下一个目标是6G

据国外媒体近日报道,位于加拿大渥太华的华为实验室已经开始研发6G技术。今年6月,诺基亚爱立信SK电讯宣布建立战略合作伙伴关系,共同致力于6G开发。

2018年7月,国际电信联盟成立了2030网络技术的研究组。目前,美国、中国、日本、韩国、芬兰等国家,都已踏上6G研发赛道。今年2月,美国总统特朗普连发推特称:“我想要5G甚至6G尽快进入美国。”此后不到1个月,美国开始部署6G的研究。

而早在2018年3月,工业和信息化部部长苗圩在接受采访时就提到,中国在2018年年初已经开启了着手研究6G,在2018年12月,中国移动中国联通中国电信、中国信通院、华为中兴大唐、OPPO、vivo9家企业已经联手开始启动了《后5G系统愿景与需求》的项目。

不难看出,6G已经成为全球通信业的下一个目标。

什么是6G?

6G,即第六代移动通信技术。6G将是一个地面无线与卫星通信集成的全连接世界。通过将卫星通信整合到6G移动通信,实现全球无缝覆盖,网络信号能够抵达任何一个偏远的乡村,让山区深处的病人能接受远程医疗,让孩子能接受远程教育。此外,在全球卫星定位系统、电信卫星系统、地球图像卫星系统和6G地面网络的联动支持下,地空全覆盖网络还能帮助人类预测天气、快速应对自然灾害等。这就是6G的未来。6G通信技术不再是简单的网络容量和传输速率的突破,它更是为了缩小数字鸿沟,实现万物互联这个“终极目标”,这便是6G的意义。

2018年9月在北美举行的美国世界移动通信大会上,美国联邦通信协会专员Jessica Rosenworcel女士表示:“6G将使用太赫兹(THz)频段,且6G网络的‘致密化’程度也将达到前所未有的水平,届时,我们的周围将充满小基站。”

什么是太赫兹?

太赫兹频段是指100GHz~10THz,是一个比5G频率高出许多的频段。从通信1G的频率(0.9GHz)到现在的4G频率(1.8GHz以上),我们使用的无线频率在不断升高。因为频率越高,允许分配的带宽范围越大,单位时间内所能传递的数据量就越大,也就是我们通常说的“网速变快了”。

不过,频段向高处发展的另一个主要原因在于,低频段的资源有限。就像一条公路,即便再宽阔,所容纳车量也是有限的。当路不够用时,车辆就会阻塞无法畅行,此时就需要考虑开发另一条路。

频谱资源也是如此,随着用户数和智能设备数量的增加,有限的频谱带宽就需要服务更多的终端,这会导致每个终端的服务质量严重下降。而解决这一问题可行的方法便是开发新的通信频段,拓展通信带宽。

为什么6G网络将“致密化”?

这就涉及基站的覆盖范围问题,也就是基站信号的传输距离问题。一般来说,影响基站覆盖范围的因素比较多,比如信号的频率、基站的发射功率、基站的高度等。就信号的频率而言,频率越高则波长越短,所以信号的绕射能力(也称衍射,在电磁波传播过程中遇到障碍物,这个障碍物的尺寸与电磁波的波长接近时,电磁波可以从该物体的边缘绕射过去,绕射可以帮助进行阴影区域的覆盖)就越差,损耗也就越大。这种损耗会随着传输距离的增加而增加,基站所能覆盖的范围会随之减小。6G信号的频率已经在太赫兹级别,而这个频率已经进入分子转动能级的光谱了,很容易被空气中的水分子吸收,所以在空间传播的距离不像5G信号那么远,6G需要更多的基站“接力”。

5G使用的频段要高于4G,在不考虑其他因素的情况下,5G基站的覆盖范围自然要比4G的小。到了频段更高的6G,基站的覆盖范围会更小。因此,5G的基站密度要比4G高很多,而在6G时代,基站密集度将无以复加。

6G能用意念网购?

