當(dāng)人們開(kāi)始對(duì)5G的美好生活翹首以盼時(shí)，已經(jīng)有人在談?wù)?G的關(guān)鍵技術(shù)了!這，簡(jiǎn)直讓人猝不及防!

在“2018年世界移動(dòng)通信大會(huì)·北美”上，美國(guó)聯(lián)邦通信協(xié)會(huì)(FCC)專員Jessica Rosenworcel女士代表FCC稱，6G將邁向太赫茲頻率時(shí)代，隨著網(wǎng)絡(luò)越加致密化，基于區(qū)塊鏈的動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)正在變成新的技術(shù)趨勢(shì)。

現(xiàn)在連5G手機(jī)的影子都沒(méi)見(jiàn)到，你怎么就開(kāi)始跟我談6G的技術(shù)問(wèn)題了......

5G已經(jīng)這么快了，6G的速度難道要上天?

我們知道，5G的理論下載速率為每秒10GB，是當(dāng)前4G上網(wǎng)速率的10倍。那么6G呢? 6G的理論下載速度是每秒1TB(也就是5G的100倍)!這是什么概念?就拿下載影片來(lái)說(shuō)，用5G網(wǎng)絡(luò)下一部高清大片只需要1-2秒，而在 6G 網(wǎng)絡(luò)下僅10毫秒(0.01 秒)就可以下載完畢!幾乎等同于在線觀看，人們不會(huì)有任何延遲的感覺(jué)。

不過(guò)，談?wù)?G只關(guān)注網(wǎng)速就顯得太“膚淺”了。因?yàn)樵?G時(shí)代，網(wǎng)速已經(jīng)不再重要。

現(xiàn)如今，移動(dòng)通信技術(shù)更迭的意義，已經(jīng)不止于解決人和人之間的無(wú)線通訊、無(wú)線上網(wǎng)的問(wèn)題了，而是要更好地解決物和物之間、物和人之間的聯(lián)系，也就是我們通常所說(shuō)的物聯(lián)網(wǎng)。

所謂的萬(wàn)物互聯(lián)是將人、流程、數(shù)據(jù)和事物結(jié)合在一起使得網(wǎng)絡(luò)連接變得更加相關(guān)，更有價(jià)值。它將信息轉(zhuǎn)化為行動(dòng)，能給企業(yè)、個(gè)人和國(guó)家創(chuàng)造新的功能，并帶來(lái)更加豐富的體驗(yàn)和前所未有的經(jīng)濟(jì)發(fā)展機(jī)遇。

萬(wàn)物互聯(lián)是什么樣的呢?舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，就是你可以用一部手機(jī)控制很多東西，比如直接向自己家里的智能家居下達(dá)指令，讓智能家居機(jī)器人做家務(wù)，智能監(jiān)控家庭一舉一動(dòng)、直接呼叫無(wú)人車(chē)等等。

這樣的高科技生活5G能不能實(shí)現(xiàn)呢?

雖然我們對(duì)于5G的憧憬和期待是萬(wàn)物智聯(lián)，但它做到的更多是信息極速傳輸，離真正的萬(wàn)物互聯(lián)還存在一定距離。

以網(wǎng)絡(luò)覆蓋為例，像車(chē)聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療這類的應(yīng)用需要的是一個(gè)幾乎無(wú)盲點(diǎn)的全覆蓋網(wǎng)絡(luò)。在這一點(diǎn)上，5G還無(wú)法做到一蹴而就，需要在6G時(shí)代得到補(bǔ)充和完善。已有專家提出，6G網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)地面無(wú)線與衛(wèi)星通信集成的全連接世界。

通過(guò)將衛(wèi)星通信整合到6G移動(dòng)通信，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(cè)天氣、快速應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等。這就是6G未來(lái)。

6G通信技術(shù)不再是簡(jiǎn)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(wàn)物互聯(lián)這個(gè)“終極目標(biāo)”，這便是6G的意義。

6G是什么樣的?

