6G技术发展及展望

1．6G技术背景及意义

用户通信需求提升和通信技术革新是移动通信系统演进的源动力。为了满足“动中通”的业务需求，第一代移动通信系统实现了“移动”能力与“通信”能力的结合，成为移动通信系统从无到有的里程碑，并拉开了移动通信系统的演进序幕。伴随着数字技术的成熟，第二代移动通信系统完成了从模拟体制向数字体制的全面过渡，并开始扩展支持的业务维度。在日益丰富的业务需求驱动下，第三代移动通信系统采用了全新的码分多址接入方式，完善了对移动多媒体业务的支持至此，高数据速率和大带宽支持成为移动通信系统演进的重要指标。以多入多出和正交频分多址接入为核心技术的第四代移动通信系统不仅获取了频谱效率和支撑带宽能力的进一步提升，还成为了移动互联网的基础支撑。在4G获得巨大商业成功的同时，第五代移动通信系统(5G)逐渐渗透到垂直行业，把支持的传统增强移动宽带业务(eMBB)场景延拓至海量机器类通信(mMTC)场景和超高可靠低时延通信场景。基于大规模多入多出、毫米波(mmWave, millimeter wave)传输、多连接等技术，5G实现了峰值速率、用户体验数据速率、频谱效率、移动性管理、时延、连接密度、网络能效、区域业务容量性能的全方位提升。纵观上述的演进历程，满足用户的通信需求是每代系统演进的首要目标，而新的通信技术则是每代系统演进的驱动。

到目前为止，1G到5G的设计通过技术驱动，用户和网络的基本需求(如用户数据速率、时延、网络谱效、能效等)得到了一定的满足。但是受制于技术驱动能力，1G到5G的设计并未涉及更深层次的通信需求。在未来第六代移动通信系统(6G)中，网络与用户将被看作一个统一整体。用户的智能需求将被进一步挖掘和实现，并以此为基准进行技术规划与演进布局。5G的目标是满足大连接、高带宽和低时延场景下的通信需求。在5G演进后期，陆地、海洋和天空中存在巨大数量的互联自动化设备，数以亿计的传感器将遍布自然环境和生物体内。基于人工智能(AI, artificial intelligence)的各类系统部署于云平台、雾平台等边缘设备，并创造数量庞大的新应用。6G的早期阶段将是5G进行扩展和深入，以AI、边缘计算和物联网为基础，实现智能应用与网络的深度融合，实现虚拟现实、虚拟用户、智能网络等功能。进一步，在人工智能理论、新兴材料和集成天线相关技术的驱动下，6G的长期演进将产生新突破，甚至构建新世界。

2.6G技术研究现状

3.6G需解决的问题

图1 6G运用场景

6G虽然美好，但是其发展仍旧存在问题。随着低端频段耗尽，下一代系统只能向高频发展。由于5G已经采用了毫米波频段，目前许多科研人员看好太赫兹频段在6G的使用。有些专家甚至称其将是6G的标志性频段。在5G的部署过程中，大家已经感觉到了毫米波在覆盖上的短板。iw频技术怎么解决覆盖问题是移动通信必须解决的难题。

在5G设计初期，一些设计者已经提出了UDN的理念。既然频率越高，覆盖越小是绕不过去的物理特性，不如就顺应此特性，通过小基站群来解决覆盖，并同时可享受增加系统容量的优点。从目前部署计划来看，UDN的系统架构并没有被全球运营商大规模采纳。显然其主要原因是部署成木。根据Hata传播模型，在覆盖同样区域的条件下，UDN所需要的基站数呈指数增加。从目前趋势来看，

无论是基站制造成木，还是系统部署成木，包括物业的价格趋势，运营商在6G 时代可能还是大概率无法承受UDN所需要的基站数的增加成木。

从现有技术来看，天线技术可能仍然是下一代覆盖增强的主攻方向之一。通过更高的芯片集成度及天线技术，发射功率需要更聚集发射方向，而接收功率能随接收天线数线性增加。此外，在时域方面，更好地自适应地增加时间的积累也是增强覆盖不可或缺的方向之一。

除了以上基木方向，6G系统也可能延续5G采用的多频技术，系统性地通过高低频的智能组合来完成覆盖需求。在5G时代，标准已经同时定义了高低频段，即FR1和FR2频段。但高低频的混频通信的设计，还刚起步，有较大完善的空间。在6G时代，多频技术必将有更好的发展。也期待6G的科研能在高频覆盖上有新的突破。

至于太赫兹频段的潜力，其是否会被6G采纳至少需要满足两个条件。其一，其高频技术能否在10年内解决昂贵的器件成木问题，使之有商业的可能。其二，能否找到适合其部署的商业动力。对于5G来说，毫米波采纳的主要动力是Verizon的无线固定电视的应用。如果找不到确切的太赫兹的应用场景，在这短短6G标准制定的十年内，6G更可能继续完善其毫米波频段的应用。太赫图1不同算法的窗吞吐量（例子）兹的应用大概率将在6G之后。众所周知，全双工在5G设计初期非常火热，但终究由于技术成熟度不够及实际的增益有限，而没能成功。在6G时期是否有希望，还需拭目以待。FDD要求成对的带宽，因此在高频比TDD需要的单独带宽更难获得，因此，6G标准可能还会同时定义FDD与TDD 两种模式，以适应各国不同频谱条件的部署。从5G开始，系统频段也开始在低高频同时定义。低频一般被作为锚点频段，用于移动通信，而高频作为随从频段，被附属于锚点频段或用于特殊场景，如无线固定电视业务场景。

当我们系统地观察锚点频率的演进，我们看到，2G-GSM的频宽是2 x 200 kHz , 3G-UMTS是2 x 5 MHz,4G-LTE是2 x 20 MHz，而5G是100MHz，如图1所不。很明显，每代增加的幅度都非常一致。这是因为频宽的增加并不是随意的，而与新一代系统的10倍速率目标，系统覆盖要求及芯片技术的发展有密切的关联。

图2移动通信系统1G到6G的频宽演进从

图2可以看到，根据历代带宽的增加趋势，6G的锚点频段的频宽有可能从目前的100 MHz增加到300 MHz。如果6G能在高频获得很大的频宽，最可能的设计思路是将其按300兆的带宽分成几份，由CA载波聚合或其他聚合技术来解决，以方便系统灵活度，模块化，并减少系统对芯片密度的压力。目前的非锚点F R2频段在5G的最大频宽已经定义成400兆。但由于灵活性等方方面面的考虑，即使是FR2，其基木处理频段还是多为100兆。

从图3可以看到，功率效率存在着明显的瓶颈(见功率效率区间)。无论将来有怎么样的技术突破，图3告诉我们，每比特所需的最小功率，由以上香农曲线限

图3单位带宽里的速率与功率效率之间的关系定，不可能再小了随着比特率的增加，所需的最小接收功率成正比增长。这种情形，有点像我们的公路系统。频宽的增加相当于车道的增加。而运载量的增加需要在增加车道的同时，增加实际在车道里跑的车辆。这种功率线性增加的要求无疑对6G及米来无线通信的发展，产生了较大的困难。