基本概念
6G，即第六代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)概念性無線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信技術(shù)，也被稱為第六代移動(dòng)通信技術(shù)。主要促進(jìn)的就是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
6G網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)地面無線與衛(wèi)星通信集成的全連接世界。通過將衛(wèi)星通信整合到6G移動(dòng)通信，實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋，網(wǎng)絡(luò)信號能夠抵達(dá)任何一個(gè)偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村，讓深處山區(qū)的病人能接受遠(yuǎn)程醫(yī)療，讓孩子們能接受遠(yuǎn)程教育。此外，在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、電信衛(wèi)星系統(tǒng)、地球圖像衛(wèi)星系統(tǒng)和6G地面網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動(dòng)支持下，地空全覆蓋網(wǎng)絡(luò)還能幫助人類預(yù)測天氣、快速應(yīng)對自然災(zāi)害等。這就是6G未來。6G通信技術(shù)不再是簡單的網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸速率的突破，它更是為了縮小數(shù)字鴻溝，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)這個(gè)“終極目標(biāo)”，這便是6G的意義。
6G的數(shù)據(jù)傳輸速率可能達(dá)到5G的50倍，時(shí)延縮短到5G的十分之一，在峰值速率、時(shí)延、流量密度、連接數(shù)密度、移動(dòng)性、頻譜效率、定位能力等方面遠(yuǎn)優(yōu)于5G。4
發(fā)展歷程中國
2019年11月3日，科技部會(huì)同發(fā)展改革委、教育部、工業(yè)和信息化部、中科院、自然科學(xué)基金委在北京組織召開6G技術(shù)研發(fā)工作啟動(dòng)會(huì)。會(huì)議宣布成立了國家6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組、國家6G技術(shù)研發(fā)總體專家組。3
2019年11月20日，2019世界5G大會(huì)獲悉，中國聯(lián)通和中國電信已分別展開6G相關(guān)技術(shù)研究。8
2019年11月，2019年全球首份6G白皮書《6G無線智能無處不在的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)與研究挑戰(zhàn)》發(fā)布。白皮書中指出，6G的大多數(shù)性能指標(biāo)相比5G將提升10到100倍。在6G時(shí)代，1秒下載10部同類型高清視頻成為可能9。
2019年以來，廣東省新一代通信與網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院（粵通院）聯(lián)合清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京交通大學(xué)、中興通訊股份有限公司、中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院共同開展了 6G 信道仿真、太赫茲通信、軌道角動(dòng)量等 6G 熱點(diǎn)技術(shù)研究。10
2020年11月，北郵6G項(xiàng)目獲得2020年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“寬帶通信與新型網(wǎng)絡(luò)”重點(diǎn)專項(xiàng)資助。11
國外2018年，芬蘭開始研究6G相關(guān)技術(shù)。
2019年3月15日，美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）一致投票通過開放“太赫茲波”頻譜的決定，以期其有朝一日被用于6G服務(wù)1。3月24日至26日，芬蘭拉普蘭舉行關(guān)于6G的的國際會(huì)議。
歐盟、俄羅斯等也正在緊鑼密鼓地開展相關(guān)工作。
三星電子公司和LG電子公司都在2019年設(shè)立6G研究中心，2020年7月14日三星電子發(fā)布了《下一代超連接體驗(yàn)》白皮書。
