圖解通訊原理與案例分析-30：6G-天地互聯、陸海空一體、全空間覆蓋的超寬頻行動通訊系統

前言：

6G 即第六代行動通訊，6G 將在5G 的基礎上，把陸地行動通訊網擴充套件至天空，構建一個天地互聯、陸海空一體、全空間覆蓋的超寬頻行動通訊系統，包括衛星通訊網路、無人機通訊網路、陸地超密集網路、地下通訊網路、海洋通訊網路等。目前仍在預研階段。本文也僅僅是探究性的展望。

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目錄

第1章 1G/2G/3G/4G/5G發展以及5G沒有解決的問題

1.1 蜂窩行動通訊技術的發展

1.2 5G還沒有解決的問題與痛點

1.3 5G到6G的演進

第2章 6G的目標與願景

2.1 應用願景

2.2 技術指標願景

2.3 6G通訊的顯著特點

第3章 6G的發展歷程

3.1 中國6G的發展歷程

3.2 國外6G的發展歷程

第4章 6G的關鍵技術（6G無線熱點技術研究白皮書）

4.1 6G超寬頻通訊系統的網路架構

4.2 6G超寬頻通訊系統的軟體架構

4.3 太赫茲通訊技術

4.4 6G 通道模擬技術及射線跟蹤

4.5 大頻寬與全頻譜協作

4.6 軌道角動量調製技術

4.7 寬頻太赫茲硬體元器件技術

4.8 太赫茲天線技術

4.9 太赫茲射頻技術

4.10 大容量基帶數字訊號處理技術

參考：

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第1章 1G/2G/3G/4G/5G發展以及5G沒有解決的問題

1.1 蜂窩行動通訊技術的發展

• 1G：第一代行動通訊技術（1G）是指最初的模擬、僅限語音的蜂窩電話標準，制定於上世紀80年代。

Nordic行動電話（NMT）就是這樣一種標準，應用於Nordic國家、東歐以及俄羅斯。其它還包括美國的高階行動電話系統（AMPS），英國的總訪問通訊系統（TACS）以及日本的JTAGS，西德的 C-Netz，法國的Radiocom 2000和義大利的RTMI。模擬蜂窩服務在許多地方正被逐步淘汰。

• 2G，第二代手機通訊技術，以數字語音傳輸技術為核心。

一般定義為無法直接傳送如電子郵件、軟體等資訊；只具有通話和一些如時間日期等傳送的手機通訊技術規格。不過手機簡訊在它的某些規格中能夠被執行。

• 3G是第三代行動通訊技術，是指支援高速圖片資料傳輸的蜂窩移動通訊技術。

3G是將無線通訊與國際網際網路等多媒體通訊結合的一代行動通訊系統，能夠同時傳送聲音、文字、圖片、視訊資料資訊。

• 4G是第四代行動通訊技術，是指支援高清視訊資料傳輸的蜂窩移動通訊技術。

4G將分組域與電路域融合，實現了全IP通訊，能夠同時傳送聲音、文字、圖片、高清視訊資料資訊。

• 5G是第五代行動通訊技術, 是同時支援超高資料速率、超低延時、超大規模資料傳輸的蜂窩移動通訊技術。

5G將無線通訊技術與人工之智慧、大資料、雲端計算相融合。

5G對4G的空口技術進行了優化，速率可達1G, 10G, 20G，

5G還對網路進行了重構，雲平臺、虛擬網路功能、軟體定義網路、業務切片等技術，使得5G的無線網路具備了極大的彈性，以支援各種複雜的業務 。
 

1.2 5G還沒有解決的問題與痛點

• 覆蓋

5G的網路覆蓋是通過增加大量的基站來實現，基站的部署受到物理空間的限制，還無法真正實現全球覆蓋，比如海洋，高山，沙漠等極端環境和無人區。

• 功耗

5G的頻譜寬度是4G的5倍以上，5G單站功耗是4G單站的2.5~3.5倍，AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因。目前單站滿載功率近3700W，需對現網電源、配套進行提前擴容。

5G裝置功耗是擺在運營商面前的一個嚴峻挑戰，也是我們推進5G建設的一個重要障礙。

 

