诺基亚预计,按照典型的10年一代的周期,6G系统将在2030年实现商业化。在超越5G的情况下,人类智能将通过与网络和数字技术紧密耦合和无缝交织而得到增强。随着人工智能的进步,机器可以将数据转化为推理和决策,帮助人类在物理世界中更好地理解和行动
文︱立厷
图︱网络
2021世界移动通信大会(上海)(MWCS)释放了前瞻信号:经过2020年5G“加速度”后,2021年5G将持续拉动经济增长。
古人云:宜未雨而绸缪,毋临渴而掘井。5G如日中天之时,先知先觉的研究机构已在谋划未来5G向6G的过渡,探讨6G的产业挑战和机遇。
如果说5G是物联网(IoT)的爆发时代,6G则将是全球智能化时代,类似全息投影、沉浸式虚拟现实技术等都将得以呈现。
全球5G加速部署
过去的2020年,中国新建60万个5G基站,总数超过71．8万个;2021年,中国计划新建5G基站60万个,形成“以建促用,以用促建”的良性发展模式。这是工业和信息化部副部长刘烈宏在MWCS上的解读。
除三大电信运营商外,中国广电将加入5G网络建设阵营。中国广电董事长宋起柱表示,计划今年启动700MHz频段5G网络规模建设,预计2021年进入快速部署期。
2020年,中国5G手机销售了1．63亿部,5G终端连接数超过2亿;2021年,5G用户数将进入快速增长期,预计5G用户将超5亿。终端产业链将受益于网络的快速部署。
据统计,5G应用的80%在产业端,2021年5G的行业落地在有望提速。华为常务董事、运营商BG总裁丁耘表示,2021年将是5GToB(面向行业)规模的商用元年。例如,华为南方工厂130米长的手机生产线有大约500台设备接入5G网络,实现了实时数据交互。智能化产线减少了80%的操作工人数量,整体生产效率提升3倍以上。
全球移动设备供应商协会(GSA)的报告显示,截至2021年1月,全球61个国家与地区拥有实时5G商业网络。随着5G时代的到来,社会数字化变革正在加速。
展望2021年,预计全球5G智能手机出货量将达到4．5亿至5．5亿部,到2023年,全球5G连接数更将高达10亿,这比在4G时代实现10亿连接数的时间整整提前了两年,由此可见5G普及速度之迅猛。
6G研究开始启动
围绕6G的声音越来越大,世界各地已有很多倡议。研究公司IDTechEx称,全球有超过10亿美元的资金投入到6G研究中。2019年11月,中国科技部会同发改委等几部委召开6G技术研发工作启动会,已在对这种可能性进行实验。
芬兰、韩国和中国一样在研究将成为6G核心的太赫兹(THz)电子产品方面尤为活跃。支持芬兰及其合作伙伴的是超过3．5亿美元的欧盟新研究拨款。尽管6G几乎没有定论,甚至连频率都没有决定,但关于6G的宏伟目标和挑战,已经引发了科学界的热议。
已经在进行6G研究的芬兰奥卢大学的Ari Pouttu教授认为:“一个研究思路或创新有时需要10-15年才能达到成熟的水平,因此现在就开始思考很重要。例如太赫兹通信的挑战,包括解决这一问题的材料。”
6G路线图开始呈现
所有研究项目都是开发知识库、试验和原型的关键。IDTechEx最近的“2021-2041 6G通信市场、设备和材料”报告预测了6G路线图以及一些挑战和机遇。
2021-2041 6G路线图
报告指出,显而易见,5G服务远远超出了移动电话甚至个人电子产品的总体需求,6G的情况将更为如此。物与物的通信可能比人类的通信更为重要。6G基本规范至少应包含传感、定位、边缘计算、最高清晰度成像以及通信的需求。对人类来说,6G响应时间似乎是瞬间的,移动设备没有小区间(cell-to-cell)切换。
6G的一个关键参数将是进入太赫兹波段的飞跃——即275GHz到10THz的未分配太赫兹波段,也就是远红外波段。根据IDTechEx的说法,这是物理学的“狂野西部”牛仔的领地,那里几乎不存在任何组件,产生的信号也很微弱。这就是所谓的“太赫兹间隙”。
