淺析6G無線通信技術及應用

人工智能AI、虛擬現實VR、物聯網IoT等各種自動系統應用的快速發展，帶來了巨大的流量，自動系統在社會的各個領域流行，數以百萬計的傳感器被集成到城市、工業、汽車、家庭等各種環境中，以提供智能化、自動化的工作及生活，需要具有更加可靠連接的高數據速率來支持這些應用程序。

與4G通信相比，盡管5G網絡提供大帶寬、新的QoS、新技術如毫米波等，但以數據為中心的自動化系統的快速增長已然超過了5G無線網絡的能力，5G通信在很大程度上忽視了通信、智能、傳感、控制和計算等功能的融合，未來的物聯網應用將需要融合特定設備，要求至少10Gbit/s的數據速率，隨著5G能力達到極限，新的設計目標需要引進6G技術。

與4G/5G通信相比，6G網絡技術和支持能力要求更高，如表1所示。

表1? 6G與4G、5G通信技術能力比較

?6G新興技術發展包括太赫茲波段、人工智能、光無線通信（OWC）、3D網絡、無人機UAV、智能反射表面IRS和無線功率傳輸等，6G通信將通過引入這些新技術的融合，實現各種系統功能特性：無處不在移動超寬帶(uMUB)、超高速低延遲通信(uHSLLC)、大規模機器通信(mMTC)、超高數據密度(uHDD)。應用場景如圖1所示。

圖1? 6G通信的應用架構場景

從移動網絡的發展歷程來看，6G網絡技術大多基于5G架構，繼承5G優勢并增加改進部分新技術。

3.1? 人工智能

5G通信系統支持部分或非常有限的人工智能，而6G將完全支持AI的自動化。人工智能在6G階段將充分發揮作用，實現從認知無線向智能無線的轉變，機器學習的進步為6G中實時通信創造了更多的智能網絡,在通信中引入人工智能將簡化和改善實時數據的傳輸。

機器學習有可能應用于射頻信號處理、頻譜挖掘和頻譜映射,將光子技術與機器學習相結合，推動人工智能在6G中的進化，從而構建一個基于光子的認知無線電系統。物理層采用基于人工智能的編解碼器，深度學習信道狀態估計，自動調制分類，在數據鏈路層和傳輸層，基于深度學習的資源分配、智能流量預測和控制被廣泛研究以滿足6G需求。人工智能技術將有助于實現6G通信中uMUB、uHSLLC、mMTC和uHDD服務的目標。

3.2? 太赫茲通信

太赫茲（THz）波又稱亞毫米輻射，通常指0.1-10 THz頻帶，對應波長在0.03-3 mm。根據ITU-R建議，275 GHz-3THz是太赫茲通信頻段的主要部分，6G通信的容量將通過增加太赫茲波段(275GHz-3THz)到mmWave波段(30-300GHz)來提升。275GHz-3THz范圍內的波段還沒有在全球范圍內被分配用于任何用途，因此具有實現理想的高數據速率的潛力。當這個太赫茲波段添加到現有的mmWave波段時，總波段容量至少增加11.11倍。

5G引入了mmWave頻率以實現更高的數據速率，并支持新的應用。然而，6G的目標是將頻帶邊界推向太赫茲以滿足更高的需求，太赫茲頻段將在6G通信中成為高數據速率通信的前沿領域。

3.3? 光無線技術

除了基于射頻的通信，光無線（OWC）技術還可用于6G通信，用于所有可能的設備接入網絡，這些還可以連通到前端/回傳網絡連接。光保真、可見光通信(VLC)、光學攝像機通信、基于光帶的FSO通信等OWC技術已經成為眾所周知的技術。這些通信技術將廣泛應用于V2X通信、室內移動機器人定位、VR和水下OWC等應用。基于無線光學技術的通信可以提供非常高的數據速率、低延遲和安全。

基于光學波段的激光雷達是6G通信中的高分辨率三維測繪技術,OWC將增強uMUB、uHSLLC、mMTC和uHDD服務在6G通信系統中的支持。發光二極管(LED)技術和多路復用技術的發展是6G中OWC的2個關鍵驅動因素，基于不同波長的白光將有利于通過波分多路復用加速吞吐量性能，導致超高速數據速率VLC接入點能達到100+Gbps,microLED陣列的大規模并行化將進一步提高6G通信目標Tbps的數據速率。

3.4? 無線光通信前端/回傳網絡

由于地理位置偏遠和連接復雜，不可能總有光纖連接作為回程網絡，為小型蜂窩網絡部署光纖鏈路可能不是一種經濟有效的解決方案。FSO前端/回傳網絡正在超5G通信系統中嶄露頭角，FSO系統的發射和接收特性與光纖網絡相似，FSO是在6G中提供前端/回傳連接的優秀技術。

