浅析6G无线通信技术及应用

李,理

中国铁塔股份有限公司贵港市分公司  广西贵港 537000

摘要：随着社会的进步，科学技术也再不断进步。人工智能AI、虚拟现实VR、物联网IoT等各种自动系统应用的快速发展，带来了巨大的流量，自动系统在社会的各个领域流行，数以百万计的传感器被集成到城市、工业、汽车、家庭等各种环境中，以提供智能化、自动化的工作及生活，需要具有更加可靠连接的高数据速率来支持这些应用程序。与4G通信相比，尽管5G网络提供大带宽、新的QoS、新技术如毫米波等，但以数据为中心的自动化系统的快速增长已然超过了5G无线网络的能力，5G通信在很大程度上忽视了通信、智能、传感、控制和计算等功能的融合，未来的物联网应用将需要融合特定设备，要求至少10Gbit/s的数据速率，随着5G能力达到极限，新的设计目标需要引进6G技术。

关键词：6G；无线通信技术；应用

引言

6G将促进物联网发展，它将利用与更成熟的5G相同的优势，正是这种对5G的依赖，使得早期的6G研究对于网络技术的未来如此重要。6G将实现“万物智联、数字孪生”的美好愿景。基于互联网连接，6G提供万物互联，建成集“海-陆-空-天”一体的全维度网络，提供接近100%的地理覆盖率。6G所提供的数据速率、网络容量、安全性等性能将有更大进步。

16G通信关键技术

1.1人工智能

5G通信系统支持部分或非常有限的人工智能，而6G将完全支持AI的自动化。人工智能在6G阶段将充分发挥作用，实现从认知无线向智能无线的转变，机器学习的进步为6G中实时通信创造了更多的智能网络，在通信中引入人工智能将简化和改善实时数据的传输。机器学习有可能应用于射频信号处理、频谱挖掘和频谱映射，将光子技术与机器学习相结合，推动人工智能在6G中的进化，从而构建一个基于光子的认知无线电系统。物理层采用基于人工智能的编解码器，深度学习信道状态估计，自动调制分类，在数据链路层和传输层，基于深度学习的资源分配、智能流量预测和控制被广泛研究以满足6G需求。人工智能技术将有助于实现6G通信中uMUB、uHSLLC、mMTC和uHDD服务的目标。

1.2太赫兹通信

太赫兹（THz）波又称亚毫米辐射，通常指0.1~10THz频带，对应波长在0.03~3mm。根据ITU-R建议，275GHz~3THz是太赫兹通信频段的主要部分，6G通信的容量将通过增加太赫兹波段（275GHz~3THz）到mmWave波段（30~300GHz）来提升。275GHz~3THz范围内的波段还没有在全球范围内被分配用于任何用途，因此具有实现理想的高数据速率的潜力。当这个太赫兹波段添加到现有的mmWave波段时，总波段容量至少增加11.11倍。5G引入了mmWave频率以实现更高的数据速率，并支持新的应用。然而，6G的目标是将频带边界推向太赫兹以满足更高的需求，太赫兹频段将在6G通信中成为高数据速率通信的前沿领域。

1.3无线光通信前端/回传网络

由于地理位置偏远和连接复杂，不可能总有光纤连接作为回程网络，为小型蜂窝网络部署光纤链路可能不是一种经济有效的解决方案。FSO前端/回传网络正在超5G通信系统中崭露头角，FSO系统的发射和接收特性与光纤网络相似，FSO是在6G中提供前端/回传连接的优秀技术。利用无线光通信，甚至可以在10000km以上的远距离进行通信。FSO支持海洋、外空、水下、孤岛等偏远和非偏远地区的大容量回传连接。无线光通信前端/回传是5G和6G网络中常见的问题，而在6G中更为关键，一是它需要更高的前路/回传连接容量，二是与5G相比，它将需要更多的远程连接。FSO通信可以同时支持这2种功能，成为6G通信系统提升uMUB和uHSLLC服务的关键因素。

1.43D网络

6G系统将集成地面和机载网络，为垂直扩展的用户提供通信支持。3D基站是通过低轨道卫星和无人机提供的，在高度和相关自由度方面增加了新的维度，使得3D连接与传统的2D网络有很大的不同，6G异构网络将提供3D覆盖，将地面网络、无人机网络、卫星系统相结合的分散6G网络，真正实现全球覆盖和严格的无缝接入，甚至覆盖海洋和山区。

