6G候选技术关键问题研究综述.pdf
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1、第 12 卷第 4 期2023 年 7 月网络新媒体技术Vol.12 No.4Jul.2023前沿与综述6G 候选技术关键问题研究综述高 伟1 赵 洋2(1北京如易行科技有限公司北京 1001912北京市公安局东城分局北京 100007)摘要:5G 技术在推动数字经济和新兴产业迅速发展的同时,也暴露了能耗高、垂直行业应用难、单基站覆盖有限等问题。为了解决 5G 技术的短板,本文基于全球 6G 发展现状和趋势,分析了 6G 需要解决的问题,对以太赫兹通信、通信感知一体化、智能与通信融合、超大规模 MIMO、智能超表面和全双工等为核心的 6G 移动通信主要候选技术进行了研究,并对其中亟待解决的关键
2、共性问题进行了深入探讨,以期为后续的进一步研究和创新提供参考。关键词:6G,太赫兹,通信感知一体化,智能与通信融合,超大规模天线,智能超表面,全双工DOI:10.20064/ki.2095-347X.2023.04.001Survey on Key Issues of 6G Mobile CommunicationNetwork Candidate TechnologiesGAO Wei1,ZHAO Yang2(1Beijing Ruubypay Science and Technology Co.,Ltd,Beijing,100191,China,2Dongcheng Beijing Mun
3、icipal Public Security Bureau,Beijing,100007,China)Abstract:5G technology has not only promoted the rapid development of the digital economy and emerging industries,but also exposedissues such as high energy consumption,difficult vertical industry applications,and limited coverage of single base sta
4、tion.In order tosolve the shortcomings of 5G technology,the article analyzed the issues that need to be solved in 6G based on the global developmentstatus and trends of 6G.It studied the main candidate technologies for 6G mobile communication with core technologies such as tera-hertz communication,i
5、ntegrated sensing and communication,integration of intelligence and communication,ultra large scale MIMO,intelligent meta-surface,and full duplex,and deeply explored the key common issues that need to be solved,To provide reference forfurther research and innovation in the future.Keywords:6G,Teraher
6、tz,integrated sensing and communication,intelligence and communication integration,ultra-large scale an-tenna,intelligent meta-surface,full duplex本文于 2023-04-26 收到,2023-05-11 收到修改稿。0引言自第一代移动通信技术系统1问世以来,移动通信技术经历了数次技术演进和商业更迭2。当前,全球主要国家已经启动第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology,5G)规模商
7、用部署,按照“商用一代、规划一代”的发展理念,现也展开了面向第六代移动通信技术(6th Generation MobileCommunication Technology,6G)系统的愿景、场景及候选技术的研究3。本文在查阅了多篇关于 6G 路线演进和关键技术研究的学术文献2-10基础上,分析了当前全球 6G网络新媒体技术2023 年发展现状和趋势,引出 6G 需要解决的问题3,围绕当前业界重点关注的若干 6G 候选技术及相关关键问题开展综述性研究,以期为 6G 进一步的研究提供方向性指引和建议。1全球 6G 发展现状和趋势国际电信联盟(International Telecommunicat
8、ion Union,ITU)积极推进 6G 标准研制11。2022 年 3 月,ITU 启动了 6G 研究工作,明确了时间计划,并于 2022 年 6 月完成了面向 2030 及未来 IMT 技术趋势报告12,形成了 6G 总体技术框架。同时,ITU 积极开展 6G 愿景需求研究,计划 2023 年 6 月完成面向 2030及未来的 IMT 愿景建议书,以期在 6G 典型场景、关键能力指标体系等方面达成初步共识13。中美欧日韩等全球主要国家积极推进 6G 布局,加快推进 6G 关键技术研究。我国在 2018 年启动 6G 研究工作。2019 年 6 月,工业和信息化部牵头成立了中国 IMT-2