利用無線光通信，甚至可以在1萬公里以上的遠距離進行通信。FSO支持海洋、外空、水下、孤島等偏遠和非偏遠地區的大容量回傳連接。無線光通信前端/回傳是5G和6G網絡中常見的問題，而在6G中更為關鍵，一是它需要更高的前路/回傳連接容量，二是與5G相比，它將需要更多的遠程連接。FSO通信可以同時支持這2種功能，成為6G通信系統提升uMUB和uHSLLC服務的關鍵因素。

3.5? 大規模MIMO和智能反射表面IRS

大規模MIMO技術是6G系統支持uHSLLC、mMTC和uHDD服務的關鍵。與5G相比，6G無線系統將從傳統的大規模MIMO轉向智能反射表面IRS，為無線通信和異構設備提供大型表面。IRS是一種新興的硬件技術，在節能綠色通信方面具有巨大的潛力，也被稱為超表面，由許多反射二極管單元組成，可以反射任何入射的電磁信號與可調的相移，這些重構智能表面材料可集成指數調制來提高6G網絡的頻譜效率，利用可調的反射移相信號和發射信號，還可以提高系統的能量效率。在即將到來的6G網絡中，這種技術將被認為是最大限度地提高數據速率和最小化傳輸功率的解決方案。

3.6? 區塊鏈

區塊鏈是未來通信系統中管理海量數據的關鍵技術，區塊鏈是分布式賬本技術的一種形式。分布式賬本是分布在多個節點或計算設備上的數據庫，每個節點復制并保存一個相同的分類賬副本，點對點網絡管理區塊鏈，可以不受中央授權機構或服務器的控制而存在。區塊鏈上的數據被聚集在一起，并被構造成塊，這些塊使用密碼學連接和保護，區塊鏈本質上是對大規模物聯網的完美補充，具有更好的安全性、私密性、互操作性、可靠性和可擴展性。因此，區塊鏈技術將為6G通信系統的海量連接提供跨設備互操作性、海量數據的可追溯性、不同物聯網系統的自主交互、可靠性等多項設施，以達到uHSLLC服務的目標。

3.7? 3D網絡

6G系統將集成地面和機載網絡，為垂直擴展的用戶提供通信支持。3D基站是通過低軌道衛星和無人機提供的，在高度和相關自由度方面增加了新的維度，使得3D連接與傳統的2D網絡有很大的不同，6G異構網絡將提供3D覆蓋，將地面網絡、無人機網絡、衛星系統相結合的分散6G網絡，真正實現全球覆蓋和嚴格的無縫接入，甚至覆蓋海洋和山區。

3.8? 量子通信

先進的量子計算和量子通信技術將在6G中部署，以提供嚴格的安全性來抵御各種網絡攻擊。新興的量子計算范式、量子機器學習及其與通信網絡的協同作用被認為是6G的核心促成因素，量子計算和工程的升級需要解決復雜的任務，量子通信采用基于量子不可克隆定理和不確定性原理的量子密鑰，提供了較強的安全性。這些信息用光子或量子粒子編碼在量子態中，根據全量子原理，在不篡改的情況下無法訪問或克隆。此外，由于量子比特的疊加特性，量子通信提高了吞吐量。

3.9? 無人機

無人機UAV是6G無線通信的一個基本元素。在許多情況下，使用無人機技術提供高數據速率的無線連接。基站實體安裝在無人機上，以提供蜂窩連接。無人機具有固定基站基礎設施中不具備的某些特點，如易于部署、強大的視線連接和具有可控制機動性的自由度。在諸如自然災害等緊急情況下，地面通信基礎設施的實施在經濟上是不可行的，有時也不可能在動蕩的環境中提供任何服務，無人機可以很容易地處理這些情況。無人機將成為無線通信領域的新方式。該技術可以滿足uMUB、uHSLLC、mMTC和uHDD等無線網絡的基本需求。無人機還可以用于多種目的，如加強網絡連接、火災探測、災難發生時的應急服務、安全和監控、污染監測、停車監測、事故監測等。

3.10? 無蜂窩通信

多頻率和不同通信技術的緊密集成將是6G系統的關鍵。因此，用戶將無縫地從一個網絡轉移到另一個網絡，而不需要在設備中進行任何手動配置。在6G中，傳統的蜂窩通信和正交通信的概念將分別轉變為無蜂窩通信和非正交通信，最好的網絡是從現有的通信技術中自動選擇出來的，這將打破無線通信中蜂窩概念的限制。

6G無蜂窩通信將克服所有切換失敗、切換延遲、數據丟失和乒乓效應問題，并提供更好的服務質量。無蜂窩通信將通過多連通性和多層混合技術以及在設備中使用不同的和異構的無線技術來實現。

