共同致力于6G開發。

2018年7月,國際電信聯盟成立了2030網絡技術的研究組。目前,美國、中國、日本、韓國、芬蘭等國家,都已踏上6G研發賽道。今年2月,美國總統特朗普連發推特稱:“我想要5G甚至6G盡快進入美國。”此后不到1個月,美國開始部署6G的研究。

而早在2018年3月,工業和信息化部部長苗圩在接受采訪時就提到,中國在2018年年初已經開啟了著手研究6G,在2018年12月,中國移動、中國聯通、中國電信、中國信通院、華為、中興、大唐、OPPO、vivo9家企業已經聯手開始啟動了《后5G系統愿景與需求》的項目。

不難看出,6G已經成為全球通信業的下一個目標。

什么是6G?

6G,即第六代移動通信技術。6G將是一個地面無線與衛星通信集成的全連接世界。通過將衛星通信整合到6G移動通信,實現全球無縫覆蓋,網絡信號能夠抵達任何一個偏遠的鄉村,讓山區深處的病人能接受遠程醫療,讓孩子能接受遠程教育。此外,在全球衛星定位系統、電信衛星系統、地球圖像衛星系統和6G地面網絡的聯動支持下,地空全覆蓋網絡還能幫助人類預測天氣、快速應對自然災害等。這就是6G的未來。6G通信技術不再是簡單的網絡容量和傳輸速率的突破,它更是為了縮小數字鴻溝,實現萬物互聯這個“終極目標”,這便是6G的意義。

2018年9月在北美舉行的美國世界移動通信大會上,美國聯邦通信協會專員Jessica Rosenworcel女士表示:“6G將使用太赫茲(THz)頻段,且6G網絡的‘致密化’程度也將達到前所未有的水平,屆時,我們的周圍將充滿小基站。”

什么是太赫茲?

太赫茲頻段是指100GHz~10THz,是一個比5G頻率高出許多的頻段。從通信1G的頻率(0.9GHz)到現在的4G頻率(1.8GHz以上),我們使用的無線頻率在不斷升高。因為頻率越高,允許分配的帶寬范圍越大,單位時間內所能傳遞的數據量就越大,也就是我們通常說的“網速變快了”。

不過,頻段向高處發展的另一個主要原因在于,低頻段的資源有限。就像一條公路,即便再寬闊,所容納車量也是有限的。當路不夠用時,車輛就會阻塞無法暢行,此時就需要考慮開發另一條路。

頻譜資源也是如此,隨著用戶數和智能設備數量的增加,有限的頻譜帶寬就需要服務更多的終端,這會導致每個終端的服務質量嚴重下降。而解決這一問題可行的方法便是開發新的通信頻段,拓展通信帶寬。

為什么6G網絡將“致密化”?

這就涉及基站的覆蓋范圍問題,也就是基站信號的傳輸距離問題。一般來說,影響基站覆蓋范圍的因素比較多,比如信號的頻率、基站的發射功率、基站的高度等。就信號的頻率而言,頻率越高則波長越短,所以信號的繞射能力(也稱衍射,在電磁波傳播過程中遇到障礙物,這個障礙物的尺寸與電磁波的波長接近時,電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去,繞射可以幫助進行陰影區域的覆蓋)就越差,損耗也就越大。這種損耗會隨著傳輸距離的增加而增加,基站所能覆蓋的范圍會隨之減小。6G信號的頻率已經在太赫茲級別,而這個頻率已經進入分子轉動能級的光譜了,很容易被空氣中的水分子吸收,所以在空間傳播的距離不像5G信號那么遠,6G需要更多的基站“接力”。

5G使用的頻段要高于4G,在不考慮其他因素的情況下,5G基站的覆蓋范圍自然要比4G的小。到了頻段更高的6G,基站的覆蓋范圍會更小。因此,5G的基站密度要比4G高很多,而在6G時代,基站密集度將無以復加。

6G能用意念網購?