關(guān)于6G的研究已經(jīng)開(kāi)始。我國(guó)工業(yè)和信息化部部長(zhǎng)苗圩表示：“去年年底還是今年年初，我們已經(jīng)開(kāi)始著手在研究6G的發(fā)展，也就是第六代移動(dòng)通信?！蹦壳?，歐洲、美國(guó)、日本、韓國(guó)等也已有機(jī)構(gòu)陸續(xù)啟動(dòng)了B5G或者6G的技術(shù)研究。

不過(guò)，現(xiàn)在6G定義還未出現(xiàn)。各方都有自己的愿景，并未得到統(tǒng)一的、大家都認(rèn)可的6G定義。目前一個(gè)較為官方的回答是，6G將探索并匯集5G所遺漏的相關(guān)技術(shù)。

在“2018年世界移動(dòng)通信大會(huì)·北美”上，Jessica Rosenworcel作為美國(guó)聯(lián)邦通信協(xié)會(huì)(FCC)對(duì)外公開(kāi)討論6G無(wú)線服務(wù)的第一位專員，提出了6G的3大類關(guān)鍵技術(shù)，分別涉及到6G頻譜、6G無(wú)線“超大容量”如何實(shí)現(xiàn)、6G頻譜使用如何創(chuàng)新這3大方面。讓我們?cè)诩夹g(shù)層面上對(duì)6G有了一個(gè)較為具體的展望。

1. 6G進(jìn)入太赫茲頻段，網(wǎng)絡(luò)“致密化”

Rosenworcel表示，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?chē)鷮⒊錆M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)到現(xiàn)在的4G(1.8GHZ以上)，我們使用的無(wú)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(shuō)的“網(wǎng)速變快了”。

不過(guò)，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(chē)量也是有限的。當(dāng)路不夠用時(shí)，車(chē)輛就會(huì)阻塞無(wú)法暢行，此時(shí)就需要考慮開(kāi)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(wèn)題的可行的方法便是開(kāi)發(fā)新的通信頻段，拓展通信帶寬。

目前，我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商的4G主力頻段位于1.8GHz-2.7GHz之間的一部分頻段，而國(guó)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(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍說(shuō)：“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?！?/p>

那么，為什么說(shuō)到了6G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)將“致密化”，我們的周?chē)鷷?huì)充滿小基站?

這就涉及到了基站的覆蓋范圍問(wèn)題，也就是基站信號(hào)的傳輸距離問(wèn)題。

一般而言，影響基站覆蓋范圍的因素比較多，比如信號(hào)的頻率、基站的發(fā)射功率、基站的高度等。就信號(hào)的頻率而言，頻率越高則波長(zhǎng)越短，所以信號(hào)的繞射能力(也稱衍射，在電磁波傳播過(guò)程中遇到障礙物，這個(gè)障礙物的尺寸與電磁波的波長(zhǎng)接近時(shí)，電磁波可以從該物體的邊緣繞射過(guò)去。

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(hào)的頻率已經(jīng)在太赫茲級(jí)別，而這個(gè)頻率已經(jīng)進(jìn)入分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)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(hào)那么遠(yuǎn)，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(wú)以復(fù)加。

2. 空間復(fù)用技術(shù)

Rosenworcel表示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(wú)線連接，其容量將可達(dá)到5G基站的1000倍。

前面說(shuō)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(hào)的頻率超過(guò)10GHz時(shí)，其主要的傳播方式就不再是衍射。對(duì)于非視距傳播鏈路來(lái)說(shuō)，反射和散射才是主要的信號(hào)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(hào)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(guò)Massive MIMO和波束賦形這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)來(lái)解決此類問(wèn)題的。

我們的手機(jī)信號(hào)連接的是運(yùn)營(yíng)商基站，更準(zhǔn)確一點(diǎn)，是基站上的天線。Massive MIMO技術(shù)說(shuō)起來(lái)挺簡(jiǎn)單，它其實(shí)就是通過(guò)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(lái)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(guò)，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(shuō)，天線數(shù)量越多，波束寬度越窄。這一點(diǎn)的有利之處在于，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(lái)了另外一個(gè)問(wèn)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?chē)我庖粋€(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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，波束賦形技術(shù)就是通過(guò)復(fù)雜的算法對(duì)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(duì)其進(jìn)行信號(hào)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(lái)的進(jìn)一步發(fā)展很有可能成為6G提供關(guān)鍵的技術(shù)支持。