3.11? 無線信息與能量傳輸的集成

無線信息與能量傳輸的集成（WIET）在通信領域將是6G中最具創新性的技術之一，WIET使用與無線通信系統相同的領域和波段，傳感器和智能手機在通信過程中通過無線電力傳輸來充電，WIET是一種延長電池充電無線系統壽命的技術。因此，沒有電池的設備也可支持6G連接。

3.12? 感知通信集成

自主無線網絡的一個關鍵驅動因素是能夠持續感知環境的動態變化狀態，并在不同節點之間交換信息。在6G中，傳感系統將與通信系統緊密集成，以支持自主系統。海量的感知對象、復雜的通信資源、多級計算資源和多級緩存資源是實現這一集成的真正挑戰因素。

3.13? 接入回傳網絡整合

6G接入網的密度將是巨大的，每個接入網都涉及回傳連接，如光纖和FSO網絡。接入和回傳網絡緊密集成足以處理大多數接入網網絡接入。

3.14? 動態網絡切片

動態網絡切片允許網絡運營商允許專用虛擬網絡支持向廣泛的用戶、車輛、機器和行業提供任何服務的優化交付。在6G通信系統中許多用戶連接到大量異構網絡是管理的基本要素之一。軟件定義的網絡和網絡功能虛擬化是實現動態網絡切片的基本技術，也影響了云計算在網絡管理中的規范，如網絡有一個集中的控制器來動態地引導和管理流量，編排網絡資源分配以實現性能優化。

3.15? 全息波束

波束形成是一種信號處理過程，通過它可以引導天線陣列向特定方向發射無線電信號。它是智能天線或先進天線系統的一個子集，該波束形成技術具有高信噪比、抗干擾能力強、網絡效率高等優點。全息波束形成(HBF)是一種新的波束形成方法，它采用軟件定義的天線，與MIMO系統有很大的不同。HBF是6G中有效、靈活地傳輸和接收多天線通信設備信號的一種有利方法。在物理層安全、無線功率傳輸、增加網絡覆蓋和定位等領域，HBF可以發揮重要作用。

3.16? 大數據分析

大數據分析是分析各種大數據集或大數據的復雜過程，揭示信息，如隱藏的模式、未知的關聯和客戶傾向，以確保全面的數據管理。大數據從各種各樣的來源收集，如視頻、社交網絡、圖像和傳感器，該技術廣泛應用于6G系統中處理大量數據。利用海量數據、大數據分析和深度學習工具的前景有望通過自動化和自我優化推進6G網絡，大數據分析應用的一個例子是端到端延遲減少，機器學習和大數據的結合將通過預測分析確定用戶數據的最佳路徑，以減少6G系統的端到端延遲。

3.17? 后向散射通信

環境后向散射無線通信通過使用現有的射頻信號，如環境電視和蜂窩傳輸，使2個無電池設備之間能夠相互作用，在較短的通信范圍內可以實現合理的數據速率。微小的監測信號可以通過不消耗任何能量的傳感器傳輸，后向散射通信系統中的無電池節點使其成為未來6G網絡中大規模連接的候選技術。而在這樣的系統中，獲取網絡節點的準確相位和信道狀態是一個關鍵的要求，非相干通信可以被認為是滿足這些要求的一個有前途的使能。此外，非相干后向散射通信可以在網絡設備中提供優化的資源利用和業務增強。

3.18? 主動緩存

大規模部署6G小型蜂窩網絡是顯著提高網絡容量、覆蓋率和移動性管理的關鍵手段之一，這將在基站上造成巨大的下行鏈路流量過載，主動緩存已經成為減少訪問延遲和流量卸載、提高用戶體驗質量的基本解決方案。研究主動內容緩存、干擾管理、智能編碼方案和調度技術聯合優化對6G通信是必不可少的。

3.19? 移動邊緣計算

由于分布式的海量云應用，移動增強邊緣計算(MEEC)成為6G技術的重要組成部分。基于人工智能的MEEC的實現將充分利用大數據分析和系統控制的計算，邊緣智能是一種新興的規范，它滿足了即將到來的異構計算、通信和高維智能配置的通用服務場景的刺激性需求。

6G技術能力特征中，系統的同時無線連接能力將比5G系統高1 000倍，與5G中的增強移動寬帶（eMBB）相比，6G將提供無處不在的網絡服務uMUB，超可靠低延遲是5G通信的一個關鍵特性，它也將成為提供uHSLLC的6G通信的關鍵因素。6G通信系統將提供大規模連接設備（高達1 000萬/km²），提供任意覆蓋地區Gbit/s級別速率，甚至新覆蓋環境如天空(10 000 km)和海洋(20 n mile)，6G系統將提供超長的電池壽命和用于能量收集的先進電池技術，在6G系統中移動設備不需要單獨充電。