這個大膽的想象聽起來很像是科幻電影里的場景。北京郵電大學通信專家張平教授在他的論文《6G移動通信技術展望》中認為,6G技術會和AI緊密相連。6G時代,AI的進一步發展,將實現真實世界到虛擬世界的延展。也就是說,通過AR/VR、AI、6G等各項技術,可以把真實世界采樣、傳輸和重構成虛擬世界,人可以用意念來驅動網絡。

在這10年的時間里,大量技術都會更新迭代,還會有新的技術不斷涌現,那時候或許真的能用大數據來讀懂人的意念了。

具體實施難點不少

目前,5G還未普及,就6G而言,現在還沒有明確的目標和正式的愿景,所以全部企業和國家的研發,都屬于前期理論研發。

但通信領域有廣為流傳的“使用一代、研究一代、儲備一代”的說法。如今5G的標準已經初步制定完畢,整個標準在3GPP框架下完成要在2021年左右。現在開始啟動6G的研發正當其時,看看5G還有什么不足之處,需要6G來補充。

同時,6G前景暢想起來雖然美好,但是目前看來,仍有許多技術和實施難題需要解決,主要集中在以下幾點——

路線方案尚需驗證

“目前,國際通信技術研發機構相繼提出了多種實現6G的技術路線,但這些方案都處于概念階段,能否落實還需驗證。”專家表示,芬蘭奧盧大學無線通信中心是全球最先開始6G研發的機構,目前正在從無線連接、分布式計算、設備硬件、服務應用四個領域著手研究。

無線連接是利用太赫茲甚至更高頻率無線電波實現通信;分布式計算則是通過人工智能、邊緣計算等算法解決大量數據帶來的時延問題;設備硬件主要面向太赫茲通信,研發對應的天線、芯片等硬件;服務應用則是研究6G可能的應用領域,如自動駕駛等。“目前也只是有這四個方向,具體的細節還沒有明確”。

據了解,韓國SK集團信息通信技術中心曾在2018年提出了“太赫茲 去蜂窩化結構高空無線平臺(如衛星等)”的6G技術方案,不僅應用太赫茲通信技術,還要徹底變革現有的移動通信蜂窩架構,并建立空天地一體的通信網絡。

空間復用技術難度大

在技術上,6G將使用“空間復用技術”,6G基站將可同時接入數百個甚至數千個無線連接,其容量將可達到5G基站的1000倍。前面說到6G將要使用的是太赫茲頻段,雖然這種高頻段頻率資源豐富、系統容量大,但是使用高頻率載波的移動通信系統要面臨改善覆蓋和減少干擾的嚴峻挑戰。

當信號的頻率超過10GHz時,其主要的傳播方式就不再是衍射。對于非視距傳播鏈路來說,反射和散射才是主要的信號傳播方式。同時,頻率越高,傳播損耗越大,覆蓋距離越近,繞射能力越弱。這些因素都會大大增加信號覆蓋的難度。

推廣應用成本高昂

“無線通信進一步發展,大量投資必不可少。”專家談到,要提高通信速率有兩個方案:一是基站更密集,部署量增加,雖然基站功率可以降低,但數量增加仍會帶來成本上升。第二種方案就是使用更高頻率通信,比如太赫茲或者毫米波,但高頻率對基站、天線等硬件設備的要求更高,現在進行太赫茲通信硬件試驗的成本都非常高,超出一般研究機構的承受能力。另外,從基站天線數上看,4G基站天線數只有8根,5G能夠做到64、128甚至256根,6G的天線可能會更多,基站的更換也會提高應用成本。

“不改變現有的通信頻段,只依靠通過算法優化等措施很難實現設想的6G愿景,全部替換所有基站也不現實。”專家認為,未來很有可能采取非獨立組網的方式,即在原有基站等設施的基礎上部署6G設備,6G與5G甚至4G、4.5G網絡共存,6G主要用于人口密集區域或者滿足自動駕駛、遠程醫療、智能工廠等垂直行業的高端應用。

* * *

盡管從目前來看6G還有種種難點,但是在通信領域,技術進步是永恒的話題。特別是,在經歷了“1G空白,2G跟隨,3G突破,4G并行,5G領先”的階段之后,我國通信人已經深深地明白了一個道理,那就是——誰在移動通信領域享有更多的知識產權和專利,誰就可以享有更多的話語權,而在6G領域有更大的作為,顯然已經是中國通信業的目標之一。

通信人,永遠在路上!

關鍵詞:太赫茲 THz 頻譜帶寬 頻段 6G

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