9、030(6G)推进组,该推进组聚合了中国产学研用力量,是推动我国 6G 技术研究发展的主要平台。按照规划,我国将于 2025 年推出 6G 早期应用,2030年实现全面的商业服务7。美国电信行业解决方案联盟(Alliance of Telecommunications Industry Solutions,ATIS)牵头成立 Next G 联盟,广泛邀请欧日韩等主要国家核心企业参加,对 6G 技术、网络、应用等达成共识,实现从 6G 研发、测试到商用全生态合作。欧盟在欧洲“地平线 2020”和 5G 公私合作伙伴关系(Public Pri-vate Partnership,PPP)中启动了“H
10、exa-X”、REINDEER、RISE-6G 等多个 6G 研发项目,统筹推进 5G 增强与 6G 研究,畅通技术研发、试验验证、商用试点等各环节14。日本发布B5G 推进战略纲要,提出 6G 发展目标及推进策略建议,2023 年日本将发布面向 B5G 的 ICT 新战略,进一步明确重点突破的 6G 关键技术,包括全光网络、非地面通信、开放无线网络等15。韩国目标是成为全球首个实现 6G 商用的国家,计划在20212025 年期间共投入约合 10 亿元人民币部署 6G 关键技术研究项目,2026 年进行 6G 技术的早期商业化展示,并于 2028 年启动 6G 早期商用网络部署16。6G 作
11、为 5G 的技术演进,将进一步拓展物联网的应用领域,通过人机物智能互联、协同共生,促进数字化技术和制造技术的深度融合,满足经济社会高质量发展需求3。在技术发展上,6G 将进一步加速大数据、物联网、人工智能和区块链等技术交叉融合发展,实现通信与感知、计算、控制的深度耦合,并充分利用低中高全频谱资源,实现地面通信网络、卫星通信网络及深海远洋网络一体化的全球连接。在网络能力上,6G 的传输能力会比 5G 提升 100 倍3,理论网速能达到 1 TB/s3,网络延迟也可以从 ms 级降到 s 级3,同时利用人工智能技术,可以实现网络的自优化、自维护、自演进,进一步提升网络效率。在业务应用上,6G 将形
12、成沉浸式云扩展现实(Extended Reality,XR)、全息通信、感官互联、智慧交互、通信感知、普惠智能、数字孪生和全域覆盖 8 大业务应用3,丰富的应用场景将极大提升信息通信服务质量,为人民的生活方式和产业升级带来重大变革。2 6G 需要解决的问题5G 系统拥有出色的频谱利用率、资源利用率以及数据传输速率的技术亮点,但是也存在能耗高、垂直行业应用难、单基站覆盖有限等诸多问题17。5G 难以满足的场景和需求将成为 6G 发展的关键驱动力,6G 需要重点解决以下问题18。(1)基础理论与关键核心技术的突破。面向 6G 的移动通信创新范式将发生深刻变革,潜在关键技术的范畴和深度进一步拓展。6
13、G 将突破传统移动通信边界,需要基础理论源头创新、跨学科交叉创新。(2)尽快提升产业支撑能力。与 5G 相比,6G 将支持更高的工作频段(如太赫兹或光频段)、更大的带宽(理论上可达 5G 网络最大带宽的 100 倍)、更高的传输速率(100 Gbit/s 1 Tbit/s)、更小的传输时延(几s)5,这对芯片和器件性能提出更高要求。(3)加快开展创新应用培育。应当深入挖掘 6G 核心需求,先导培育 6G 应用生态,前瞻布局元宇宙、沉浸式 XR 等 6G 创新应用生态,坚持需求牵引,孵化新业务和新应用。24 期高伟 等:6G 候选技术关键问题研究综述3 6G 候选技术与关键问题为了满足 6G 丰
14、富的业务应用以及极致的性能需求,需要传统空口技术的持续演进以及新技术领域的突破。目前业界重点关注的 6G 候选关键技术方向主要包括太赫兹通信、通信感知一体化、智能与通信融合、超大规模天线、智能超表面、同时同频全双工等3。下面对这 6 种关键候选技术及其需要解决的关键问题分别展开分析和探讨。3.1太赫兹通信技术高传输速率、高频谱利用率是 6G 技术的一个重要需求。在这方面,太赫兹通信具有独特优势。从图 1可以看到,太赫兹波同时具有微波和光波的通信特征,能够支持超高的通信传输速率(最高可达 1 Tbit/s),是现有空口传输方式的有益补充和重要的空口技术解决方案。同时,太赫兹通信信号的超大带宽以及
15、能够以极低的损耗穿透非金属或非极化物质的特点,非常适合开展高精度定位和高分辨率感知成像的应用。图 1无线电频谱中的太赫兹频段太赫兹通信技术目前存在以下关键技术亟待攻克。(1)超高速基带信号处理。6G 网络中太赫兹通信系统需要实时处理达 Tbit/s 量级的传输速率,现有高速信号处理能力和模拟-数字信号转换/数字-模拟信号转换(AD/DA)采样能力将成为一个重要的技术瓶颈。可以采用低量化精度信号处理技术,包括比特量化与信号算法的联合优化设计、联合自适应量化门限单比特解调优化以及基于概率计算的低复杂度硬件集成电路设计等19。通过降低单位符号的量化比特数,并保持系统性能维持在可接受的范围,最终实现性
