6G移動通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

一、6G概念

6G（第六代無線技術(shù)）是5G蜂窩技術(shù)的后繼者。6G網(wǎng)絡(luò)將能夠使用比5G網(wǎng)絡(luò)更高的頻率，并提供更高的容量和更低的延遲。6G網(wǎng)絡(luò)的目標之一是支持1微秒甚至亞微秒的延遲通信。

預(yù)計6G通信將支持五個應(yīng)用場景：增強型移動寬帶Plus（eMBB-Plus），大通信（BigCom），安全的超可靠低延遲通信（SURLLC），三維集成通信（3D-InteCom）和非常規(guī)的數(shù)據(jù)通信（UCDC）。

5G于2019年開始部署，預(yù)計至少到2030年它將成為主要的移動通信技術(shù)。最初的6G部署可能會開始出現(xiàn)在2030年至2035年的時間范圍內(nèi)。

6G網(wǎng)絡(luò)將致力于打造一個集地面通信、衛(wèi)星通信、海洋通信于一體的全連接通信世界，沙漠、無人區(qū)、海洋等如今移動通信的“盲區(qū)”有望實現(xiàn)信號覆蓋

6G將會被應(yīng)用于空間通信、智能交互、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、情感和觸覺交流、多感官混合現(xiàn)實、機器間協(xié)同、全自動交通等領(lǐng)域

二、6G發(fā)展

自從日本電報電話公共公司(NTT)在1979年12月發(fā)起了世界上第一個蜂窩移動通信服務(wù)以來，移動通信技術(shù)每十年就發(fā)展到新一代系統(tǒng)。

從第一代(1G)到第二代(2G)，語音通話是主要的通信方式，簡單的電子郵件成為可能。從第三代(3G)開始，數(shù)據(jù)通信(如i-mode)和多媒體信息(如照片、音樂和視頻)可以通過移動設(shè)備進行通信。從第四代(4G)開始，由于采用了長期演進(Long Term Evolution, LTE)技術(shù)，超過100Mbps的高速通信技術(shù)使智能手機得到了爆炸性的普及，目前已達到接近最高1 Gbps的通信速度。

第五代(5G)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率遠遠高于以前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，最高可達10Gbit/s，網(wǎng)絡(luò)延遲低于1毫秒。第六代(6G)有望支持1TB/s的速度。這種級別的容量和延遲將是空前的，它將擴展5G應(yīng)用的性能，并擴展功能范圍，以支持無線認知，感測和成像領(lǐng)域中越來越多的創(chuàng)新應(yīng)用。

移動通信系統(tǒng)技術(shù)上每10年發(fā)展一次，而移動通信業(yè)務(wù)的變化周期約為20年。因此，由5G引發(fā)的“第三次浪潮”有望通過5G演進和第六代(6G)技術(shù)成為更大的浪潮，并將在21世紀30年代支撐產(chǎn)業(yè)和社會。

過去幾代移動通信技術(shù)發(fā)展到6G。在前幾代中，每一代都有一種代表性的技術(shù)。然而，自4G以來，基于正交頻分復(fù)用(OFDM)的無線電接入技術(shù)(RAT)已經(jīng)包含了多種新技術(shù)的組合，而在6G中，技術(shù)領(lǐng)域被認為變得更加多樣化。這是因為基于OFDM的技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了接近Shannon極限的通信質(zhì)量，同時，需求和使用場景將在前一代中進一步擴展。

后5G時代的通信系統(tǒng)研究必須考慮電路和設(shè)備制造能力，6G中需要特別關(guān)注的是設(shè)備的電池壽命，而不是數(shù)據(jù)速率和延遲。此外，可以預(yù)見的是，將來的無線通信將提供與有線通信相同水平的可靠性。基于區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)去中心化被認為是簡化網(wǎng)絡(luò)管理并在6G中提供令人滿意的性能的關(guān)鍵。

在與6G有關(guān)的所有技術(shù)工作中，太赫茲通信、人工智能（AI）和可重新配置的智能表面是最引人注目的想法，它們被視為無線通信中的革命性技術(shù)。AI增強的6G被認為能夠提供一系列的新特性，例如，自聚合、上下文感知、自配置等。此外，具有AI功能的6G將釋放無線電信號的全部潛力，并實現(xiàn)從認知無線電到智能無線電的轉(zhuǎn)變。從 算法的角度