2020年4月8日，日本總務(wù)省發(fā)布了2025年在國內(nèi)確立6G主要技術(shù)的戰(zhàn)略目標(biāo)，希望在2030年實(shí)現(xiàn)6G實(shí)用化。4同年，斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究院的科學(xué)家們開發(fā)了一種技術(shù)，并研制出了用于開發(fā)俄羅斯第六代通信系統(tǒng)（6G）組件的設(shè)備。斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究院研制的設(shè)備為開發(fā)6G系統(tǒng)組件開辟了新的前景，特別是太赫茲到光波段的信號轉(zhuǎn)換器。 第六代領(lǐng)域的研究是在“國家技術(shù)倡議”無線通訊技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)能力中心活動(dòng)框架內(nèi)進(jìn)行的。該院在研發(fā)過程中依靠的是先進(jìn)的科學(xué)和實(shí)驗(yàn)室設(shè)施以及與俄羅斯領(lǐng)先公司的生產(chǎn)聯(lián)系。新設(shè)備可允許模擬波長為1.5微米的光輻射，頻率為10GHz的電信號。12
2020年12月16日消息，日本正在瞄準(zhǔn)6G目標(biāo)，采取多項(xiàng)措施推進(jìn)6G研發(fā)。日本追加預(yù)算中，更是撥款用于促進(jìn)6G研發(fā)，試圖加大力度推進(jìn)6G研發(fā)，在下一個(gè)賽道搶占市場先機(jī)。13
相關(guān)技術(shù)太赫茲頻段6G將使用太赫茲（THz）頻段，且6G網(wǎng)絡(luò)的“致密化”程度也將達(dá)到前所未有的水平，屆時(shí)，我們的周圍將充滿小基站。太赫茲頻段是指100GHz-10THz，是一個(gè)頻率比5G高出許多的頻段。從通信1G（0.9GHz）到4G（1.8GHZ以上），我們使用的無線電磁波的頻率在不斷升高。因?yàn)轭l率越高，允許分配的帶寬范圍越大，單位時(shí)間內(nèi)所能傳遞的數(shù)據(jù)量就越大，也就是我們通常說的“網(wǎng)速變快了”。不過，頻段向高處發(fā)展的另一個(gè)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(dāng)路不夠用時(shí)，車輛就會(huì)阻塞無法暢行，此時(shí)就需要考慮開發(fā)另一條路。頻譜資源也是如此，隨著用戶數(shù)和智能設(shè)備數(shù)量的增加，有限的頻譜帶寬就需要服務(wù)更多的終端，這會(huì)導(dǎo)致每個(gè)終端的服務(wù)質(zhì)量嚴(yán)重下降。而解決這一問題的可行的方法便是開發(fā)新的通信頻段，拓展通信帶寬。我國三大運(yùn)營商的4G主力頻段位于1.8GHz-2.7GHz之間的一部分頻段，而國際電信標(biāo)準(zhǔn)組織定義的5G的主流頻段是3GHz-6GHz，屬于毫米波頻段。到了6G，將邁入頻率更高的太赫茲頻段，這個(gè)時(shí)候也將進(jìn)入亞毫米波的頻段。中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員茍利軍告訴《互聯(lián)網(wǎng)周刊》說：“太赫茲在天文中被稱為亞毫米，這類天文臺(tái)的站點(diǎn)一般很高而且很干燥 ，比如南極，還有智利的acatama沙漠?！蹦敲?，為什么說到了6G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)“致密化”，我們的周圍會(huì)充滿小基站？這就涉及到了基站的覆蓋范圍問題，也就是基站信號的傳輸距離問題。一般而言，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(fā)射功率、基站的高度、移動(dòng)端的高度等。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(gè)障礙物的尺寸與電磁波的波長接近時(shí)，電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。繞射可以幫助進(jìn)行陰繞射可以幫助進(jìn)行陰影區(qū)域的覆蓋）就越差，損耗也就越大。并且這種損耗會(huì)隨著傳輸距離的增加而增加，基站所能覆蓋到的范圍會(huì)隨之降低。6G信號的頻率已經(jīng)在太赫茲級別，而這個(gè)頻率已經(jīng)接近分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級的光譜了，很容易被空氣中的被水分子吸收掉，所以在空間中傳播的距離不像5G信號那么遠(yuǎn)，因此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(huì)更小。因此，5G的基站密度要比4G高很多，而在6G時(shí)代，基站密集度將無以復(fù)加。
**相關(guān)進(jìn)展：**2020年9月1日新聞報(bào)道稱，太赫茲光子學(xué)組件研究獲重大突破，有助造出廉價(jià)緊湊型量子級聯(lián)激光器，實(shí)現(xiàn)6G電信連接。14
空間復(fù)用技術(shù)6G將使用“空間復(fù)用技術(shù)”，6G基站將可同時(shí)接入數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)無線連接，其容量將可達(dá)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(tǒng)容量大。但是使用高頻率載波的移動(dòng)通信系統(tǒng)要面臨改善覆蓋和減少干擾的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