1.3 5G到6G的演進

（1）頻譜的演進

 

（2）業務的演進

 

第2章 6G的目標與願景

2.1 應用願景

6G是第六代行動通訊技術, 將蜂窩無線通訊與衛星通訊相融合，實現實現真正意義上的全球無縫覆蓋和萬物互聯。

6G網路將是一個地面無線通訊與空中衛星通訊整合的全連線世界。通過將衛星通訊整合到6G行動通訊，實現全球無縫覆蓋，網路訊號能夠抵達任何一個偏遠的鄉村，讓深處山區的病人能接受遠端醫療，讓孩子們能接受遠端教育。

此外，在全球衛星定位系統、電信衛星通訊系統、地球影像衛星系統和6G地面蜂窩通訊系統、地面網際網路系統的聯動支援下，地、空全覆蓋網路還能幫助人類預測天氣、快速應對自然災害等。

這就是未來的6G，6G通訊技術不再是簡單的網路容量和傳輸速率的突破，它更是為了縮小數字鴻溝，實現萬物互聯這個“終極目標”，這便是6G的意義。

這與埃隆馬斯克的星鏈計劃異曲同工。

 

2.2 技術指標願景

（1）採用太赫茲（THz）頻段通訊，網路容量大幅提升。

（2）頻譜頻寬：可能高達1G以上

（3）峰值傳輸速度達到 100Gbps – 1Tbps，而5G僅為10Gpbs；

（4）室內定位精度達到10釐米，室外為1米，相比5G提高10倍；

（5）通訊時延0.1毫秒，是5G的十分一；

（6）中斷機率小於百萬分之一，擁有超高可靠性；

（7）連線裝置密度達到每立方米過百個，擁有超高密度；

 

2.3 6G通訊的顯著特點

（1）空口技術：太赫茲通訊

無線資源採用太赫茲頻譜

（2）物理載體：高空無線平臺（如衛星等）

無線基站由地面向太空擴充，實現天地互聯、全球覆蓋的衛星、蜂窩行動通訊系統。

（3）網路技術：去蜂窩化的軟體架構

對傳統的蜂窩通訊網路架構和軟體實現進行革新，採用基於人工智慧的軟體架構、雲端計算軟體架構、網路切片軟體架構、區域鏈軟體架構等新新軟體架構。

 

第3章 6G的發展歷程

3.1 中國6G的發展歷程

2018年3月9日，工信部部長苗圩表示中國已經著手研究6G。 

2019年11月3日，科技部會同發展改革委、教育部、工業和資訊化部、中科院、自然科學基金委在北京組織召開6G技術研發工作啟動會。會議宣佈成立了國家6G技術研發推進工作組、國家6G技術研發總體專家組。

2019年11月20日，2019世界5G大會獲悉，中國聯通和中國電信已分別展開6G相關技術研究。 

2019年11月，2019年全球首份6G白皮書《6G無線智慧無處不在的關鍵驅動與研究挑戰》釋出。白皮書中指出，6G的大多數效能指標相比5G將提升10到100倍。在6G時代，1秒下載10部同型別高清視訊成為可能 。

2019年以來，廣東省新一代通訊與網路創新研究院聯合清華大學、北京郵電大學、北京交通大學、中興通訊股份有限公司、中國科學院空天資訊創新研究院共同開展了 6G 通道模擬、太赫茲通訊、軌道角動量等 6G 熱點技術研究。 

2020年11月，北郵6G專案獲得2020年國家重點研發計劃“寬頻通訊與新型網路”重點專項資助

 