2太赫兹通信新兴应用

2.1太赫兹室内通信

根据目前室内宽带高速无线通信系统持续增长的需求，太赫兹波段具备10GB/s以上的通信速率的特点，超高速太赫兹室内通信将是最重要的应用场景之一。太赫兹波具有很强的方向性，太赫兹信号的传播路径很容易被室内障碍物阻挡。Salhi等介绍了基于矢量网络分析仪的办公室、工业环境等场景中的宽带信道传播信道测量，考虑到现实复杂环境对传播信道的影响，在50~325GHz范围内，视距无线传输（LOS）在以上场景中占主导地位，反射信号是传播过程中不可忽略的一部分。Ma等提出太赫兹频段智能反射面（IRS）以缓解室内覆盖问题，通过调整IRS元件的离散相移重新配置电磁波的传播，实现接近最优的覆盖性能，降低了计算负担。在没有IRS的传统通信方案的情况下，太赫兹信号的功率分布差距明显，传输功率被设定为100dBm，由于太赫兹波的路径损耗极高，给定用户的接收功率约为−67.35dBm，该用户几乎无法接收太赫兹信号。在IRS增强的通信方案中，该用户在房间角落的接收功率高达−4.76dBm，可以实现更好的覆盖性能。一旦IRS解决了高频通信中存在的覆盖问题，太赫兹通信系统将为未来6G室内通信场景铺平道路。

2.2太赫兹短距超高速无线通信

由于对更高速率和更大容量的无线通信的需求不断增长，太赫兹无线电有望成为超高速无线通信系统的候选者。其波长短、频带宽可以有效地解决高速宽带无线接入面临的诸多问题，适合于短距离通信（传输范围一般有限，小于几米）。Naghavi，Hu等已经初步探索了太赫兹技术用于虚拟现实（VR）、手机、可穿戴设备间以及电子器件间通信的芯片，虽然面临一些技术性挑战，但都证明了太赫兹通信应用于短距离高速无线通信的可能。6G移动通信标准有望以低延迟和低功耗传输8K和其他超高清视频。大阪大学研究人员与RohmCo.，Ltd.演示了使用太赫兹波传输未压缩全分辨率8K超高清视频的方法，显示了超宽带太赫兹波能力，将提高与社会问题直接相关的远程医疗和远程办公的质量，并促进物理网络融合。Yang等研发了一种“拓扑保护”的太赫兹高速互连芯片，该芯片不仅能传输太赫兹波，还能以高达11GB的数据速率传输，支持实时传输未压缩的4K高清视频，超过5G无线通信每秒10GB的理论上限，可以互连集成到无线通信设备中，为6G提供前所未有的TB/s的速度。太赫兹通信技术将具备无限可能被应用于未来的通信网络中，除了上述应用场景，在车联网、人体数字孪生、物-物互联、星间通信、全息通信等领域中也具有极大的潜力。亟须研发和管理可用频谱资源，解决太赫兹关键核心器件及芯片、信道建模、长距离传输等其他难以攻克的问题。

3面临的挑战

首先是要解决频谱效率和能量利用率之间的矛盾，频谱效率和能量利用率之间的平衡点一直是历代移动通信系统所需要解决的一大难题。通常情况下，提升系统的频谱效率会减小系统的能量利用率；反之，则相反。与前面几代移动通信技术相比，在绿色6G网络中的用户可以广泛应用能量收集技术，从不同的能量来源收集能量。但是，目前主流的几项能量收集技术都有显著的缺陷，在实际应用中如何扬长避短，发挥各技术的优势，仍是研究人员所面临的挑战。其次，大力发展AI技术，完全采用AI技术构建绿色6G网络虽然可以极大地提升网络质量，但是AI技术往往需要与私人数据进行实时交互来做出判断，以进行网络性能的优化。由于涉及到大量个人隐私及敏感数据，这种网络非常容易受到攻击，造成用户隐私数据泄露，甚至造成整体网络的崩溃。针对AI网络，建立标准和法规指导数据的收集和使用是研究人员面临的挑战。

结语

网络的高性能是与复杂度成正相关的，要想提升网络的高性能，网络的复杂程度必然也会大幅度提高，日后，越来越多的技术难题将呈现在研究人员面前。同时，更复杂的网络也会大幅提高移动网络运营商的建设成本，同样，消费者的设备成本也会与之对应大幅提高。资金是否能支撑起绿色6G网络的实际应用，目前来看，也都是未知数。

参考文献

[1]李春龙，黄辉，梁云，等.面向电力传感器的环境能量收集技术发展趋势及面临的挑战［J］.中国电力，2021（2）：27-35.

[2]王文琦，费廷伟，王学勇，等.智能穿戴设备及其能量收集技术简述［J］.军民两用技术与产品，2019（4）：59-62.