6G空口10大技术

 产业动态     |       2021-10-13 20:19:58
5G 为 eMBB、mMTC、URLLC 等服务及其相关 KPIs提供支持。然而,6G 网络有望带来更具挑战性的应用(例如全息远程呈现),并满足更为严格的要求,例如 Tbps 数据吞吐量、亚毫秒级网络层时延、极高的可靠性和低误包率(如10的-8次方)、更大的终端分布密度、极高的能效/超低能耗、非常高的安全性、厘米级精度定位等。其中一些挑战可以通过在太赫兹(THz)、亚太赫兹、红外和可见光波段中使用更多的电磁频谱来解决。作为补充,目前用于 5G 和其他现有移动通信系统的厘米波和毫米波频谱需要重耕并得到重用,且需要仔细解决移动或非移动系统之间的共存问题。考虑到物理定律对太赫兹频谱利用带来的挑战,商业上可行的太赫兹通信系统的设计需要联合研究波形和调制、无线电信道特性、波束赋型和硬件的可行性。需要进一步开发无线电的组成模块(波形、调制和编码、非正交多址、全双工、分布式的大规模 MIMO 等)以满足严格的 6G 要求。其中,需要对智能反射面(IRS)、集成定位、感知和通信(例如在工业应用中广泛使用机器人技术)、大规模连接的随机接入、无线边缘缓存等领域进行研究。此外,虽然机器学习和人工智能作为一种工具已被成功用于许多应用,然而其在无线接口设计中的应用尚需大力研究。

具体而言,对于6G空口设计,应研究以下关键使能技术:

①频谱再利用。5G 通常在eMBB、URLLC 和 mMTC 使用低频段(< 2 GHz)和中频段(2-8 GHz),并在eMBB和URLLC使用高频段(> 24 GHz)。分配的频谱及其可用性是决定系统容量的主要因素之一。然而,无线电频谱是一种非常稀缺的资源。尤其是低频段非常珍贵且受到严格监管。为了满足即将到来的 6G 系统的高带宽需求,有效地重新利用现有的低、中和高频段频谱资源(例如联合使用许可和非许可频谱、使用基于认知无线电的解决方案)至关重要。

②毫米波(mmWave)通信:与中低频段相比,毫米波具有更大的可用带宽,这对于 6G 来说是非常宝贵的资产。目前,低于 50 GHz 的毫米波已被考虑用于 5G NR,预计 6G 将需要更多的毫米波频段(例如高于 100 GHz)。毫米波技术为回传、前传和接入网络提供了很好的解决方案。由于可以支持高数据速率,毫米波适用于自动驾驶、智能工厂等。 特别是对于 6G 要求,需要克服进一步的挑战,例如高效的发射和接收波束赋型设计、低功耗且低成本的调制编码方案实现、高吞吐量等。

③光无线通信(OWC):尽管有小蜂窝概念和新的射频频谱分配,但移动流量的指数级增长可能会导致电磁频谱射频部分的拥塞。在红外和可见光谱(大约是 300 GHz 整个射频频谱大小的 2600 倍)中使用 OWC 可以缓解这种情况并对传统的射频通信形成补充——尤其是在密集的室内部署中。 OWC 的其他优势是组合照明和数据通信、现成的光学设备的可用性、提供地理围栏和地理定位改进、多径衰落不明显、室内环境中的厘米级定位等。主要挑战包括,缓解光近视距传输造成的阻塞、减轻干扰以确保UE可以实现高SINR,以及OWC网络的发展和融入6G。光通信可用于通过有线/光纤和/或无线回程、双向有线电视网络、自由空间光网络和非地面网络(例如基于机载或航天器的链路)连接核心网络等等。

④太赫兹(THz)通信,包括半导体技术和新材料:在太赫兹频段(0.1-10 THz)中实现通信的技术也被视为可满足关键更高的数据速率要求(例如 Tbps)。太赫兹无线电将从毫米波的大型相控阵发展而来,但由于现代半导体和封装技术的物理限制,在有效实施方面将面临更多障碍。当新材料(如石墨烯)成熟并可以大规模生产时,它们可能会发挥作用。在此之前,这些解决方案将依赖于新颖的 RF 架构以及天线、封装和半导体工艺的持续开发,并在性能和成本之间谨慎平衡。该领域的其他挑战包括新的太赫兹信道模型、新的波形和调制方案、新的实验平台和测试平台、新的 MAC 协议、非线性和相位噪声的建模和缓解、具有合理功耗的数十 Giga 样本/秒的 ADC/DAC、MIMO 天线阵列和发射/接收链的有效实现、太赫兹频段的调节和标准化等。在同时跨多个频段工作的单链无线电设计方面的新范式可以帮助实现系统性能目标。混合光学处理也可以提高效率。

⑤大规模和超大规模 MIMO:已在 5G 背景下引入和研究了 mMIMO 的概念。尤其是对于更高的频率,由于波长更短,可以在很小的区域内封装大量天线,从而产生了mMIMO和ultra-mMIMO的概念,以及基站和UE双倍的mMIMO。改善无线通信的另一种方法是改变无线信道的传播特性,例如,通过智能反射面 (IRS) 或大型智能面 (LIS)。当前以小区/网络为中心的方法可以更改为以用户为中心的方法,其中可以通过选择附近的 AP 子集来动态确定为特定 UE 提供服务的集群。它与分布式 mMIMO的结合导致了所谓的无蜂窝 mMIMO。在这个概念中,所有 AP 都能够在没有任何小区限制的情况下协同为 UE 服务,具有相干传输和接收的可能性,并且可以提供几乎统一的网络服务。为了有效地实现分布式 MIMO,我们需要解决波束管理、更高频段非相干的实用方法以及全数字波束控制。应将 mMIMO 和传输作为 E2E 解决方案来评估成本。另一种在大面积上部署许多天线的布置,即建筑物的立面,导致了超大 mMIMO 的概念。然而,仍然存在许多挑战,例如信道建模;每个天线单元的馈电和控制;大量信道元素的实时估计和反馈;同步;调度大量终端;架构和功能拆分选项;网状配置中的集成接入、回传和前传;以用户为中心、动态且可扩展的 AP 集群和负载均衡;分布式空时频率编码以利用所有分集源;FDD操作;移动支持。

