第六代移动通信技术探析

2020-01-05李蕾

通信电源技术 2020年22期

李蕾

（山西传媒学院，山西晋中 030619）

0 引言

6G（第六代移动通信技术）是5G蜂窝技术的后继者，将是一个由多个不同网络构成的组合系统，包括局域网、移动蜂窝网络、卫星以及其他尚未定义的网络。6G将探索新的沟通机制，而无需受现有网络范例或技术的限制。它嵌入了完全兼容的新概念、新体系结构、新协议以及新解决方案以支持现有和未来的方案。国际电信联盟于2019年5月探讨过IMT-2030标准，指出6G旨在提供革命性的新用户体验，并提供一系列全新的感官信息和体验[1]。

1G到4G的发展符合10年周期规则，即每一代从开始出现到真正成熟应用需要历经10年。1G到4G主要改变的是人们的“生活”，5G主要改变“社会”，而万物互联的6G将大大提高改变“社会”的程度[2]。

6G是在5G的基础上进行扩展和升级的。从网络访问的角度来看，6G将包括各种接入网，如移动蜂窝、卫星通信、飞机通信、水下声通信以及可见光通信等。从网络覆盖的角度来看，6G将建立跨越太空、空中、海洋及陆地的集成网络，以真正实现全球集成信息的无缝覆盖[3]。从网络性能的角度来看，6G将提升传输速率、端到端时延、可靠性、连接密度、频谱效率及网络效率以满足各个行业的不同网络需求。从网络智能的角度来看，6G网络及其用户将成为一个统一的对象。人工智能将更深入地研究用户需求，每个用户将能够通过人工智能助手来改善用户体验。

1 6G网络性能

从ICT的几个不同角度来看，与5G相比，6G的延迟更低，峰值速率更高，用户体验率速度更快，其流量密集程度将是5G的10～1 000倍，移动性增强将是5G的2倍，最大连接数将是5G的100倍，不论室外还是室内定位能力都要远远优于5G。频谱支持范围更宽，是5G的50～100倍，可靠性更高，网络能源效率将是5G的两倍[4]。具体性能对比情况如表1所示。

2 6G的应用场景

6G将会被应用于超能交通、精准医疗、智能交互以及通感互联网等场景[5]。

2.1 超能交通

6G时代，人们将能体验到网络带来的智慧服务，如超能交通将会大大改善交通出行和交通环境，给人们带来更好的交通体验。连接自动驾驶汽车需要更高要求的可靠性和低延迟水平，当下的技术满足上面条件还存在很多困难[6]。在6G系统的推动下自动驾驶汽车应用将更加普遍。无人机在农业、城市治理、航拍、军事以及物流等场景下也会有广泛的应用。充分利用“海洋-陆地-太空”多模态交通工具，根据需求为人们提供定制的立体交通服务。

2.2 精准医疗

在5G时代，依靠数字技术对人体健康进行监测，主要针对宏观的身体指标和显性疾病预防等方面，不能实现个性化健康数据的实时监测。6G网络技术使得精准医疗可以扩大应用区域，如通过在人体内安装智能传感器，对神经系统和重要器官等进行精准实时地映射，从而可以实时监测人体个性化健康数据[7]。另外，结合医疗器械所做的影像结果，利用成熟的AI技术，可以应用于癌症等重大疾病风险预测和早期筛查等方面，实现医疗健康服务由原来的“以治疗为主”转变为“以预防为主”。

2.3 智能交互

人与物的智能体之间产生的智慧交互行为称为智能交互。现有的智能交互还没有主动的，如当人们有需求时，才会与智慧家电产生语音或视觉交互。

随着AI技术越来越成熟，6G时代的智能体将具有更加智慧的情境感知能力和自主认知能力，能够判断情感并反馈智能状态，从而实现主动的智能交互行为[8]。可以广泛用于特定人群，如陪护老龄群体和陪伴儿童心智成长等，有利于共享学习能力。

2.4 通感互联网

随着ICT的发展，信息通信交互的载体已经从语音和图片发展到现在的视频和e-book等，但还不能实现人们的多维“感觉”互通，所以需要将“感觉”延展以便更好地解放自我，这个目标的实现必须靠移动通信技术的发展。

