浅析6G 通信系统关键技术

董妮娅

（重庆邮电大学移通学院，重庆400065）

目前，5G 网络得到大力发展，世界各国视5G 为带动社会发展的新动能之一，竞相开展5G 网络部署，大力发展5G 新业务。尽管5G 尚处于规模商用起步阶段,相关技术尚待继续增强完善,但我们有必要同步前瞻未来信息社会的通信需求,启动下一代移动通信系统（6G）技术研究，本文对6G 技术进行探讨，包括通信技术、网络架构、网络智能化三个方面。

1 突破性的通信技术

新一代的移动网络通常以一组新颖的通信技术为特征，这些通信技术能提供前所未有的性能。例如，大规模的多输入多输出（MIMO）和毫米波通信作为5G 网络的关键技术。6G 网络不仅适用于常规频段（即6 GHz 以下和毫米波频段），还适用于尚未考虑用于蜂窝标准的频带，即太赫兹频段和可见光通信（VLC）。

1.1 太赫兹通信。频率在100GHz 和10THz 范围内的电磁波被称为太赫兹波，具有超高的通信带宽、高穿透性等特性。利用太赫兹频段可以解决信息高速传输和频谱资源稀缺之间的矛盾。由于该频段的特殊性，学术界与工程界对该技术的研究尚处于初级阶段。相比5G 中使用的毫米波，太赫兹将高频通信的潜力发挥到了极致的同时也带来了巨大的挑战。阻碍太赫兹链路在商业系统中应用的主要问题是传播损耗、分子吸收、高穿透损耗以及天线和射频电路工程。

1.2 可见光通信。随着发光二极管（LED）照明器件的广泛采用，可见光通信技术作为RF 通信的补充，具有无电磁干扰、节能等优点，具有较大的发展前景。发送端控制光源在不同的光强度之间快速切换达到调制的目的并传输到接收器接收。由于VLC实验平台成本较低，使得该研究比太赫兹通信更加成熟，形成了VLC 标准（即IEEE 802.15.7）；然而，由于VLC 覆盖范围有限，需要照明光源，易受到来自其他光源（如太阳）的散粒噪声的影响，VLC 主要用于室内；对于上行链路，需要通过RF 进行补充，因此3GPP 未将该技术纳入蜂窝网络标准。尽管如此，VLC 仍可用于在室内场景中引入未被蜂窝标准认可的蜂窝覆盖。在该场景中，VLC 可以利用非授权的宽频段，在不同房间之间以相对便宜的硬件进行无交叉干扰地部署。

得益于物理层和电路研究的进步，6G 除了新的频谱，可以通过利用一系列新兴技术来改造无线网络。

1.3 全双工通信。得益于自干扰抑制电路的开发，使得基站和用户设备（UE）在同频信道中同时接收和发送信号的全双工通信成为可能。这些技术使得可以通过上行链路传输确认或控制消息实现连续的下行链路传输（反之亦然），在不使用额外带宽的情况下增加复用能力和整个系统吞吐量。然而，6G 网络仍需要全新的资源调度程序设计，并对全双工过程和部署进行仔细规划及合理的调度，以避免干扰。

1.4 新信道估计技术。对于毫米波，初始接入（IA）和波束跟踪的信道估计将是蜂窝环境中超高频通信的关键组成部分。然而，考虑到多频带以及超大带宽，6G 系统需要新的信道估计技术。利用带外估计来改进波束管理方案的性能，该方法是利用6 GHz 以下信号的全向传播特性，将信道估计映射到微波频率。考虑到毫米波和太赫兹信道中信号角度方向的稀疏性，利用压缩感知技术可以使用减少的样本数进行信道估计。

2 新型网络架构

通信技术的突破不仅促成新的6G 网络架构，也需要对当前的移动网络结构进行更新。例如，太赫兹通信的密度和高访问数据速率将对底层传输网络造成限制，必须提供比现在的回程网络更多的光纤接入点和更高的容量。太赫兹通信的密度和高访问数据速率将对底层传输网络造成限制，因此必须提供比现有回程网络更多的光纤接入点和更大的容量。此外，各通信技术将增加网络的异构性，需要对其进行管理。6G 将引入的或部署以下架构模式：