當(dāng)信號的頻率超過10GHz時(shí)，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(shí)，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(huì)大大增加信號覆蓋的難度。不止是6G，處于毫米波段的5G也是如此。而5G則是通過Massive MIMO和波束賦形這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)來解決此類問題的。我們的手機(jī)信號連接的是運(yùn)營商基站，更準(zhǔn)確一點(diǎn)，是基站上的天線。Massive MIMO技術(shù)說起來挺簡單，它其實(shí)就是通過增加發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量，即設(shè)計(jì)一個(gè)多天線陣列，來補(bǔ)償高頻路徑上的損耗。在MIMO多副天線的配置下可以提高傳輸數(shù)據(jù)數(shù)量，而這用到的便是空間復(fù)用技術(shù)。在發(fā)射端，高速率的數(shù)據(jù)流被分割為多個(gè)較低速率的子數(shù)據(jù)流，不同的子數(shù)據(jù)流在不同的發(fā)射天線上在相同頻段上發(fā)射出去。由于發(fā)射端與接收端的天線陣列之間的空域子信道足夠不同，接收機(jī)能夠區(qū)分出這些并行的子數(shù)據(jù)流，而不需付出額外的頻率或者時(shí)間資源。這種技術(shù)的好處就是，它能夠在不占用額外帶寬、消耗額外發(fā)射功率的情況下增加信道容量，提高頻譜利用率。不過，MIMO的多天線陣列會(huì)使大部分發(fā)射能量聚集在一個(gè)非常窄的區(qū)域。也就是說，天線數(shù)量越多，波束寬度越窄。這一點(diǎn)的好處在于，不同的波束之間、不同的用戶之間的干擾會(huì)比較少，因?yàn)椴煌牟ㄊ加懈髯缘木劢箙^(qū)域，這些區(qū)域都非常小，彼此之間不怎么有交集。但是它也帶來了另外一個(gè)問題：基站發(fā)出的窄波束不是360度全方向的，該如何保證波束能覆蓋到基站周圍任意一個(gè)方向上的用戶？這時(shí)候，便是波束賦形技術(shù)大顯神通的時(shí)候了。簡單來說，波束賦形技術(shù)就是通過復(fù)雜的算法對波束進(jìn)行管理和控制，使之變得像“聚光燈”一樣。這些“聚光燈”可以找到手機(jī)都聚集在哪里，然后更為聚焦地對其進(jìn)行信號覆蓋。5G采用的是MIMO技術(shù)提高頻譜利用率。而6G所處的頻段更高，MIMO未來的進(jìn)一步發(fā)展很有可能為6G提供關(guān)鍵的技術(shù)支持15。
技術(shù)關(guān)鍵指標(biāo)幾個(gè)衡量6G技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo) ：
1、峰值傳輸速度達(dá)到 100Gbps – 1Tbps，而5G僅為10Gpbs；
2、室內(nèi)定位精度達(dá)到10厘米，室外為1米，相比5G提高10倍；
3、通信時(shí)延0.1毫秒，是5G的十分一；
4、中斷機(jī)率小于百萬分之一，擁有超高可靠性；
5、連接設(shè)備密度達(dá)到每立方米過百個(gè)，擁有超高密度；
6、采用太赫茲（THz）頻段通信，網(wǎng)絡(luò)容量大幅提升。9
面臨技術(shù)難題1、尚未成熟的太赫茲通信技術(shù)，這對集成電子、新材料等技術(shù)挑戰(zhàn)。9
2、數(shù)據(jù)從采集到消耗中的技術(shù)難題。9
行業(yè)觀點(diǎn)5G和6G的開發(fā)是并行的，但6G規(guī)模化使用還很遠(yuǎn)。對此，余承東回應(yīng)稱：“6G在研發(fā)中，估計(jì)還需要10年時(shí)間，目前也在做技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)研究，還沒到商用階段。16
“6G網(wǎng)絡(luò)的速度將比5G快100倍，幾乎能達(dá)每秒1TB，這意味著下載一部電影可在1秒內(nèi)完成，無人駕駛、無人機(jī)的操控都將非常自如，用戶甚至感覺不到任何時(shí)延?！蹦暇┖娇蘸教齑髮W(xué)電子信息工程學(xué)院常務(wù)副院長吳啟暉說。16
“現(xiàn)在學(xué)界對6G的界定有不同的觀點(diǎn)，5G主要是為工業(yè)4.0做前期基礎(chǔ)建設(shè)，而6G的具體應(yīng)用方向目前還處在探索階段?！敝袊娮訉W(xué)會(huì)通信分會(huì)主任委員、南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院院長朱洪波說，有專家認(rèn)為，將來6G將會(huì)被用于空間通信、智能交互、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、情感和觸覺交流、多感官混合現(xiàn)實(shí)、機(jī)器間協(xié)同、全自動(dòng)交通等場景。16
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