⑥波形、多址和全双工设计:xDSL、Wi-Fi、4G 和 5G 已采用 CP-OFDM(循环前缀 OFDM)波形。 CP-OFDM 需要严格同步以保持正交性。其他波形,例如滤波器组多载波、通用滤波多载波或广义频分复用,已针对不同的应用场景提出。在具有大多普勒扩展的高移动性场景中,还引入了正交时频空间调制。作为补充,放宽正交性约束可以导致更有效和更灵活的使用无线信道。例如,非正交多址接入 (NOMA) 或速率分割多址接入 (RSMA) 可以产生更大的可实现速率并提供免授权频段接入的手段。此外,波形设计可以扩展到雷达领域,以提供组合雷达和通信功能的潜力。此外,先进的自干扰和交叉链路干扰消除技术可以潜在地将频谱效率提高一倍,并使带内全双工收发器具有广泛的优势,例如用于中继和双向通信。需要具有优化参数的硬件友好波形(例如具有低包络波动),以减少在太赫兹频率存在的硬件约束的负面影响,例如低峰值输出功率、强非线性失真和高相位噪声。

⑦增强编码和调制:信道编码旨在纠正传输错误,因此是确保“可靠性”的关键。然而,它是最复杂的基带处理模块之一。现代信道编码方案,例如具有出色性能的 Turbo、LDPC 和 Polar 码已进入多种通信标准,包括2G、3G、4G 和 5G。例如,5G 支持高达 20 Gbps 的吞吐量和高达5个9的可靠性。未来的 6G KPI 和用例对编解码器设计提出了新的要求,因此需要研究接近香农极限的高级信道编码和调制方案,旨在实现极高的吞吐量、极高的可靠性、极低的功耗和低编码/解码延迟,例如 Tbps 吞吐量信道解码器、去除整形损失的调制等。

⑧集成定位、感知和通信:上下文感知对于许多需要集成定位、感知和通信功能的现有和新兴应用至关重要。高精度位置感知已被确定为许多应用的关键推动因素,包括自动驾驶汽车、未来工厂、智能城市、虚拟/增强现实和公共安全。集成定位、感知和通信将实现智能网络管理,提高频谱和能源效率,并减少延迟。未来的无线系统以更高的频率运行,具有更大的带宽、更多的天线、更密集的网络和 D2D 链路,以及可能的专用基础设施,将促进厘米级精度的无线电定位。但是如何设计这样一个系统呢?如何利用定位来提高通信效率?雷达或许能够感知环境、识别人类手势并感知不同的材料,为现有技术提供具有成本效益的替代方案,但雷达和通信应该如何在 6G 中融合?这个领域对于一个更美好的社会非常有希望,但截至今天,还没有完全成熟。在 6G 基础设施和网络中实现传感标准化之前,需要解决重大的研究挑战,包括波形设计、干扰管理(例如自干扰/全双工)、频谱资源共享、硬件重用、定位和通信之间的时间共享、被动模式下的性能保证、信息论和估计理论限制、利用 AI/ML 和边缘计算技术、成本和能源效率等。

⑨海量连接的随机接入:5G已经可以支持大量连接设备的mMTC。然而,在未来的网络中,将连接数百万台设备,其中许多设备只会生成非常零星的数据。如何在不消耗整个网络资源和节点能量的情况下协调这样一个网络需要仔细研究。此外,随着设备数量变得非常庞大,可靠性基于重传的接入协议将带来严峻挑战。因此,设备在不与基站进行任何资源协商的情况下传输它们的(通常是短的)数据包的无授权方法,可能限制或避免重传,看起来很有希望。作为补充,嵌入无处不在的设备需要由某种形式的能量收集供电,并以节能协议运行。

⑩无线边缘缓存:点播视频流和互联网浏览的特点是异步内容重用;高度可预测的需求分布;延迟容忍,和可变的质量。对于此类应用,当前的移动系统通常存在一些问题,例如宏小区的无线容量不足,和/或到小小区的有线回程薄弱或昂贵。在这种情况下,无线边缘缓存提供了一种有效的解决方案。缓存可以减少网络负载和干扰,从而提高频谱和能源效率,并减少通信延迟。但是缓存通常是在核心网络中实现的,如何在无线中高效地实现它(例如,结合多用户 MIMO 物理层方案)需要研究。此外,需要仔细研究 6G 无线电技术以应对未来的广播/多播服务,以实现具有成本效益且可扩展的海量内容交付平台。6G代表了移动宽带和传统广播网络融合的大好机会。在欧洲,至少在 2030 年之前,470-694 MHz 频段将用于提供地面广播服务,这一时间线与第一个 6G 版本非常吻合。特别是6G宽带广播,支持从低功率低塔到高功率高塔的基础设施,可以将发射功率降低90%左右,在保持现有数字地面提供的容量的同时,为绿色低碳做出贡献。


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