3. 動(dòng)態(tài)頻譜共享+區(qū)塊鏈

Rosenworcel提到，美國(guó)現(xiàn)有的頻譜分配(拍賣(mài))方式將難以勝任6G時(shí)代“對(duì)于頻譜資源的高效利用”這一訴求，6G要采用“頻譜共享”的方式。她還指出還可采用更智能、分布更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)頻譜共享接入技術(shù)，那就是“基于區(qū)塊鏈的動(dòng)態(tài)頻譜共享”。

所謂的頻譜拍賣(mài)是指授權(quán)用戶規(guī)劃某一頻段，對(duì)外進(jìn)行公開(kāi)拍賣(mài)，以公開(kāi)競(jìng)價(jià)的方式，將該頻段的使用權(quán)轉(zhuǎn)讓給最高應(yīng)價(jià)者使用。目前頻譜拍賣(mài)廣泛采用的地區(qū)和國(guó)家主要集中在歐洲和美國(guó)。我國(guó)不同于絕大多數(shù)國(guó)家，采取的是分配而非拍賣(mài)的方式來(lái)進(jìn)行頻譜管理工作。也因此，我國(guó)的政府監(jiān)管部門(mén)在移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展中處于非常核心的位置。

頻譜拍賣(mài)的分配方式之所以難以勝任6G時(shí)代“對(duì)于頻譜資源的高效利用”這一訴求，是因?yàn)樗嬖谑跈?quán)用戶獨(dú)占頻段而造成頻譜閑置、利用不充分等問(wèn)題。對(duì)于無(wú)線電頻譜這種稀缺性的戰(zhàn)略資源，此方式顯然不適合迎接萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，甚至極有可能阻礙整個(gè)社會(huì)推動(dòng)創(chuàng)新。

為了合理配置頻譜資源，使其得到高效充分的利用，美國(guó)FCC于2015年開(kāi)展推動(dòng)了動(dòng)態(tài)頻譜共享，在3.5GHz上推出CBRS(公眾無(wú)線寬帶服務(wù))，通過(guò)集中的頻譜訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)來(lái)動(dòng)態(tài)管理不同類型的無(wú)線流量，以提高頻譜使用效率。簡(jiǎn)單來(lái)講，就是某一使用者不用的話，其他使用者可以接入使用，這樣不僅能有效減少資源浪費(fèi)，也可減少擁塞的問(wèn)題(這有點(diǎn)像共享單車(chē)一樣)。

CBRS引進(jìn)了三層式頻譜接取架構(gòu)(SAS)。SAS分為三層：第一層用戶是該頻段的執(zhí)照持有者，如軍用雷達(dá)等。這層用戶擁有最高優(yōu)先級(jí)，它們將受到最高級(jí)別的保護(hù)，免受其它層級(jí)接入用戶的干擾;第二層是已支付授權(quán)費(fèi)的用戶，享有免受第三層接入用戶干擾的保護(hù);第三層是任何人都可以使用，優(yōu)先級(jí)最低，不受任何干擾保護(hù)。

SAS負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)現(xiàn)有用戶和新用戶間的頻譜接入，保護(hù)較高層用戶免受低層用戶的影響，并優(yōu)化CBRS頻段內(nèi)所有用戶可用頻譜的有效使用。這就達(dá)到了動(dòng)態(tài)共享頻段、按需使用的效果，頻譜的使用率無(wú)疑會(huì)大大提高。

CBRS極具創(chuàng)造性、高效性和前瞻性，對(duì)未來(lái)6G的發(fā)展具有非同尋常的意義。

不過(guò)，面向6G，動(dòng)態(tài)頻譜共享顯然還要在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)展。CBRS是通過(guò)集中式的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)支持頻譜共享接入的，若系統(tǒng)能基于采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的區(qū)塊鏈技術(shù)，探索使用區(qū)塊鏈作為動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)的低成本替代方案，則不僅可以降低動(dòng)態(tài)頻譜接入系統(tǒng)的管理費(fèi)用，提升頻譜效率，還能進(jìn)一步增加接入等級(jí)、接入用戶數(shù)量等。

