ACM通信
新闻
通往6G之路
来源:Shutterstock.com
尽管5G技术仍处于相对起步阶段，但从无线运营商到芯片组制造商再到元技术供应商的顶级科技公司都在积极致力于开发无线通信的下一个里程碑，即第六代(6G)。
支持更复杂和数据密集型应用程序、连接更多数量的设备和数据源以及享受持久、无延迟的数据连接的需求推动了对更快速、更大容量的网络的需求。
在完全开发完成后，6G技术有一天可能支持每秒1太比特的数据传输速率(比5G提供的每秒10千兆比特的假设最高速度快100倍)，网络容量是5G网络的50到100倍，从而允许连接设备的更大生态系统，允许消费者、工业和基于基础设施的设备在同一网络上运行而不产生不利的性能影响。此外，5G网络通常支持约4毫秒(ms)的延迟率，6G可以将延迟降低到接近零，每个接入点可能能够同时支持多个客户端。
然而，6G的愿景及其技术基础仍在形成中，因为广泛的技术公司、政府和行业组织都在致力于实现持久、可靠和快速的通信基础设施，支持移动应用程序、智能城市、V2x通信、虚拟现实和增强现实技术，甚至个人生物数据系统。
英国自动化测试和保证解决方案提供商思博伦(Spirent)的市场策略主管斯蒂芬•道格拉斯(Stephen Douglas)表示:“我认为，6G的关键在于，它将是一个网络中的网络，是互补技术的融合。我认为这非常令人耳目一新。”“除了有一个宏观的陆地网络，你可能还会有这些人体区域网络，其中人类也是其中的一部分。”道格拉斯补充说，6G很可能将无线网络与卫星、无人机、海上网络和光纤网络互连，从而形成一个完全连接的生态系统。
没有标准，但有大量的市场活动
目前，还没有制定或发布6G的标准，这仅仅是因为还有大量的工作需要做，特别是在管理技术的功耗和无线信号传输的信号传播方面。美国联邦通信委员会(FCC)已为早期研究、开发和测试分配了95 GHz和3 THz，并于2020年10月，总部位于华盛顿特区的电信行业解决方案联盟(ATIS)成立了Next G联盟。ATIS是一个制定移动技术技术和操作标准的标准组织。ATIS包括所有四大电信公司(AT&T、T-Mobile、U.S. Cellular和Verizon)，以及爱立信、Facebook、英特尔、LG、微软和高通等公司，旨在推动美国在6G部署中的领导地位，重点是在6G部署的整个生命周期中，从研发和制造到标准化和市场准备，使技术市场参与者保持一致。
“这将是一个网络中的网络，是互补技术的混合体。”
当然，其他国家和公司也在努力开发可用于6G网络发展的技术。新闻报道显示，芬兰奥卢大学启动了6Genesis研究项目，以制定2030年的6G愿景，并与日本超越5G促进联盟签署了一项合作协议，以协调芬兰6G旗舰研究在6G技术方面的工作。与此同时，韩国电子和电信研究所正在进行6G太赫兹频段的研究，三星宣布计划在芯片组制造等领域投资超过2000亿美元，以支持6G基础设施和设备的发展。
在美国，人们齐心协力，不仅要考虑以非常高的频率发送数据的技术挑战，还要确定6G网络或网络如何最好地服务于一系列新的数据密集型应用。
“我们试图用6G做的事情是在这个过程中更快地进入这个领域，让北美/美国的行业、政府和学术界聚集在一起ATIS的技术和解决方案副总裁迈克·纳沃洛基(Mike Nawrocki)说:“我们不仅要从技术的角度考虑，还要考虑应用、社会驱动因素、未来的频谱需求，以及我们认为需要很多年才能解决的所有大市场问题。”“我们必须跨越所有这些不同的维度，而不仅仅是技术领域。”
