6G 出手，「網中網」奇跡再現

站在 5G 時代，展望 6G 的曙光。

作者丨Keith Kirkpatrick

編譯丨OGAI

編輯丨陳彩嫻

我們正處在 5G 技術方興未艾的時代。然而，從無線運營商、芯片制造商到元技術供應商的頂級技術公司都在朝著無線通信的下一個里程碑——6G 進軍。

人們希望網絡支持更復雜的、數據密集型的應用程序，連接更多的設備和數據源，并享受持久的、無延遲的數據連接，這推動了對更快、容量更大的網絡的需求。

在 6G 技術被完全開發后，可以支持每秒 1 TB 的數據傳輸速率（理論上比 5G 提供的每秒 10GB 的最高速度快 100 倍），網絡容量是 5G 網絡的 50 到 100 倍，有望形成一個更大的設備互聯的生態系統，使消費者、公司和基于基礎設施的設備在同一網絡上運行，而不會對性能造成影響。此外，5G 網絡的延遲率通常為 4 毫秒，6G 可以將延遲幾乎降低到零，每個接入點可能能夠同時支持多個客戶端。

6G 的愿景及其技術基礎仍在形成之中。大量的科技公司、政府和產業集群都在致力于實現持久、可靠和快速的通信基礎設施，為移動應用程序智慧城市、V2x 通信、虛擬顯式和增強現實技術，甚至個人生物數據系統提供支撐。

英國自動化測試和保障解決方案提供商 Spirent 的市場策略主管 Stephen Douglas 表示：「我認為，6G 的關鍵之處在于，它將形成網絡的網絡，是互補技術的混合體，相當令人耳目一新。除了在地球上構建一個宏觀的網絡，可能還會產生人體區域網絡，人類也是其中的一部分」。6G 很可能將無線網絡與衛星、無人機、海上網絡和光纖連接網絡相互連接，從而形成一個完全連接的生態系統。

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大量的市場活動尚無標準

目前還沒有機構制定或發布 6G 的標準，管理該技術的功耗和無線信號傳輸方面仍有大量的工作需要完成。美國聯邦通信委員會（FCC）已經為早期研究、開發和測試分配了 95 GHz 和 3THz 的頻段。2020 年 10 月，總部位于華盛頓特區的電信行業解決方案聯盟（ATIS）成立了負責制定移動技術的技術和操作標準的 Next G 聯盟。該聯盟包括美國四家主要的電信公司（AT&T、T-Mobile、U.S. Cellular 和 Verizon），以及愛立信、Facebook、英特爾、LG、微軟和高通等公司，ATIS 的成立是為了推進美國在 6G 中的領導地位，重點關注在 6G 部署的整個生命周期（從研發、制造到標準化和市場準備）中，使該技術的市場參與者保持一致。

「它將成為網絡的網絡，互補技術的混合體」

當然，其他國家和公司也在努力開發可用于 6G 網絡研發的技術。芬蘭奧盧大學啟動了「6Genesis」研究項目，旨在在 2030 年開發出 6G 技術，并與日本的「超越 5G 促進聯盟」簽署了合作協議，以協調芬蘭 6G 旗艦公司在 6G 技術方面的研究工作。與此同時，韓國電子和電信研究所正在進行 6G 的 THz 頻段的研究，三星宣布計劃向芯片組制造等領域投資超過 2000 億美元，以支持 6G 基礎設施和設備的研發。

美國國內的從業者一致認為，不僅要考慮以非常高的頻率發送數據的技術挑戰，還要確定一個或多個 6G 網絡如何才能最好地服務于一系列新的數據密集型應用。

ATIS 的技術和解決方案副總裁 Mike Nawrocki 說：「我們想盡快進入 6G 時代，把北美/美國的工業界、政府和學術界凝聚在一起。不僅僅從技術的角度來考慮問題，還要考慮到應用、社會驅動因素、未來的頻譜需求，以及所有需要很多年才能解決的大的市場問題」。