3.2 國外6G的發展歷程

2018年，芬蘭：Nokia開始研究6G相關技術。

2019年3月15日，美國：聯邦通訊委員會（FCC）一致投票通過開放“太赫茲波”頻譜的決定，以期其有朝一日被用於6G服務 。

2019年3月24日至26日，芬蘭：拉普蘭舉行關於6G的的國際會議。歐盟、俄羅斯等也正在緊鑼密鼓地開展相關工作。

2019年，韓國：三星電子公司和LG電子公司都在設立6G研究中心，

2020年7月14日韓國：三星電子釋出了《下一代超連線體驗》白皮書。

2020年4月8日，日本：總務省釋出了2025年在國內確立6G主要技術的戰略目標，希望在2030年實現6G實用化。 

2020年，俄羅斯：斯科爾科沃科學技術研究院的科學家們開發了一種技術，並研製出了用於開發俄羅斯第六代通訊系統（6G）元件的裝置。斯科爾科沃科學技術研究院研製的裝置為開發6G系統元件開闢了新的前景，特別是太赫茲到光波段的訊號轉換器。 第六代領域的研究是在“國家技術倡議”無線通訊技術與物聯網能力中心活動框架內進行的。該院在研發過程中依靠的是先進的科學和實驗室設施以及與俄羅斯領先公司的生產聯絡。新裝置可允許模擬波長為1.5微米的光輻射，頻率為10GHz的電訊號。 [12] 

2020年12月16日，日本：正在瞄準6G目標，採取多項措施推進6G研發。日本追加預算中，更是撥款用於促進6G研發，試圖加大力度推進6G研發，在下一個賽道搶佔市場先機。

 

第4章 6G的關鍵技術（6G無線熱點技術研究白皮書）

4.1 6G超寬頻通訊系統的網路架構

6G 即第六代行動通訊，6G 將在5G 的基礎上，把陸地行動通訊網擴充套件至天空，構建一個天地互聯、陸海空一體、全空間覆蓋的超寬頻行動通訊系統，包括衛星通訊網路、無人機通訊網路、陸地超密集網路、地下通訊網路、海洋通訊網路等。

為了完成覆蓋全球全地形的全維度通訊系統，

（1）地球衛星網路以及飛機、無人機、飛艇等空中飛行裝置組成的“空天”網路也將融合進來。

（2）6G 開發的太赫茲頻段，在太空不存在吸收損耗的問題，具有傳輸速度快和傳輸距離遠的優點，主要應用於衛星間通訊，

（3）衛星輔助的無線通訊可以提供更大的覆蓋範圍並解決高速移動終端的覆蓋問題。

（4）低軌道衛星通訊可以實現較低的傳輸時延，同時衛星通訊融合也能解決全維度網路架構對大量空中移動節點（例如無人機、平流層飛艇等）的管理問題。

（5）衛星融合最簡單的方式是：衛星網路作為地面基站和核心網的回傳或者作為地面有線回傳的備份。

此外，學界還提出了Non-3GPP 接入和3GPP RAT 接入兩種方式。

（1）前者將衛星接入到6G 核心網，和地面行動網路共用核心網；這種方式，衛星依然是傳統的衛星通訊，不是3GPP的無線接入網。

（2）而後者是衛星網路和地面網路的深度融合方式，將衛星作為一種特殊的6G 基站接入到6G核心網。此時，衛星就是3GPP的無線接入網。

隨著太赫茲相關研究的推進和技術進步，太赫茲波段在衛星通訊上的應用也將更加成熟可靠

 

海洋通訊網路：

包括海上無線通訊系統、海洋衛星通訊系統和基於陸地蜂窩網路的岸基行動通訊系統，它能夠保障近海、遠海和遠洋的船舶海岸、船舶-船舶的日常通訊，而深海遠洋通訊子網也將納入水下/深海通訊。

 

水下無線通訊的載體主要有三種：

聲波、電磁波和光波，基於三種載體的通訊方式各具利弊，將兩種甚至多種通訊方式結合起來是當下的研究熱點。

 

4.2 6G超寬頻通訊系統的軟體架構

它將對傳統的蜂窩通訊網路架構和軟體實現進行革新，採用基於人工智慧的軟體架構、雲端計算軟體架構、網路切片軟體架構、區域鏈軟體架構等新新軟體架構。

（1）人工智慧的軟體架構

• 機器學習模式在通訊界的應用：

利用人工智慧和機器學習進行物理層端到端優化和聯合優化是學界的研究熱點，現在人工智慧框架強項是針對影像、視訊、文字和語音資料，直接把這些框架拿來解決通訊領域資料，匹配效果無法達到最優。