16、能与复杂度的折中设计。(2)超大规模阵列天线。由于太赫兹波长非常短(3 mm 30 m),超大规模多输入多输出(Multiple-In-put Multiple-Output,MIMO)结构可以集成在更小尺寸内,从而实现太赫兹波束的高增益和空间信号预处理的灵活性。目前的太赫兹高增益天线主要采用反射面天线,发展小型化和阵列化的超大规模太赫兹 MIMO是未来 6G 无线网络必须要突破的技术难点3。同时,阵列天线也是太赫兹系统具备移动性能力的重要技术保证。然而,太赫兹超大规模阵列天线还存在很多技术难题,比如阵列关联电路的小型化问题和功耗损失问题等3。(3)信道测量和建模。从空口算法和系统设计角度而言
17、,建立精确的信道模型表征太赫兹波的传播特性是需要首先开展的几项工作之一。虽然太赫兹无线信道模型在近十年得到了很快的发展,已有一定的研究基础,但是面向 6G 还缺乏具有实际操作意义的信道模型。为了满足 6G 无线网络多样化的应用需求,后续需要在这方面加大研发投入3。3.2通信感知一体化技术通信感知一体化是指基于软硬件资源共享或信息共享,实现通信与感知功能协同的新型信息处理技术6。通感一体化技术用通信设备发射的无线信号来实现,无线信号在完成通信功能的同时,也用来进行环境感知,通过收集与分析周边环境的反射、散射、多路径传播后的无线信号,分析出周边的环境信息,从而在网络侧快速作出决策。在 6G 时代,
18、随着数字化转型的深入,对通感一体化技术方案的需求日益迫切。图 2 是 6G 环境下的通信感知一体化场景图示。3网络新媒体技术2023 年图 2感知通信一体化图示当前,通信感知一体化技术面临的主要挑战和需要重点攻克的研究方向主要有以下 4 个方面。(1)通感基础理论。尽管频带、天线等资源可以实现共用,但由于通信和感知的目的不同,需考虑在传感分辨率和通信能力之间的适度平衡,在不牺牲通信效率的前提下,获得感知能力。这里出现了一个基本的权衡:导频资源使用越多,信道估计性能越好,但会牺牲通信频谱效率。如何用合适的代价函数描述这种权衡,在各种情况下根据给定的关键绩效指标(Key Performance I
19、ndicator,KPI)设计通信感知一体系统,是评估通感一体性能最重要基础6。(2)通感硬件设计。在通感一体化系统设计中,基带和射频硬件共享是一个重要的研究领域6。硬件集成方案可以降低整体功耗、系统规模和两系统(通信系统和感知系统)之间的信息交互时延。同时,采用硬件一体化策略,在失真校正和补偿中,有利于实现感知和通信的互助功能。由于通信和感知在评估指标和算法上的差异,对硬件的要求也存在很大差异。考虑到通信和雷达系统的成本和规模,通感一体系统的硬件设计将更接近传统通信架构6。作为权衡,需要考虑该架构下对感知性能的影响。(3)通感波形设计。通信的主要目标是最大化频谱效率,而感知最佳波形设计的目标
20、是估计分辨率和精度。为了最大化地权衡二者,目前主流的思路是采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multi-plexing,OFDM)类和连续波(Continuous Wave,CW)类的联合波形作为通感一体的波形方案20。在实际应用中,需要结合不同的场景来进行取舍。(4)通信感知信道。与通信不同的是,感知的性能极大程度上依赖于环境,因此感知信道是基于地理环境类的,这与传统的随机性通信信道不同。在同一个信道下,同时评估通信与感知的性能,且仿真 2 者的干扰和影响,这对信道的研究是一个很大的挑战21。3.3智能与通信融合技术在 6G 系统中,通信技术与人工
21、智能(Artificial Intelligence,AI)技术相结合已经成为重要的发展趋势22。通过图 3 的场景,可以看到 AI 在信息调度处理、流量匹配控制、终端状态跟踪与频谱策略选择等许多方面具有重要的应用潜力,促进未来通信范式的演变和网络架构的变革。当前在 6G 系统中,智能与通信融合的相关研究重点集中在无线通信系统空口技术与无线 AI 数据集2 个共性问题上22。(1)智能无线空口技术。智能无线空口技术主要包括物理层技术和链路层技术。物理层技术方面,目44 期高伟 等:6G 候选技术关键问题研究综述图 3智能和通信融合技术场景图前的研究主要是集中在用神经网络等 AI 方法替换传统物
22、理层基本功能模块或进行后台优化,虽然这些不能从根本上实现智能与通信的融合,但是可以在性能和复杂度上带来很大的提高22。链路层技术方面,目前的研究主要集中在使用基于智能体的无线资源管理方法,通过数据采集、训练和推理来实现性能上的提升22。(2)无线 AI 数据集。无线 AI 研究需要高质量的数据,目前的研究主要集中于共享数据集的构建22。典型的无线 AI 研究数据集包括 5 个子数据集:信道数据集(对信道状态的记录)、环境数据集(对客观环境的描述)、经验数据集(对网络状态、决策和性能的记录)、用户画像数据集(对用户属性、行为的描述)和预训练模型数据集(预训练好的神经网络模型和参数)。基于对这 5
23、 个子数据集的信息界定,通过预训练模型的训练和推理,来辅助通信中的各个任务,让网络更加智能。3.4超大规模天线技术经过多年发展,大规模 MIMO 技术在理论研究和系统设计方面都取得了显著的成果23,目前已经走向大规模商用,成为系统频谱效率提升的重要手段之一。面向未来 6G 发展,提升频谱效率仍将是一个重要的性能指标,超大规模 MIMO 技术是 5G 大规模 MIMO 技术的进一步演进升级,更高的工作频段也为超大规模MIMO 的部署提供了便利条件,通过部署超大规模的天线阵列,可以获得更高的频谱效率、更广更灵活的网络覆盖、更高的定位精度等3。当前,对超大规模天线技术的研究主要集中在以下 4 个方面
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