因此,最初的实验通常是在较容易的一端——100-300GHz进行。FCC(美国联邦通信委员会)已经提议在116到246GHz之间的一些频段正式设置这个“实验者的游戏区”。6G的推出可能和5G一样,从一个相对容易的频率(如275GHz)开始,然后迁移到具有挑战性的更高频率(1GHz),以获得最大的好处。此前的5G是从几GHz开始,目前正在向几十GHz过渡。
至于上限,最终的太赫兹频率不太可能高于1THz,因为在那之后,光束的大气衰减会上升到严重的水平,而且组件也变得非常具有挑战性。事实上,在大多数情况下,太赫兹频率将用于本地层面和卫星之间,其余的是自由空间光学(FSO),因为铺设光纤将过于昂贵或不切实际。应用也可能包括一些C波段GHz长距离链路。
6G的挑战和机遇
毫无疑问,6G将遇到前所未有的挑战,其中一些挑战也可能成为机遇:
太赫兹在光频谱中位于微波和红外线之间,但由于其能量低,科学家无法利用其潜力
需要更高频率的前端和调制解调器芯片,可供选择的有GaAs、GaN、InP、SiGe、全耗尽绝缘体上硅(FD-SOI)CMOS
前程/回程方面,高容量连接和高空太阳能无人机可在阳光下飞行5年,中国、德国/法国、英国和美国已经在空中进行了远不足5年的试验。试验包括无人驾驶飞艇,还有将于2021年发射的法国/意大利领先的同温层巴士(Stratobus)。此外,6G还需要数以万计的近地轨道低轨卫星,欧洲和美国的SpaceX正在部署。这些飞机和卫星都不是专门用于6G的,但它们对6G必不可少
需要解决的其他问题包括:
异构硬件对复杂集成到单一平台的限制
实现具有优势的边缘网络设备的能力
3D网络的复杂资源管理
频谱和干扰管理
解决太赫兹大气吸收问题
太赫兹波束管理
物理层安全
太赫兹建模
成本控制
6G的研发对材料供应商来说意味着新的机遇。将在6G中广泛应用的材料包括石墨烯和超材料(超级电容器、热平衡、HEMT晶体管、天线、超表面)以及许多不同的3-5化合物(HEMT晶体管、THz二极管、衬底、能量收集、太阳能飞机等)。
不以为然的质疑
与6G热情相反,相反的观点也很多。有人说,5G已被证明如此昂贵,可能永远不会全面部署,而那些需要更多功能的人可以从5G的更高频率版本中获得,而不需要更多的标准。
IDTechEx指出,如果没有一些现在不存在的东西,6G就不可能实现,而且可能永远也买不起。因为太赫兹光束窄、弱,不走圆角,几乎任何东西都能阻止它,所以需要智能表面,即使是在私人住宅里,也必须有无处不在的通道。
所谓智能曲面有许多名称:“超曲面”、“智能反射曲面(IRS)”、“软件可编程超曲面(SPM)”等。它们由有源太赫兹元件和超材料组成,排列成可单独编程的“瓷砖”。它们必须重定向、放大、准直、偏振,同时以其他方式操纵太赫兹光束。
IDTechEx表示,还有其他问题,比如6G需要大量的基础设施,而围绕始终在线连接需求的一些思考是否明智也有疑问。据说6G最终将使几乎所有的东西都直接连接到互联网上。6G是混合和虚拟现实,是医学成像和无人车辆的未来。但特斯拉CEO埃隆·马斯克认为,依靠卫星传输信号的“天网”可以把卫星当做5G基站实现数据传输,不仅延迟可以忽略不计,而且与部署传统基站相比,成本也低得多。
探索6G毫米波无线网络技术
法国研究机构CEA-Leti认为,毫米波(mmWave)频段无线通信(20GHz到300GHz)有望成为6G无线系统的关键使能技术,因为巨大的可用带宽可以容纳超高数据速率通信。他们正在探索6G毫米波技术超过5G的数据传输能力。在毫米波段范围,CEA Leti正在研究D波段——140GHz的新频谱,它可能在6G无线通信中发挥主要作用。
亚太赫兹波段无线连接相关性能指标设想方案
CEA-Leti认为,在D波段5G以上无线连接技术中,一些潜在应用和实现这些应用需要在场景需求和构建6G路线图的硅技术限制之间进行权衡。CEA-Leti科学家Jean Baptiste Dore说:“使用D波段无线通信的挑战包括随着频率平方增加的自由空间波传播损耗,所以必须使用高增益天线进行补偿。这意味着天线的方向性和对准将受到严格限制。”