• 去中心化AI 通訊：

6G 的“海量物聯”時代，在陸地、海洋和天空中都會有大量的互聯終端裝置，利用這些數以億計的感測器的實時感知與智慧計算能力，支援多終端共享AI算力，智慧終端裝置側AI 也必將從單裝置、多裝置正式走向分散式和去中心化模式，為6G 的異構、多終端實時感知計算提供了有力的支援。

 

（2）區塊鏈與無線網路融合技術

區塊鏈是一種技術體系，由歸屬權各異的分散式資料庫組成，並按照時間順序，將資料區塊以鏈式結構進行組織，並以密碼學演算法保證區塊鏈上資料及行為記錄的公開、安全、可追溯且不可篡改。

區塊鏈能夠為6G 網路提供面向機器、程式碼的網路信任，提升6G 網路頻譜、裝置、資料等資源利用效率的同時，實現資源動態高效共享與實時結算，如6G網路運營商間共建共享、運營商與垂直行業頻譜動態共享、6G 天地一體網路星地頻譜共享、巨集微基站協同、終端/裝置租賃/共享、資料共享、數字身份認證、數字資產、大規模物聯網裝置/資料可信租賃共享。

區塊鏈作為一種基於分散式資料庫發展起來的技術體系，必然面臨儲存效率低下、吞吐效能受限於鏈上節點數量等核心問題，再加上源自網際網路思維早期推廣階段的推波助瀾，成百上千的異構“煙囪式”區塊鏈導致區塊鏈底層技術平臺呈現割據狀態，為資料同步、監控管理等方方面面引入了新的難題。

 

4.3 太赫茲通訊技術

（1）頻譜

太赫茲輻射是0.1~10THz的電磁輻射

從頻率上看， 在無線電波和光波之間， 進一步講，毫米波和紅外線之間；

從能量上看， 在電子和光子之間

 

（2）動機

• 頻譜資源稀缺

在無線通訊發展百餘年後的今天，軍事通訊領域500MHz～5GHz頻段資源已日趨稀缺。

未來量子通訊技術雖值得憧憬，但目前仍有些遙不可及。

而太赫茲這一曾被“遺忘”的波段，整合了微波通訊與光通訊的優點：具有傳輸速率高、容量大、方向性強、安全性高及穿透性好等諸多特性，在軍事通訊應用上的前景誘人，已成為各國挖掘開發的熱點。

• 頻寬容量大

太赫茲的頻段比現有微波通訊要高出1～4個數量級，這也就意味著它可以承載更大的資訊量，輕鬆解決目前現場實時視訊傳輸受制於頻寬的問題，滿足大資料傳輸速率的通訊要求。

 

（3）難點

• 技術空白：在電磁頻譜上，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術已經非常成熟，但是太赫茲技術基本上還是一個空白，其原因是在此頻段上，既不完全適合用光學理論來處理，也不完全適合微波的理論來研究。
• 訊號衰減大，傳輸距離短：太赫茲在空氣中傳播時很容易被水分所吸收，訊號衰減嚴重。當然傳輸距離短，也可實現隱蔽的近距離通訊，不容被竊聽。

 

4.4 6G 通道模擬技術及射線跟蹤

6G通道模擬面臨的困境：

（1）6G 採用太赫茲電磁波，其傳播特性更接近於光（射線），傳統的基於無線電波和微波的通道模擬不太適合於太赫茲電磁波。

（2）太赫茲對傳播環境和移動性高度敏感，而波束賦形等太赫茲大規模多天線甚至是超大規模多天線技術對通道空間解析度的要求又極高。

（3）太赫茲動態通道測量難度巨大，昂貴複雜。

（4）僅僅依靠測量，在太赫茲頻段已無法獲得全面且精細的通道空、時、頻資訊。

作為確定性通道建模方法的代表，射線跟蹤（Ray-tracing, RT）於上世紀90年代開始用於無線通訊的研究。它能夠準確地考慮到電磁波的各種傳播途徑，包括直射、反射、繞射、透射等，並能考慮到影響電波傳播的各種因素，從而針對不同具體場景做準確的預測。