在美国，人们正在共同努力，以确定未来的6G网络如何最好地服务于一系列新的数据密集型应用。
电气和电子工程师协会(IEEE)的国际网络世代路线图，2022版，回应了这一观点，指出“网络世代的演变和部署不仅受到新兴、发展和潜在技术融合的影响，还受到当地和世界社会经济和健康状况(以及政治)的影响。”
6G的商业化可能需要8到10年的时间，因为在开发合适的应用程序和用例、制定6G标准和度量以及建立和测试网络技术和基础设施等方面必须完成大量工作。与功能齐全的5G网络相比，提供更高的速度、可靠性、弹性、容量和更低的延迟所涉及的技术障碍是一个重大挑战。
高频频谱传播限制
6G技术发展的一个关键挑战是确定传输更快数据速率的技术方法。目前正在考虑几种方法，但可能会使用支持在其部署区域内提高频谱效率的信号多路复用技术，包括非正交多路访问(NOMA)和大规模多输入多输出(mMIMO)等技术。虽然这些方法提供了更大的容量(就一个地区可以服务的用户数量而言)，但它们并没有提高每个设备或用户的频谱效率，这意味着所服务的每个设备都不会看到更高的数据容量。此外，这些方法可能会引入更大的系统延迟，并具有较低的能源利用效率。因此，提出了基于正交频分复用(OFDM)的NOMA系统，并发现该系统可以实现合理的频谱效率增益。OFDM用于5G系统，也用于Wi-Fi 802.11无线局域网标准。
另一种支持更高设备数据的方法是将传统的OFDM波形与额外的调制技术配对，该技术可以为每个OFDM符号传输额外的数据创建另一个维度。空间调制OFDM (SM-OFDM)、子载波-索引调制OFDM (SIM-OFDM)、索引调制OFDM (OFDM- im)和子载波数调制OFDM (OFDM- snm)等技术已经在文献中报道过，这些技术可能被认为是在6G系统中提供更高数据吞吐量的潜在技术。
除了需要支持更高的数据速率外，通过空中接口发送数据通常需要比4G或5G网络更高的频率。虽然今天的5G信号倾向于在3.4Ghz至3.8Ghz范围内工作，但随着未来5G实现的工作频率达到约5Ghz，无线6G网络可能会使用太赫兹或亚太赫兹范围内的频率，大约是95Ghz至3Thz。挑战在于信号传播;无线电信号能够传播或传播的距离随着发射频率的升高而减小。鉴于高频6G信号的辐射范围相对较短(10米)，预计6G网络的传输范围较短，可能需要更密集的基站和中继器网络来提供足够的覆盖范围。
在不安装数百或数千个耗电天线或信号中继器的情况下，使用高频频谱传输无线电波所面临的挑战，一个潜在的解决方案是使用可重构的智能表面，这种表面可以由具有特殊属性的材料制成，可用于重定向6G信号，并在不需要专用电源的情况下充当放大器。其中一种材料是石墨烯，这是一种单层的六角形矩阵材料，可以被配置为感知和反射特定方向的电磁波，增强和反射无线信号。
根据对潜在的6G无线方法的成功测试的报告，正在取得进展。LG电子和欧洲研究实验室Fraunhofer-Gesellschaft使用自适应波束形成和高增益天线开关技术，在大约300英尺的155GHz-175GHz频段发送了15分贝毫瓦(dBm)传输。中国工业和信息化部正在投资并监测该国的6G研发。一家政府支持的实验室紫金山实验室(Purple Mountain Laboratories)在2022年1月宣布，一个研究团队已经实现了高达206.25千兆比特/秒的无线传输速度，尽管是在受控环境中。
6G:网络中的网络?