在美國，人們正致力于確定 6G 如何更好地服務于一系列新的數據密集型應用。

IEEE 出版的《International Network Generations Roadmap，2022 年版》呼應了這一觀點，改文件指出：「網絡世代的進化和部署不僅受到不斷出現、演化和潛在的技術融合的影響，還受到局部和世界的社會經濟、健康狀況和政治因素的影響」。

由于開發合適的應用程序和用例、設置 6G 標準和度量指標以及建立和測試網絡技術和基礎設施方面必須完成重要的工作，6G 的商業化可能需要 8 到 10 年的時間。與功能齊全的 5G 網絡相比，6G 技術要實現更高的速度、可靠性、伸縮性、更大的網絡容量和更低的延遲，這些技術障礙是重大的挑戰。

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高頻頻譜傳播的不足之處

確定傳輸更快數據速率的技術方法 是 6G 技術發展的一個關鍵挑戰。目前，研究者們正探索多條技術路徑，很可能會使用支持在其部署區域內提高頻譜效率的信號多路復用技術，包括非正交多址接入（NOMA）和大規模多輸入多輸出（mMIMO）等技術。

雖然這些方法提供了更大的網絡容量（就一個區域內可服務的用戶數量而言），但它們并不能提高每個設備或用戶的頻譜效率，這意味著每個被服務的設備不會看到更高的數據容量。

此外，這些方法可能會引入更大的系統延遲，具有能量利用效率低的特點。基于正交頻分復用（OFDM）的 NOMA 系統則可以實現合理的頻譜效率增益。OFDM 已被應用于 5G 系統和 Wi-Fi 802.11無線局域網標準中。

另一種支持更高設備數據吞吐量的方法是將傳統的 OFDM 波形與額外的調制技術配對使用，該技術可以為每個 OFDM 符號傳輸額外的數據再創建一個維度。已經有一些研究工作討論了空間調制 OFDM、副載波-索引調制、帶索引調制的 OFDM 和帶有副載波數調制的 OFDM 等技術，它們很可能為 6G系統提供更高的數據吞吐量。

除了需要支持更高的數據速率，通過空中接口發送數據通常需要比 4G 或 5G 網絡使用的更高的頻率。目前的 5G 信號的工作頻率在 3.4Ghz 到 3.8Ghz 之間，而未來的 5G 實現工作頻率將達到約 5Ghz，無線 6G 網絡可能會使用 THz 或 sub-THz 范圍內的頻率，大約為 95Ghz 到 3Thz。

信號傳播是一項重要的挑戰。無線電信號能夠傳播的距離隨著傳輸頻率的增加而減小。考慮到高頻 6G 信號的輻射范圍相對較短（10 米）， 6G 網絡可能需要更密集的基站和中繼器網絡。

為了在無需安裝成百上千個耗電的天線或信號中繼器的條件下，使用高頻頻譜傳輸無線電波，一個潛在的解決方案是使用可重構智能表面，這種表面可以由具有特殊特性的材料制成，可用于重定向 6G 信號，在不需要專用電源的情況下充當放大器。石墨烯就是其中一種單層的基于六角形矩陣的材料，可以用于感知和反射特定方向的電磁波，增強和反射無線信號。

LG 電子和歐洲研究實驗室「Fraunhofer-Gesellschaft」使用自適應波束形成和高增益天線開關技術，在約 300 英尺的155GHz-175GHz 頻段實現了 15 分貝毫瓦還有傳輸。中國工業和信息化部正在投資并監督 6G 技術的研發。政府支持的紫金山實驗室于 2022 年 1 月宣布，在受控環境中實現了高達 206.25 千兆/秒的無線傳輸速度。

6G: 網絡的網絡？

行業觀察人士表示，6G 不僅僅是空中接口。考慮到各種各樣的應用需要網絡訪問，以及某些技術的融合，6G 標準可能會包括多種接口類型，用「網絡的網絡」來形容 6G 似乎較為恰當。