基於射線跟蹤的確定性通道建模方法可以提供準確的功率、時延、角度、極化等通道資訊，適用於不同頻段的時變多輸入多輸出通道的模擬、預測與建模。

 

4.5 大頻寬與全頻譜協作

在6G 系統當中室內和室外連線的峰值資料速率最高將可達1 Tbps。並且保證95%使用者位置的使用者體驗資料速率預計將達到1 Gbps。

為了支援極高的峰值速率，支援的最大接入頻寬必須大幅增加。

毫米波頻段可支援高達10 GHz的頻寬，

太赫茲和可見光頻段可達100 GHz，

因此鐳射、可見光通訊和太赫茲通訊的全頻譜協作是6G 研究的主題。

 

4.6 軌道角動量調製技術

電磁波軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）是區別於電磁波電場強度的另一個重要物理量。

具有OAM 的電磁波又稱“渦旋電磁波”，其相位面沿著傳播方向呈現螺旋狀，已經不是平面電磁波。

電磁波軌道角動量提供了除頻率、相位、空間之外的另一個維度，給人們提供了一個新的視角去認識和利用電磁波。

整數倍OAM 模態數的電磁波之間相互正交，在同一個頻點可以通過OAM複用傳輸多路正交訊號，從而提高頻譜效率，增加通道容量。

“OAM 複用傳輸獲得頻譜效率的大幅提高”是目前OAM 電磁波應用於通訊領域最大的關注點，也是未來無線通訊，特別是大規模無線中繼傳輸的重要發展方向。

具有不同模態數的電磁渦旋波間相互正交,因此在無線傳輸過程中,可以在同一載波上將資訊載入到具有不同軌道角動量的電磁波上,實現大資料量的傳輸,這種OAM 電磁波複用技術可有效提高頻譜利用率。

 

4.7 寬頻太赫茲硬體元器件技術

• 太赫茲頻段的混頻器/調製器
• 太赫茲訊號功率放大器
• 太赫茲發射接收電路
• 太赫茲高增益天線
• 太赫茲大規模陣列天線和MIMO 天線技術
• 太赫茲通訊相關的關鍵器件材料工藝（磷化銦、鍺矽CMOS、COMS、石墨烯、無損太赫茲材料等）
• 太赫茲通訊的器件微散熱技術
• 太赫茲通訊的抗干擾技術

 

4.8 太赫茲天線技術

（1）天線的形式：太赫茲天線由於工作頻段極高，所對應的輻射單元物理尺寸極小。0.1THz 標準偶極子天線的長度大概在1.5mm 左右。因此太赫茲天線的加工和製作有很高的難度，這極大的限制了可使用的太赫茲天線的形式。

（2）天線增益：由於太赫茲頻段的電磁波在空氣中衰減要比毫米波大上許多，太赫茲通訊需要高天線增益來補償極大的訊號傳輸損耗，因此高增益的太赫茲天線裝置至關重要。

• 反射面天線技術是實現高增益太赫茲天線的主要手段，然而這種技術難以實現靈活的波束成形，限制了太赫茲頻段下多使用者複雜通訊的實現
• 相控陣列天線增大太赫茲天線靈活性

 

4.9 太赫茲射頻技術

太赫茲通訊原型系統的鏈路調製方式目前主要有兩種不同架構：

（1）光電結合的方案

利用光學外差法產生頻率為兩束光頻率之差的太赫茲訊號，該類方案的優點是傳輸速率高，缺點是發射功率低，系統體積大，能耗高，適用於地面短距離高速通訊方面，較難用於遠距離通訊。
（2）太赫茲通訊鏈路是與微波無線鏈路類似的全固態電子鏈路，