機器學(xué)習(xí)對于實現(xiàn)基于AI的6G尤其重要

基于人工智能的智能6G網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

三、6G關(guān)鍵技術(shù)

高安全性，保密性和私密性

受香農(nóng)限制的限制，很難大規(guī)模提高6G的頻譜效率。相反，新技術(shù)應(yīng)大大增強6G通信的安全性、保密性和隱私性。盡管其他應(yīng)用場景將變得無處不在并且越來越重要，但傳統(tǒng)的移動通信仍將是2030年代6G最重要的應(yīng)用。因此，6G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)以人為中心，而不是以機器、應(yīng)用程序或數(shù)據(jù)為中心。按照這一原理，高安全性、保密性和私密性應(yīng)該是6G的關(guān)鍵特征。此外，用戶體驗將被用作6G通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵指標。

在5G網(wǎng)絡(luò)中，仍在使用基于RSA公鑰密碼系統(tǒng)的傳統(tǒng)加密算法來提供傳輸安全性和保密性。在大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)的壓力下，RSA密碼系統(tǒng)已經(jīng)變得不安全。改善通信中的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、可靠性、延遲和服務(wù)用戶數(shù)量的最有效的方法是致密化網(wǎng)絡(luò)并使用更高的頻率來傳輸信號。物理層安全技術(shù)和通過可視光通信(VLC)的量子密鑰分發(fā)將是解決6G數(shù)據(jù)安全挑戰(zhàn)的解決方案。更先進的量子計算和量子通訊技術(shù)也可能被部署來提供對各種網(wǎng)絡(luò)攻擊的嚴密保護。

高承受力和完全定制

從以人為本的角度來看，技術(shù)成功不應(yīng)直接或間接增加財務(wù)負擔或剝奪用戶的選擇權(quán)。因此，高承受能力和完全定制化應(yīng)該是6G通信的兩個重要技術(shù)指標。完全定制允許用戶選擇服務(wù)模式并調(diào)整個人偏好。例如，某些用戶可能希望獲得低速但可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)；其他人可能會容忍不可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)，以換取較低的通信費用；其他人可能仍然只關(guān)心其設(shè)備的能耗；由于擔心數(shù)據(jù)安全性和隱私性，有些人甚至可能希望擺脫智能功能。將授予所有用戶選擇6G中他們喜歡的內(nèi)容的權(quán)利，并且不應(yīng)因智能技術(shù)或不必要的系統(tǒng)配置而減少這些權(quán)利。因此，6G通信系統(tǒng)的性能分析也應(yīng)將多個性能指標整合為一個整體，而不是獨立對待它們。用戶體驗將被明確定義并作為6G時代性能評估的關(guān)鍵指標。

能耗低，電池壽命長

4G/LTE網(wǎng)絡(luò)中智能手機和平板電腦的每日充電需求將繼續(xù)。為了克服大多數(shù)通信設(shè)備的日常充電限制并促進通信服務(wù)，低能耗和長電池壽命是6G通信的兩個研究重點。為了降低能耗，可以將用戶設(shè)備的計算任務(wù)卸載到具有可靠電源或普及的智能無線電空間的智能基站。協(xié)作中繼通信和網(wǎng)絡(luò)的致密化也將有助于減少移動設(shè)備的發(fā)射功率通過降低每跳信號傳播距離。為了獲得較長的電池壽命，將在6G中應(yīng)用各種能量收集方法，不僅可以從周圍的射頻信號中收集能量，而且還可以從微振動和太陽光中收集能量。遠程無線充電也將是延長電池壽命的一種有前途的方法

高智能

6G的高智能將有利于網(wǎng)絡(luò)運營、無線傳播環(huán)境和通信服務(wù)，分別指運營智能、環(huán)境智能和服務(wù)智能。常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)操作涉及許多受一系列復(fù)雜約束的多目標性能優(yōu)化問題。需要以適當?shù)姆绞讲贾冒ㄍㄐ旁O(shè)備、頻帶、傳輸功率等在內(nèi)的資源，以實現(xiàn)令人滿意的網(wǎng)絡(luò)操作水平。此外，這些多目標性能優(yōu)化問題通常很難解決，并且難以實時獲得最優(yōu)解決方案。隨著機器學(xué)習(xí)技術(shù)（尤其是深度學(xué)習(xí)）的發(fā)展，配備有圖形處理單元的基站或核心網(wǎng)絡(luò)的控制中心可以執(zhí)行相關(guān)的學(xué)習(xí)算法，以高效地分配資源，以達到接近最佳的性能。