Rosenworcel認(rèn)為，區(qū)塊鏈在6G中的應(yīng)用，使用“去中心”的分布式賬本來(lái)記錄各種無(wú)線接入信息，將可進(jìn)一步激發(fā)新技術(shù)創(chuàng)新，甚至“改變未來(lái)6G使用無(wú)線頻譜的方式”。

其實(shí)，對(duì)于6G的構(gòu)想目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)論。例如，英國(guó)布里斯托爾的研究人員就表示，正在開(kāi)發(fā)基于金剛石的氮化鎵的微波技術(shù)，向6G技術(shù)發(fā)起探索。也有人將6G視為具有不同類型的自我聚合網(wǎng)絡(luò)的能力。關(guān)于6G的技術(shù)趨勢(shì)預(yù)測(cè)還包括了超密蜂窩網(wǎng)絡(luò)、可重構(gòu)硬件、毫米波用戶接入、增強(qiáng)型光無(wú)線接口、網(wǎng)絡(luò)VLC、人工智能管理和編排蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合等等。

不管關(guān)于6G的構(gòu)想有多豐富，就如同5G之于4G，未來(lái)的6G也一定是5G的持續(xù)演進(jìn)。5G有的，要靠6G來(lái)改進(jìn)。而5G沒(méi)有的，則要靠6G來(lái)擴(kuò)展。

現(xiàn)在研究6G為時(shí)過(guò)早?

對(duì)于6G，不止是部分吃瓜群眾覺(jué)得現(xiàn)在研究太早了，一些專業(yè)人士也持有此類的看法。

曾經(jīng)在西班牙電信工作了17年的現(xiàn)任英國(guó)政府國(guó)際貿(mào)易機(jī)構(gòu)首席科學(xué)顧問(wèn)Mike Short就說(shuō)道：“我認(rèn)為，在2022年之前，6G都不值得大家對(duì)其付出努力。我們現(xiàn)在需要做的是發(fā)掘用戶對(duì)5G真正的需求，先把5G商用用好了再來(lái)說(shuō)6G?！?/p>

現(xiàn)在研究6G真的太早了嗎?

一點(diǎn)也不早，而且要盡快行動(dòng)了。

為什么?其實(shí)，單從5G的發(fā)展我們就能明白。5G的毫米波技術(shù)并不是在4G顯示出局限性才開(kāi)始研究的，其理論基礎(chǔ)早在18年前(2000年)就已經(jīng)完成了，而工業(yè)界實(shí)現(xiàn)毫米波技術(shù)的成熟卻是在10-15年之后。到現(xiàn)在，毫米波5G的大規(guī)模商用部署仍然是一個(gè)難題。

5G的毫米波尚且如此，更何況是6G使用的太赫茲頻段呢。

此外，提前布局6G網(wǎng)絡(luò)也是為了未雨綢繆、占得先機(jī)。隨著5G連接規(guī)模不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)壓力隨之增加，6G一定會(huì)到來(lái)。在5G的研究上，我國(guó)已躋身“第一梯隊(duì)”。而6G雖未正式開(kāi)始，現(xiàn)在也已陸續(xù)有國(guó)家著手研發(fā)。未來(lái)誰(shuí)先占領(lǐng)6G網(wǎng)絡(luò)的制高點(diǎn)，誰(shuí)就能率先開(kāi)啟萬(wàn)物互聯(lián)的新時(shí)代，6G的戰(zhàn)略意義不言而喻。

結(jié)語(yǔ)

移動(dòng)通信技術(shù)從模擬技術(shù)演進(jìn)到以GSM為標(biāo)志的第二代移動(dòng)通信技術(shù)(2G)用了30年，從2G到3G時(shí)代的演進(jìn)用了15年，從3G到4G的推出用了5年。技術(shù)升級(jí)速度越來(lái)越快，每一代通信技術(shù)成為商用主流的時(shí)間越來(lái)越短。如今6G已經(jīng)在路上了，也許它的普及會(huì)來(lái)得更快!