當人們開始對5G的美好生活翹首以盼時，已經(jīng)有人在談論6G的關(guān)鍵技術(shù)了!這，簡直讓人猝不及防!

在“2018年世界移動通信大會·北美”上，美國聯(lián)邦通信協(xié)會(FCC)專員Jessica Rosenworcel女士代表FCC稱，6G將邁向太赫茲頻率時代，隨著網(wǎng)絡越加致密化，基于區(qū)塊鏈的動態(tài)頻譜共享技術(shù)正在變成新的技術(shù)趨勢。

現(xiàn)在連5G手機的影子都沒見到，你怎么就開始跟我談6G的技術(shù)問題了......

5G已經(jīng)這么快了，6G的速度難道要上天?

我們知道，5G的理論下載速率為每秒10GB，是當前4G上網(wǎng)速率的10倍。那么6G呢? 6G的理論下載速度是每秒1TB(也就是5G的100倍)!這是什么概念?就拿下載影片來說，用5G網(wǎng)絡下一部高清大片只需要1-2秒，而在 6G 網(wǎng)絡下僅10毫秒(0.01 秒)就可以下載完畢!幾乎等同于在線觀看，人們不會有任何延遲的感覺。

不過，談論6G只關(guān)注網(wǎng)速就顯得太“膚淺”了。因為在6G時代，網(wǎng)速已經(jīng)不再重要。

現(xiàn)如今，移動通信技術(shù)更迭的意義，已經(jīng)不止于解決人和人之間的無線通訊、無線上網(wǎng)的問題了，而是要更好地解決物和物之間、物和人之間的聯(lián)系，也就是我們通常所說的物聯(lián)網(wǎng)。

所謂的萬物互聯(lián)是將人、流程、數(shù)據(jù)和事物結(jié)合在一起使得網(wǎng)絡連接變得更加相關(guān)，更有價值。它將信息轉(zhuǎn)化為行動，能給企業(yè)、個人和國家創(chuàng)造新的功能，并帶來更加豐富的體驗和前所未有的經(jīng)濟發(fā)展機遇。

萬物互聯(lián)是什么樣的呢?舉個簡單的例子，就是你可以用一部手機控制很多東西，比如直接向自己家里的智能家居下達指令，讓智能家居機器人做家務，智能監(jiān)控家庭一舉一動、直接呼叫無人車等等。

這樣的高科技生活5G能不能實現(xiàn)呢?

雖然我們對于5G的憧憬和期待是萬物智聯(lián)，但它做到的更多是信息極速傳輸，離真正的萬物互聯(lián)還存在一定距離。

以網(wǎng)絡覆蓋為例，像車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療這類的應用需要的是一個幾乎無盲點的全覆蓋網(wǎng)絡。在這一點上，5G還無法做到一蹴而就，需要在6G時代得到補充和完善。已有專家提出，6G網(wǎng)絡將是一個地面無線與衛(wèi)星通信集成的全連接世界。

通過將衛(wèi)星通信整合到6G移動通信，實現(xiàn)全球無縫覆蓋，網(wǎng)絡信號能夠抵達任何一個偏遠的鄉(xiāng)村，讓深處山區(qū)的病人能接受遠程醫(yī)療，讓孩子們能接受遠程教育。此外，在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、電信衛(wèi)星系統(tǒng)、地球圖像衛(wèi)星系統(tǒng)和6G地面網(wǎng)絡的聯(lián)動支持下，地空全覆蓋網(wǎng)絡還能幫助人類預測天氣、快速應對自然災害等。這就是6G未來。

6G通信技術(shù)不再是簡單的網(wǎng)絡容量和傳輸速率的突破，它更是為了縮小數(shù)字鴻溝，實現(xiàn)萬物互聯(lián)這個“終極目標”，這便是6G的意義。

6G是什么樣的?