與5G相比，帶寬極高

定義在0.1THz到10THz之間的太赫茲波段被稱為微波和光學(xué)光譜之間的間隙帶，但是太赫茲電子、光子和混合電子-光子方法現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了。因此，混合太赫茲/自由空間光學(xué)系統(tǒng)預(yù)計將使用混合電子-光子收發(fā)器在6G中實現(xiàn)，其中光學(xué)激光可用于產(chǎn)生太赫茲信號或發(fā)送光學(xué)信號。未來的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將必須達到更高的傳輸速率和更短的延遲，同時還要提供越來越多的終端設(shè)備。為此，將需要由許多小型無線電小區(qū)組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了連接這些電池，將需要高達太赫茲范圍的高頻高性能傳輸線。此外，如果可能的話，必須確保與光網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。

未來的無線通信網(wǎng)絡(luò)必須處理每條鏈路上幾十甚至幾百個Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，這就需要在未分配的太赫茲(THz)頻譜上使用載波頻率。在這種情況下，無縫集成THz鏈路到現(xiàn)有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施是非常重要的，以補充固有的可移植性和靈活性優(yōu)勢的無線網(wǎng)絡(luò)的可靠和幾乎無限的能力，光傳輸系統(tǒng)。在技術(shù)層面上，這需要新的設(shè)備和信號處理概念來直接轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)流。

四、太赫茲到光纖的 轉(zhuǎn)換

6G一項關(guān)鍵技術(shù)——太赫茲到光纖的轉(zhuǎn)換

太赫茲波是指頻譜在0.1～10THz之間的電磁波，波長為30至3000微米。頻譜介于微波與遠紅外光之間，在其低波段與毫米波相鄰，而在其高波段與紅外光相鄰，位于宏觀電子學(xué)與微觀光子學(xué)的過渡區(qū)域。太赫茲作為一個介于微波與光波之間的全新頻段尚未被完全開發(fā)，太赫茲通信具有頻譜資源豐富、傳輸速率高等優(yōu)勢，是未來移動通信中極具優(yōu)勢的寬帶無線接入（Tb/s級通信）技術(shù)。正是因為其特殊性，讓其具有頻率高、脈沖短、穿透性強，且能量很小，對物質(zhì)與人體的破壞較小等特質(zhì)。太赫茲波以其獨有的特性，使太赫茲通信比微波和無線光通信擁有許多優(yōu)勢，決定了太赫茲波在高速短距離寬帶無線通信、寬帶無線安全接入、空間通信等方面均有廣闊的應(yīng)用前景，但同時面臨著多方面的挑戰(zhàn)。

到目前為止，技術(shù)發(fā)展的一個漏洞一直存在于太赫茲頻譜和硬光傳輸線之間的接口上。如何將太赫茲（THz）（基本上是微波和紅外線之間的空中頻譜）連接到長距離數(shù)據(jù)發(fā)送所需的傳輸線上？一方面，地球的曲率會限制視線，因此距離必須硬接線。短距離也可能受到環(huán)境障礙的阻礙：隨著波長的變短，光譜越高，被物體（甚至是雨或霧）的阻擋就越明顯。為了使6G無線成為現(xiàn)實，它必須克服一些技術(shù)障礙，例如將太赫茲頻譜連接到硬光傳輸線。