利用混頻器將基帶或中頻調製訊號上變頻搬頻到太赫茲頻段，該類方案採用全電子學的鏈路器件，優點是射頻前端易整合和小型化，功耗較低，缺點是發射功率和工作能效也較低。

（3）智慧反射表面技術

智慧反射表面技術是通過控制在無線傳播環境中部署的亞波長人工合成超材料的電磁特性，使電磁波入射超材料時，能夠獲得預期的反射訊號或透射訊號，以達到控制訊號的幅度、頻率、相位、極化特性，實現干擾協調（吸波與全反射）、波束形成與訊號補盲（入射訊號與反射訊號可以不滿足映象關係）、非線性頻譜搬移（諧波）、簡化射頻（射頻功能向材料層下移）、生成OAM 訊號（產生正交訊號）、解決高頻訊號繞射傳播、無線供電、低成本相控陣等6G 應用價值。當前在該技術方向的研究難點在於超材料的製造工藝、超材料與有源器件的結合、超材料與天線結合、多維調控耦合等問題。

（4）可見光通訊照明+定位融合技術

可見光通訊照明定位融合技術是指：利用可見光發光二極體（LED）高速切換的特性，通過LED 照明、顯示等裝置將受資訊調製的電訊號轉換成光訊號進行傳輸，再通過光電二極體等光電轉換器將接收到的光訊號轉換為電訊號，最終解調得到資訊，同時實現照明、定位和通訊三種功能的技術。

 

4.10 大容量基帶數字訊號處理技術

（1）超高的訊號頻寬處理：動則幾個GHz 的頻寬，對基帶平臺的數模轉換需求，數字IQ 傳輸需求，物理層的處理技術，都形成了硬體設計和器件技術的壓力。

（2）彈性的基帶處理架構：為了滿足全頻段的多場景的挑戰，具有彈性的基帶處理架構是一個較合適的選擇。

• 處理頻寬和取樣精度的靈活性：針對調製和解調變化或者自適應性，以及物理工作頻寬的自適應性，顯然兼具多域能力的需求也是在未來研究的一個重點工作；
• 數字介面的能力適配性：這方面的研究重點是如何在滿足最大能力的基礎上，降低代價，可以在介面多適配和多速率，以及節能方面進行研究，推動該極高速介面的發展和標準、器件研究；
• 基帶處理的資源池化能力：作為需滿足各種空口需求的物理層處理，需要從應用場景，採用的6G 熱點技術進行匹配計算能力，選取最經濟的方式實現基帶演算法的處理，

（4）高頻器基帶器件

（5）太赫茲通訊的空口技術

5G NR 採用CP-OFDM 和DFT-s-OFDM 作為上行/下行鏈路的波形。
與LTE 和5G NR 空口技術相比，太赫茲通訊具有豐富的頻譜資源，擁有超大頻寬的資源優勢，但是現階段太赫茲通訊也面臨著一些挑戰，包括：

器件功耗大、取樣頻寬受限、PA 非線性大效率低、相位噪聲高、路損大等。

為了克服這些挑戰，太赫茲通訊除了依賴於高頻器件的研究發展及效能提升之外，也需要通過空口技術的有效設計來保證和實現。

因此，太赫茲通訊的空口技術在設計基帶波形、幀結構和引數集、調製編碼、波束管理等技術時要綜合考慮硬體鏈路的非線性特性。

（6）新型調製方式

• FTN(faster-than-Nyquist) 
• SEFDM(spectrally efficient frequency division multiplexing)，

 

（7）波束管理技術

相對於傳統行動通訊頻段，太赫茲頻段的路損衰減很大。

然而，得益於太赫茲頻段單位面積可以容納更多天線的特點，可以通過波束的方式來克服路損衰減大的不利因素。

波束管理主要分為如下關鍵技術：

• 波束訓練：

太赫茲波束數目多,主要解決的問題是如何以較低的訓練開銷、延遲及複雜度, 快速找到滿足傳輸條件的波束鏈路，解決方案可考慮如何充分利用空域的稀疏性。

• 波束跟蹤：

太赫茲波束窄，容易發生切換，主要解決的問題是隨著終端的移動，準確快速地對使用的波束鏈路進行調整、切換，解決方案可考慮與人工智慧結合。

• 波束恢復:

太赫茲訊號繞射能力弱,容易發生阻塞, 主要解決的問題是當原有波束鏈路失效時，收發可以快速重建新的波束鏈路進行通訊，解決方案可考慮多個節點之間的協作傳輸。

 

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參考：

《6G無線熱點技術研究白皮書》https://download.csdn.net/download/HiWangWenBing/13993614