2.1 无边界网络架构。6G 将打破传统蜂窝网络的小区边界，把网络作为一个整体而非单小区连接到终端。例如，这可以通过多连接技术以及对设备中不同和异构无线电的支持来实现。无蜂窝网络程序保证移动终端的无缝连接，不会由于切换而产生开销（在太赫兹频率系统中较为常见），即使在具有挑战性的移动性场景中（如车辆场景），也将提供QoS 保证。蜂窝概念的颠覆也将使不同的6G 通信技术紧密结合。用户无需在设备中进行手动干预或配置，不仅能够在不同的异构链路（例如，6 GHz 以下、mm Wave、太赫兹或VLC）之间无缝转换，而且自动选择可用的最佳通信技术。最后，UE 可以根据特定的使用场景，选择不同的网络接口适配各通信技术的互补特性，例如，6 GHz 以下链路用于控制，而太赫兹链路用于数据平面。

2.2 3D 网络架构。传统上，网络提供几乎所有的二维空间的连接，即部署网络接入点以提供到地面设备的连接。相反，未来的6G 异构架构不仅能提供三维（3D）覆盖，利用非地面平台（如无人机、气球和卫星）补充地面基础设施；还能迅速部署这些设备，以确保无缝服务连续性和可靠性。例如，在农村地区或活动期间，避免增加新建固定基础设施的运营和管理成本。

2.3 分布式网络和虚拟化。随着边缘计算的发展，单一的网络设备逐步分解：例如，5G 网络基站可以部署业务面下沉的分布式单元和边缘数据中心的集中式单元。按照这一趋势，6G 网络采用更具创新性的架构，基站设备将只包含物理天线和尽可能少的处理单元。此外，通用处理器功能的不断进步，使得虚拟化技术得到进一步发展：6G 将虚拟化目前需要专用的硬件实现的与MAC层和物理层相关的组件。虚拟化将降低网络设备的成本，使大规模密集部署变得可行。

2.4 先进的回传整合。新的6G 接入技术提供的海量数据速率需要回程容量的大幅增长。此外，由于太赫兹和可见光通信的覆盖距离受限，对接入点的密度和回传网络提出更高的要求。因此，6G 技术的高速率大容量可作为回传链路的解决方案，基站的无线传输可为用户提供接入和回传服务。虽然5G 已将类似方案纳入考虑范围，但6G 将会给回传网络规模带来新的挑战和机遇：网络需要更高的自主配置能力来优化和回传一体化和无线接入方案的性能，实现接入容量增加无需增加相应的光纤数量。

2.5 低功耗的网络架构。为了满足未来的连接需求6G 设备需要广泛部署。鉴于6G 网络的预期规模，用户终端和联网设备将需要用能源供电，系统相对于当前网络应该更加高效，能耗更低。这意味着硬件电路和协议栈软件的开发都应注重低功耗设计。可选择使用能量收集电路来允许设备自供电，这对实现离网操作、长期在线的物联网设备和传感器、很少使用的设备、设备的长待机时间至关重要。

3 网络智能化

6G 通信技术和网络部署的复杂性导致难以进行手动优化。尽管智能技术在蜂窝网络中的应用已在5G 领域中进行了讨论，但6G 智能网络部署更加密集（根据接入点和用户的数量）、更加异构化（根据不同技术的集成），相对5G 在网络性能方面要求更高。因此，智能化技术将在网络优化中扮演更重要的角色。

3.1 实时网络决策的无监督强化学习技术。无监督和强化学习在网络中的应用仍处于起步阶段，但在复杂的6G 网络环境下有着广阔的应用前景。运用监督学习方法标记网络产生的数据量庞大的数据是不可行的。无监督学习不需要标注，可用于自动构建复杂网络的表现并依此执行一般优化，超出了有监督方法的能力。此外，通过将无监督与强化学习方法结合在一起，可以使网络真正以自主方式运行。

3.2 用户间、运营商间的信息共享。实践证明，频谱和基础设施共享在蜂窝网络中有利于最大限度地提高复用能力。在自主和机器学习驱动的网络领域，运营商和用户也可能对共享特定网络部署或用例的学习表示感兴趣，如何实现各网元间的信息共享，从而实现各网络间的协作将成为提高网络复用能力的关键之一。

4 结论

随着通信技术的发展，网络架构的变革，网络智能化的发展，6G 通信系统将会在人类生活、工业化发展、各行各业应用中起到重要作用。本文从不同维度包括物理层通信技术、网络架构、网络智能化应用等方面介绍了6G 的若干关键技术，以加深对6G 通信系统的认识和开展相关研究工作。