IDC 無線和移動連接技術及半導體技術團隊研究總監 Phil Solis 表示：「許多未來的應用由于營銷與 5G 或 6G 捆綁在一起。但實際上，它們可能主要是在 Wi-Fi 環境下運行，因為在 Wi-Fi 6 環境下，主導技術從 OFDM 變成了OFDMA」。OFDMA（正交頻分多址接入）是 Wi-Fi 6 中的一項技術，通過將稱為資源單元（RU）的副載波子集分配給單個客戶端，實現與多個客戶端并發的上行和下行通信，支持更大的數據傳輸通道和更高的安全性。所以，Wi-Fi 也變得越來越好。

其他專家也指出，未來的應用可能是混合的。例如，家中的數據可能使用最新的 Wi-Fi，它支持非常高的數據速率。根據IEEE IRDS 主席 Paolo Gargini 的說法，如果數據需要發送到家庭以外的地方，將使用某種類型的光纖連接將信號發送到手機發射塔，因為光纖技術在人口密集地區安裝的成本可能比在小區域內建立龐大的天線和中繼器網絡要低。

Gargini 說：「如果想在 10 年后實現 6G，有很多基礎設施還沒有建立起來。事實是，想要傳輸這種更高的頻率，比如 6G，就必須使用光纖。當使用非常高的 sub-THz 和 THz 頻譜傳輸數據時，信號傳播存在諸多限制」。

「許多未來的應用由于營銷與 5G 或 6G 捆綁在一起。但實際上，它們可能主要在 Wi-Fi 環境下運行。」

華為則在 6G 領域提出了完全不同的網絡融合方法。它宣布，計劃通過發射幾顆低軌或極低軌地球軌道（LEO/VLEO）衛星，整合地面和非地面網絡，形成一個巨型衛星群，擴大地面蜂窩基礎設施的覆蓋范圍，為超長途傳輸提供新的低延遲解決方案。預計這兩個網絡將深度集成為一個系統，其中地面和非地面網絡節點可以以類似的方式作為基站，使用戶能夠在不同的服務條件下利用每種類型的優勢。

根據 IEEE 衛星工作組的說法，在北美和其它地區，衛星 6G 預計將以前所未有的水平為非地面網絡提供 KPI 和 QoS，該工作組將結合多種技術、度量指標和方法的用例。IEEE 出版的《International Network Generations Roadmap，2022 年版》中有一章描述了使用衛星技術支持 5G 和 6G 網絡的技術障礙和解決方案，并包含了豐富的用例描述，其中結合了衛星直接接入和衛星回傳、衛星物聯網、衛星網絡的毫米波、網絡管理、QoS/QoE、安全，以及 3GPP、ETSI、ITU 和 IEEE 最近的標準化活動。

日本電信公司 NTT 提供了另一套在 6G 網絡中提高數據傳輸速度和降低能耗的方法，包括開發和測試一種使用端到端光通信基礎設施的無線網絡——IOWN。該網絡使用光子或光束來傳輸數據，無需將信號轉換為電信號。由于不需要這種信號轉換，NTT 的目標是與傳統網絡相比，在功耗、端到端延遲和傳輸能力水平上提高 100倍。

然而，值得注意的是，由于大量的技術和資金方面的問題，6G 的愿景，以及任何潛在的標準方法，都可能在其商業推出之前發生變化。從技術的角度來看，只要各種網絡之間的接口是標準化的，允許數據在網絡之間流動，實際的 6G 架構標準在未來可能并不那么重要。

Spirent 的 Douglas 說：「我認為 6G 是將 Wi-Fi 和蜂窩網絡融合在一起的絕佳機會。我們能不能有一種通用的、可以連接到任何類型的后端網絡的無線連接?只要它們之間的互操作性是標準化的，6G 網絡的底層可能完全不同」。

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