这些限制包括阻碍亚太赫兹(sub-THz)波传播的物理障碍,这些障碍可以被墙壁、树木甚至窗户阻挡或强烈衰减。即使在清晰的传播路径中,也需要高增益天线。为了应对这一挑战,CEA-Leti正在设计一种超越现有技术的高方向性和电子可操纵天线。
用光线跟踪工具预测用于亚太赫兹无线性能评估的
街道内回程传播
由于CMOS技术无法生产出能够提供亚太赫兹应用所需的最大晶体管频率的器件,CEA Leti正在研究优化的RF电路设计,为这些应用提供创新的架构,以及新的材料和器件,以解决D波段频率和更高频率的问题,包括用于信道绑定的低噪声放大器和可编程高阶倍频器。
对于器件到器件的通信,他们已经证明了使用空间复用和简单的RF架构可以达到多Gbps的吞吐量。通过所提出的混合信号、模拟和数字,晶体管所需的功率被限制在微瓦级别,这使得CMOS技术成为可能。
CEA Leti的6G的关键使能技术的设计已经开始,包括研究用于亚太赫兹波段的新材料和器件、增强RF CMOS结构和天线系统以及高性能数字处理,也包括研究系统级芯片(SoC)和/或系统级封装(SiP)的异构集成。
欧盟解囊开发6G愿景
最近,一项旨在开发和定义下一代6G无线网络架构、技术和愿景的研究项目Hexa-X旗舰获得了欧盟(EU)地平线2020研究与创新计划(Horizon 2020 research and innovation program)近1200万欧元的资助。
欧洲已经开始
几十年来,欧洲一直是无线网络技术的领导者。现在,关键是要在“旗舰”项目的联合研究中释放大脑,以保持B5G(超5G)/6G时代的全球行业领导地位。
以诺基亚为首的25个行业和学术合作伙伴参与Hexa-X项目,开发基本6G技术,并为集成关键6G使能技术的智能结构定义新的架构。面对2030年及以后欧洲和世界将面临巨大的增长和可持续性机遇和挑战;欧洲希望积极解决绿色协议效率、数字包容和健康与安全保障等问题。
Hexa-X 6G项目的合作伙伴
Hexa-X愿景需要一个X-enabler结构,包括互联智能、网络、可持续性、全球服务覆盖、终极体验和可信赖性。
Hexa-X项目的目标包括开发以下领域的关键使能技术:
全新高频无线电接入技术和高分辨率定位和传感
通过人工智能(AI)驱动的空中接口和未来网络治理实现互联智能
用于实现网络分解和动态可靠性的6G架构使能技术
诺基亚贝尔实验室(Nokia Bell Labs)接入和设备研究主管Peter Vetter表示,“尽管随着新标准的发布,5G领域仍有很多创新,但我们的研究实验室已经在探索6G。在6G时代,我们将看到不仅能将人与机器联系起来,还能将人与数字世界联系起来的应用。这种安全的私人连接可以用于预防性医疗保健,甚至可以创建一个具有第六感的6G网络,直观地理解我们的意图,使我们与物理世界的互动更加有效,并预测我们的需求,从而提高我们的生产效率。”
诺基亚预计,按照典型的10年一代的周期,6G系统将在2030年实现商业化。在超越5G的情况下,人类智能将通过与网络和数字技术紧密耦合和无缝交织而得到增强。随着人工智能的进步,机器可以将数据转化为推理和决策,帮助人类在物理世界中更好地理解和行动。随着今天的家用和工业机器转变为成群的多用途机器人和无人机,从任何地方控制它们的新的人机触觉和思维接口应该成为未来网络的一个组成部分。
Hexa-X的6G视觉系统
人类未来的基础
今天的一些研究不仅在确定6G定位和传感系统的关键技术促成因素,而且还将确定新的应用和服务机会。这些使能技术与高频范围(尤其是100GHz以上)的新RF频谱相对应;引入智能反射面将使网络运营商能够塑造和控制环境的电磁响应;先进的波束空间处理可以跟踪用户和对象,并绘制环境地图;AI广泛应用可以利用前所未有的数据和计算资源来解决无线系统中的基本问题;信号处理的进步将支持新的融合通信和雷达应用。
应用方面的机遇包括:生物医学和安全领域的成像;自动构建复杂室内环境地图的定位和绘图;对人和物体的被动感知;将位置信息用作大数据源,引导和预测人类数字生态系统;使一台设备具有传感、定位和通信三重功能;最后,利用位置信息提高6G连接解决方案的安全性和信任度。