不过，行业观察人士表示，6G不仅仅是空中接口;6G标准可能会包括多种接口类型，以考虑到“网络中的网络”方法，考虑到需要网络访问的各种应用程序，以及某些技术的预期收敛，这种方法似乎最有意义。
IDC无线和移动连接技术及半导体使能技术团队研究总监菲尔·索利斯(Phil Solis)表示:“许多(未来)应用通过营销与5G或6G捆绑在一起，但实际上，它们可能主要通过Wi-Fi运行，因为有了Wi-Fi 6，(技术)就从OFDM转向了OFDMA，这更像是6G。”OFDMA(正交频分多址)是Wi-Fi 6中的一项技术，通过将称为资源单元(Resource Units, ru)的子载波子集分配给单个客户端，实现与多个客户端的并发上行和下行通信，支持更大的数据传输通道和更高的安全性。索利斯补充说:“关键是Wi-Fi也越来越好。”
其他专家也指出了未来应用程序的混合性质。例如，家中的数据可能使用最新的Wi-Fi，它支持非常高的数据速率。由IEEE主办的国际设备与系统路线图(IRDS)主席保罗·加吉尼(Paolo Gargini)表示，如果需要将数据发送到家庭以外的地方，可以使用某种类型的光纤连接将信号发送到信号塔，因为与在小地理区域内建立庞大的天线和中继器网络相比，在人口密集地区安装光纤技术的成本可能更低。
Gargini说:“如果你真的想在10年后实现6G，那么还有很多基础设施缺失，需要落实到位。”“现实情况是，如果你真的想传输这种更高的频率，比如6G，你就必须使用光纤。”他指出，在使用非常高的亚太赫兹和太赫兹频谱传输数据时，信号传播会受到限制。
“许多(未来)应用通过营销与5G或6G捆绑在一起，而实际上，它们可能主要通过Wi-Fi运行。”
华为的6G技术也体现了以前完全不同的网络的融合。这家中国科技巨头宣布，计划通过发射几颗低或极低地球轨道(LEO/VLEO)卫星来整合地面和非地面网络，形成一个大型卫星星座，这将扩大地面蜂窝基础设施的覆盖范围，并为超远程传输提供新的低延迟解决方案。预计这两个网络将被深度集成为一个系统，其中地面和非地面网络节点可以以类似的方式作为基站，使用户能够在不同的服务条件下利用每种类型的优势。
据IEEE卫星工作组称，在北美及其他地区，卫星6G预计将为非地面网络(ntn)提供前所未有的kpi和QoS，该工作组已经确定了结合多种技术、指标和方法的用例。该协会的《国际网络代路线图，2022版》中的一章描述了使用卫星技术支持5G和6G网络的技术障碍和解决方案，并“包含了丰富的用例描述，结合了卫星直接接入和卫星回运、卫星物联网、卫星网络的毫米波、网络管理方面、QoS/QoE、安全性以及3GPP、ETSI、ITU和IEEE最近的标准化活动。”
另一种提高数据传输速度和降低功耗的方法包括日本电信公司NTT的6G工作，其中包括开发和测试一个使用端到端光通信基础设施的无线网络，称为创新光和无线网络(IOWN)。该网络使用光子学或光束来传输数据，而无需将信号转换为电信号。由于不需要这种信号转换，与传统网络相比，NTT的目标是在功耗、端到端延迟和传输容量水平方面提高100倍。
然而，值得注意的是，鉴于有大量的技术和资金工作需要完成，6G的愿景以及任何潜在的标准方法都可能在商业推广之前发生变化。从技术角度来看，实际的6G架构标准在未来可能并不那么重要，只要各种网络之间的接口标准化，以允许数据在网络间流动。
思博伦的道格拉斯说:“我想说，6G是将Wi-Fi和蜂窝网络真正融合在一起的机会。“我们能不能只是有一种通用的无线连接，可以将他们连接到任何类型的后端网络?只要它们之间的互操作性是标准化的，6G网络的底层结构可能会完全不同。”道格拉斯说。
进一步的阅读
ATIS下一个G联盟6G路线图:https://nextgalliance.org/working_group/national-6g-roadmap/
IEEE国际网络世代路线图，https://bit.ly/3wojXG0
H. Tataria, M. Shafi, A. F. Molisch, M. Dohler, H. Sjöland和F. Tufvesson,
《6G无线系统:愿景、要求、挑战、见解和机遇》见IEEE论文集，第109卷，no。7, pp. 1166-1199, 2021年7月，doi:10.1109 / JPROC.2021.3061701．
©2022 acm 0001-0782/22/9
本论文部分或全部的电子版或硬拷贝供个人或课堂使用的许可是免费的，前提是副本不是为了盈利或商业利益而制作或分发的，并且副本的第一页上必须有本通知和完整的引用。除ACM外，本作品的其他组件的版权必须受到尊重。允许有署名的摘要。以其他方式复制，重新发布，在服务器上发布，或重新分发到列表，需要事先特定的许可和/或费用。请求发布权限permissions@acm.org或传真(212)869-0481。
数字图书馆是由计算机协会出版的。版权所有©2022 ACM, Inc.
没有找到条目