下圖顯示了THz無線鏈路通過直接光到THz (O/T)和THz到光(O/T)轉(zhuǎn)換無縫集成到光纖基礎(chǔ)設(shè)施中。

無縫集成到光網(wǎng)絡(luò)的無線鏈路，通過在THz Rx上的直接T/O轉(zhuǎn)換補充了在THz Tx上的直接O/ T轉(zhuǎn)換。該無線鏈路以0.2885 THz的載波頻率運行，最大線路速率為50 Gbit/s，橋接距離為16米。THz信號是由UTC光電二極管中的O/T轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的。在接收端，利用超寬帶POH調(diào)制器將太赫茲信號轉(zhuǎn)換為光域。該概念依賴于通過廣泛部署的光纖網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，將分布式THz收發(fā)器(TRx)前端連接到強大的中央數(shù)字信號處理(DSP)站點，這些網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施利用光載波來有效地遠距離傳輸數(shù)據(jù)信號。該結(jié)構(gòu)依賴于TRx前端的直接O/T和T/O轉(zhuǎn)換，這是實現(xiàn)光纖與THz天線有效接口的關(guān)鍵。模擬光信號和THz波形之間的直接轉(zhuǎn)換大大降低了天線位置的復(fù)雜性，提高了對大量地理分布的高性能THz鏈路或蜂窩網(wǎng)絡(luò)的可伸縮性。類似地，將計算昂貴的基帶(BB)信號的數(shù)字處理轉(zhuǎn)移到大型數(shù)據(jù)中心等集中地的概念提供了前所未有的網(wǎng)絡(luò)可伸縮性、關(guān)鍵資源的靈活和高效共享以及改進的網(wǎng)絡(luò)彈性。短距離THz鏈路與長程光纖網(wǎng)絡(luò)的無縫結(jié)合，可能是克服無線通信基礎(chǔ)設(shè)施容量瓶頸的關(guān)鍵一步。

圖1a所示的結(jié)構(gòu)依賴于THz發(fā)射機(Tx)和接收機(Rx)前端，允許光和THz信號之間的直接轉(zhuǎn)換。在DSP站點產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號的模擬基帶波形后，通過光學(xué)發(fā)射機(Opt. Tx)將其調(diào)制到頻率為f0的光載體上，然后通過光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到THz Tx。在THz Tx，然后用連續(xù)波(CW)本振(LO) 通過UTC光電二極管在fTx,LO頻率上進行掩模，將光信號轉(zhuǎn)換為THz波形，見圖1b。然后，以差頻為中心的THz數(shù)據(jù)信號通過天線傳輸?shù)阶杂煽臻g。

基本連接如圖1b和c所示。圖1c所示的方案主要依靠超寬帶電光調(diào)制器，提供延伸到THz頻譜的調(diào)制帶寬。圖1c，在T/O轉(zhuǎn)換器上，THz數(shù)據(jù)信號由另一天線接收并饋送至THz放大器。為了轉(zhuǎn)換成光載波，放大后的信號被耦合到POH馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)，該調(diào)制器由頻率為fRx,LO的光載體提供。該MZM產(chǎn)生一個上和一個下調(diào)制邊帶使用光帶通濾波器(BPF)抑制載波并選擇其中一個邊帶，如圖1c所示。該方案允許在大范圍的THz頻率范圍內(nèi)進行操作，并且在將數(shù)據(jù)編碼到光學(xué)載波之前不需要進行任何下變頻轉(zhuǎn)換到中頻，從而大大降低了THz前端的復(fù)雜性。經(jīng)過T/O轉(zhuǎn)換后，模擬信號通過光纖網(wǎng)絡(luò)返回到集中的DSP站點上的光接收器(Opt. Rx)。

圖1d用偽色掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了制備的POH MZM。光通過片上光柵耦合器(未顯示)耦合到硅光子(SiP)芯片上，并以準橫向電(準-TE)模式在硅條形波導(dǎo)(藍色)中傳播。多模干涉(MMI)耦合器將光從輸入波導(dǎo)中分離出來，并將其發(fā)射到一個不平衡的MZM的兩個臂中。在MZM的另一端有一個MMI耦合器，它將調(diào)制后的信號組合成一個輸出波導(dǎo)，并與另一個光柵耦合器相連。MZM的每條臂都包含一個POH相位調(diào)制器部分，在金電極(黃色)之間有一個窄的金屬槽(寬度w=75 nm)，如圖1e所示。在每個臂上使用一對錐形的硅波導(dǎo)將硅帶波導(dǎo)的光子模式轉(zhuǎn)換為金屬槽波導(dǎo)中的表面等離子激元(SPP)模式，反之亦然，見圖1e插圖。槽內(nèi)填滿了有機EO材料SEO100。應(yīng)用于電漿子MZM的地-地(GSG)接點的THz信號會在兩個臂的槽中產(chǎn)生THz電場，從而產(chǎn)生光學(xué)相移。從圖1f和圖g可以看出，準-TE光場和THz電場都緊緊地束縛在電漿子縫隙波導(dǎo)中，使得二者具有很強的重疊性和較高的調(diào)制效率。MZM被配置成在推拉模式下工作，在每只手臂上的相移大小相等，但符號相反。這是通過適當選擇EO材料的極化方向來實現(xiàn)的，該極化方向與兩個槽波導(dǎo)內(nèi)的THz場調(diào)制有關(guān)。

審核編輯：黃飛