这个大胆的想象听起来很像是科幻电影里的场景。北京邮电大学通信专家张平教授在他的论文《6G移动通信技术展望》中认为,6G技术会和AI紧密相连。6G时代,AI的进一步发展,将实现真实世界到虚拟世界的延展。也就是说,通过AR/VR、AI、6G等各项技术,可以把真实世界采样、传输和重构成虚拟世界,人可以用意念来驱动网络。

在这10年的时间里,大量技术都会更新迭代,还会有新的技术不断涌现,那时候或许真的能用大数据来读懂人的意念了。

具体实施难点不少

目前,5G还未普及,就6G而言,现在还没有明确的目标和正式的愿景,所以全部企业和国家的研发,都属于前期理论研发。

但通信领域有广为流传的“使用一代、研究一代、储备一代”的说法。如今5G的标准已经初步制定完毕,整个标准在3GPP框架下完成要在2021年左右。现在开始启动6G的研发正当其时,看看5G还有什么不足之处,需要6G来补充。

同时,6G前景畅想起来虽然美好,但是目前看来,仍有许多技术和实施难题需要解决,主要集中在以下几点——

路线方案尚需验证

“目前,国际通信技术研发机构相继提出了多种实现6G的技术路线,但这些方案都处于概念阶段,能否落实还需验证。”专家表示,芬兰奥卢大学无线通信中心是全球最先开始6G研发的机构,目前正在从无线连接、分布式计算、设备硬件、服务应用四个领域着手研究。

无线连接是利用太赫兹甚至更高频率无线电波实现通信;分布式计算则是通过人工智能、边缘计算等算法解决大量数据带来的时延问题;设备硬件主要面向太赫兹通信,研发对应的天线、芯片等硬件;服务应用则是研究6G可能的应用领域,如自动驾驶等。“目前也只是有这四个方向,具体的细节还没有明确”。

据了解,韩国SK集团信息通信技术中心曾在2018年提出了“太赫兹+去蜂窝化结构+高空无线平台(如卫星等)”的6G技术方案,不仅应用太赫兹通信技术,还要彻底变革现有的移动通信蜂窝架构,并建立空天地一体的通信网络。

空间复用技术难度大

在技术上,6G将使用“空间复用技术”,6G基站将可同时接入数百个甚至数千个无线连接,其容量将可达到5G基站的1000倍。前面说到6G将要使用的是太赫兹频段,虽然这种高频段频率资源丰富、系统容量大,但是使用高频率载波的移动通信系统要面临改善覆盖和减少干扰的严峻挑战。

当信号的频率超过10GHz时,其主要的传播方式就不再是衍射。对于非视距传播链路来说,反射和散射才是主要的信号传播方式。同时,频率越高,传播损耗越大,覆盖距离越近,绕射能力越弱。这些因素都会大大增加信号覆盖的难度。

推广应用成本高昂

“无线通信进一步发展,大量投资必不可少。”专家谈到,要提高通信速率有两个方案:一是基站更密集,部署量增加,虽然基站功率可以降低,但数量增加仍会带来成本上升。第二种方案就是使用更高频率通信,比如太赫兹或者毫米波,但高频率对基站、天线等硬件设备的要求更高,现在进行太赫兹通信硬件试验的成本都非常高,超出一般研究机构的承受能力。另外,从基站天线数上看,4G基站天线数只有8根,5G能够做到64、128甚至256根,6G的天线可能会更多,基站的更换也会提高应用成本。

“不改变现有的通信频段,只依靠通过算法优化等措施很难实现设想的6G愿景,全部替换所有基站也不现实。”专家认为,未来很有可能采取非独立组网的方式,即在原有基站等设施的基础上部署6G设备,6G与5G甚至4G、4.5G网络共存,6G主要用于人口密集区域或者满足自动驾驶、远程医疗、智能工厂等垂直行业的高端应用。

* * *

尽管从目前来看6G还有种种难点,但是在通信领域,技术进步是永恒的话题。特别是,在经历了“1G空白,2G跟随,3G突破,4G并行,5G领先”的阶段之后,我国通信人已经深深地明白了一个道理,那就是——谁在移动通信领域享有更多的知识产权和专利,谁就可以享有更多的话语权,而在6G领域有更大的作为,显然已经是中国通信业的目标之一。

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