針對不同的6G服務類型可以展示uMUB、uHSLLC、mMTC和uHDD不同特征業務下適用的6G技術，每種技術都可以增強1個或多個服務，如表2所示。

表2 不同6G服務下的新興技術特征

全人工智能將被集成到6G通信系統中，所有的網絡儀表、管理、物理層信號處理、資源管理、基于業務的通信等都將使用AI進行融合，它將催生工業制造業數字化轉型。

5.1??超級智能社會

6G網絡的基于人工智能的M2M通信和能源收集，將加速智能社會的建設。目前以數據為中心的自動化系統發展已經超過了5G的水平，在一些應用領域如XR設備甚至要求超過10Gbit/s的傳輸速率。6G系統將有助于促進無人車等業務的真正部署，6G系統中mMUB和uHLSLLC服務將提供可靠的車輛到一切和車輛到服務器的連接支持、支持地面控制器和無人機與地面之間的系統通信。通過智能移動設備等使用，6G無線連接將使社會變得超級智能。

5.2??擴展現實服務

擴展現實XR是指由計算機技術和可穿戴設備產生的所有真實和虛擬環境以及人機交互的結合，集合了增強現實(AR)、混合現實(MR)和虛擬現實(VR) 等所有的表現形式，是6G通信系統的基本特征，所有這些功能都使用3D對象和AI作為其關鍵驅動元素。

除提供計算、認知、存儲、人類感官、生理等感知需求外，6G將通過聯合設計集成和高質量的無線連接，提供真正沉浸式的AR/MR/VR體驗，可穿戴設備(如XR)的高級功能、高清圖像、全息影像及五感通信等加速了人與人之間、物與物之間通信的機會，提供游戲、體育等創新娛樂和企業服務而不受時間和地點限制，6G系統提供的高數據速率、低延遲和高可靠的無線連接促進真正的XR體驗。6G服務uHLSLLC將使XR應用在未來成功部署。

5.3??無線腦機交互

腦機接口(brain-computer interface,BCI)是一種控制智能社會中日常使用的家電的方法，特別是家用電器和醫療器械，它是大腦和外部設備之間的直接通信路徑。BCI獲取大腦信號，將其傳輸到數字設備，并分析和解釋這些信號為進一步的命令或行動。與5G相比，無線BCI要求有保證的高數據速率、超低延遲和超高可靠性，如XR和多腦控制電影院、腦到物通信都需要非常高的吞吐量(>10 Gbit/s)和超可靠的連接。uHLSLLC和uMTC在6G無線通信中的功能將支持BCI系統在智能生活中的實現。

5.4??觸覺通信

6G無線通信將支持觸覺通信，遠程用戶能夠通過實時交互系統享受觸覺體驗，這種類型的交流被廣泛應用于人工智能和機器人傳感器等領域，如殘疾人通過觸摸學習、外科手術中的醫療觸覺方式等。6G通信網絡的uHLSLLC、mMTC和uHDD特性可以促進觸覺系統和應用的實現。

5.5??智能醫療和生物醫學通信

醫療衛生系統也將受益于6G無線網絡，因為AR/VR、全息遠程呈現、移動邊緣計算和人工智能等創新將有助于構建智能醫療系統。6G網絡將為醫療系統提供可靠的遠程監控系統，甚至遠程手術也可以通過6G通信實現。高數據速率、低延遲、超可靠的6G網絡將有助于快速可靠地傳輸大量醫療數據，提高醫療服務的可訪問性和醫療質量。另外，太赫茲作為6G的關鍵技術之一，在醫療保健服務中具有潛在的用途，如在皮膚醫學、口腔保健、制藥工業和醫學成像方面的太赫茲脈沖成像。

此外，生物醫學通信是6G無線通信系統的一個重要前景。提供無電池通信技術的體內傳感器主要用于可靠和長期監測，應用于臨床診斷、運動和人機界面。6G的uMUB和uHLSLLC服務可以表征這些應用。

5.6??萬物互聯

5G被認為是IoE的開端，解決了從標準化到商業化的諸多挑戰。6G系統將提供全面的IoE支持，IoE用于智能社會如智能汽車、智能健康和智能行業，節能傳感器節點的使用被認為是在6G中支持大規模IoE連接的關鍵因素之一。低功耗廣域網絡(LPWAN)具有支持廣域覆蓋(多達20 km)網絡的潛力，且電池壽命長(>10年)和部署成本低，LPWAN參與了大多數IoE用例。本應用程序支持6G通信的uMUB、uHLSLLC、uHDD等特性。

隨著信息通信不斷發展，5G終將無法完全滿足無線通信不斷增長的需求，而關于6G的研究推出仍處于起步和研究階段。本文對實現6G通信目標的技術和應用前景進行了研究，深入探討6G通信關鍵技術特性和部署，展望未來6G通信目標可能的應用前景和方向，為后續6G技術的研究設計發展提供參考。