将多维度感官联动起来从而达到感觉互通的传输网络就是通感互联网。借助于互联基础设施，人们可以调动听觉和视觉等所有感觉甚至情感并最终实现这些感觉的传输与交互。不受地域限制，人们可以获得逼真的沉浸式体验，如可以感受美食、参与护肤体验以及虚拟旅游等。

3 6G的潜在挑战

6G网络的发展面临许多挑战，可以分为技术挑战和非技术挑战两类。技术挑战包括太赫兹波、峰值速率、更高的能效以及无所不在全覆盖网络等，非技术挑战主要包括提供服务的能力。

3.1 技术挑战

3.1.1 太赫兹波

THz频段固然优点很多，但也存在局限性。其一是通信信号定向传播。低频THz会引起更大的自由空间衰减，太赫兹通信是高度定向的波束信号传播。其二THz具有超强衰落特点。遇到阴影THz信号就会变得很敏感，还会影响到通信的覆盖区域。其三间歇性连接和快速的频道波动。太赫兹频带中的相干时间非常短，多普勒频散很大。由于存在很强的阴影衰减，这将会使得THz的传输通道衰减波动性更加明显。另外，THz系统中，信号具有高度定向传输的特点，覆盖面积小，只能构成单元小蜂窝，这也就弱化了传输路径。系统的连接不能连续化，而是间歇性的，所以急需产生一种具备自适应的通信机制[9]。

3.1.2 峰值速率

从1G到5G发展以来，速率一直是人们所关心的重点问题之一。6G将进一步提高峰值速率，进入太比特时代（Tb/s）。AR/VR和全息通信所需的数据速率将远远超过其他无线应用，属于6G支持的应用。海量数据传输是智能（大数据）通用应用程序的特点，大数据驱动下的智能应用有可能成为促进6G发展的核心因素。

3.1.3 能源效率更高

5G的能耗问题较大，而且还会产生可观的运营成本。6G和5G相比具有速率更快、网络接入量更大、规模更加庞大以及突破空间界限等特点，根据6G技术的前瞻方向，若要建构所谓的空天地一体的全领域网络，能耗可看做是6G网络能否成形的关键，这将对能耗构成巨大挑战。随着频谱效率和频谱带宽的增加，吞吐量可以大大提高，但是能效问题将更加严重，主要体现在以下两方面。一是大量的传感器会带来很高的总能源消耗，二是在智能行业中要处理海量数据需要消耗大量功耗，这是不可避免的。因此需要尽量减小损耗，提倡节能通信。

3.1.4 无所不在全覆盖网络

科技不断发展，在将来遥远的外太空还有深海都会是人们的活动区域，沙漠和海底这些没有通信信号的地方也会布置规划网络，实现网络畅通。有必要建立一个无处不在的物联网，一个通用的（带有各种传感器）识别系统，借助于深度学习+大数据，可以实现不受时间和空间限制的连接需求。任何人都可以随时随地与任何相关对象进行交互以获得有价值的信息必将成为6G时代所追求的目标[10]。

3.2 非技术挑战

6G时代，用户体验将是评价网络性能的关键因素，面临着综合服务的考验。在融合服务方面，相比于5G，原生融合计算、通信、存储以及数据服务。在按需服务方面，需要实现个人定制服务模式。有些人更看重通信低资费，会忽视数据的可靠性，有些人将数据可靠性放在第一位，会忽视传输速率，而有些人为了换取数据安全性，宁愿选择不带智能功能的手机。总之，用户们将有权利选择6G中自己喜欢的内容。在隐私安全方面，由5G时的被动安全改为主动安全，将技术与法律手段有效联合起来，共同实现安全防护。

4 6G研究方向

4.1 数据选择和特征提取的学习技术

未来连接的设备（如自动驾驶汽车的传感器）生成的大量数据将对通信技术造成压力，导致通信网络无法保证所需的服务质量。因此，区分信息的价值至关重要。机器学习（Machine Learning，ML）策略可以评估观测值的相关程度，或者从输入向量中提取特征并预测后验给定整个历史记录的概率。此外，6G中无监督和强化学习方法不需要标签，可以用于以真正自治的方式来操作网络。