關(guān)于6G的研究已經(jīng)開始。我國工業(yè)和信息化部部長苗圩表示：“去年年底還是今年年初，我們已經(jīng)開始著手在研究6G的發(fā)展，也就是第六代移動通信?！蹦壳?，歐洲、美國、日本、韓國等也已有機構(gòu)陸續(xù)啟動了B5G或者6G的技術(shù)研究。

不過，現(xiàn)在6G定義還未出現(xiàn)。各方都有自己的愿景，并未得到統(tǒng)一的、大家都認可的6G定義。目前一個較為官方的回答是，6G將探索并匯集5G所遺漏的相關(guān)技術(shù)。

在“2018年世界移動通信大會·北美”上，Jessica Rosenworcel作為美國聯(lián)邦通信協(xié)會(FCC)對外公開討論6G無線服務的第一位專員，提出了6G的3大類關(guān)鍵技術(shù)，分別涉及到6G頻譜、6G無線“超大容量”如何實現(xiàn)、6G頻譜使用如何創(chuàng)新這3大方面。讓我們在技術(shù)層面上對6G有了一個較為具體的展望。

1. 6G進入太赫茲頻段，網(wǎng)絡“致密化”

Rosenworcel表示，6G將使用太赫茲(THz)頻段，且6G網(wǎng)絡的“致密化”程度也將達到前所未有的水平，屆時，我們的周圍將充滿小基站。

太赫茲頻段是指100GHz-10THz，是一個頻率比5G高出許多的頻段。從通信1G(0.9GHz)到現(xiàn)在的4G(1.8GHZ以上)，我們使用的無線電磁波的頻率在不斷升高。因為頻率越高，允許分配的帶寬范圍越大，單位時間內(nèi)所能傳遞的數(shù)據(jù)量就越大，也就是我們通常說的“網(wǎng)速變快了”。

不過，頻段向高處發(fā)展的另一個主要原因在于，低頻段的資源有限。就像一條公路，即便再寬闊，所容納車量也是有限的。當路不夠用時，車輛就會阻塞無法暢行，此時就需要考慮開發(fā)另一條路。

頻譜資源也是如此，隨著用戶數(shù)和智能設備數(shù)量的增加，有限的頻譜帶寬就需要服務更多的終端，這會導致每個終端的服務質(zhì)量嚴重下降。而解決這一問題的可行的方法便是開發(fā)新的通信頻段，拓展通信帶寬。

目前，我國三大運營商的4G主力頻段位于1.8GHz-2.7GHz之間的一部分頻段，而國際電信標準組織定義的5G的主流頻段是3GHz-6GHz，屬于毫米波頻段。到了6G，將邁入頻率更高的太赫茲頻段，這個時候也將進入亞毫米波的頻段。中國科學院國家天文臺研究員茍利軍說：“太赫茲在天文中被稱為亞毫米 ，這類天文臺的站點一般很高而且很干燥 ，比如南極，還有智利的acatama沙漠?！?/p>

那么，為什么說到了6G時代網(wǎng)絡將“致密化”，我們的周圍會充滿小基站?

這就涉及到了基站的覆蓋范圍問題，也就是基站信號的傳輸距離問題。

一般而言，影響基站覆蓋范圍的因素比較多，比如信號的頻率、基站的發(fā)射功率、基站的高度等。就信號的頻率而言，頻率越高則波長越短，所以信號的繞射能力(也稱衍射，在電磁波傳播過程中遇到障礙物，這個障礙物的尺寸與電磁波的波長接近時，電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。

繞射可以幫助進行陰影區(qū)域的覆蓋)就越差，損耗也就越大。并且這種損耗會隨著傳輸距離的增加而增加，基站所能覆蓋到的范圍會隨之降低。6G信號的頻率已經(jīng)在太赫茲級別，而這個頻率已經(jīng)進入分子轉(zhuǎn)動能級的光譜了，很容易被空氣中的被水分子吸收掉，所以在空間中傳播的距離不像5G信號那么遠，6G需要更多的基站“接力”。

5G使用的頻段要高于4G，在不考慮其他因素的情況下，5G基站的覆蓋范圍自然要比4G的小。到了頻段更高的6G，基站的覆蓋范圍會更小。因此，5G的基站密度要比4G高很多，而在6G時代，基站密集度將無以復加。

2. 空間復用技術(shù)

Rosenworcel表示6G將使用“空間復用技術(shù)”，6G基站將可同時接入數(shù)百個甚至數(shù)千個無線連接，其容量將可達到5G基站的1000倍。

前面說到6G將要使用的是太赫茲頻段，雖然這種高頻段頻率資源豐富，系統(tǒng)容量大。但是使用高頻率載波的移動通信系統(tǒng)要面臨改善覆蓋和減少干擾的嚴峻挑戰(zhàn)。

當信號的頻率超過10GHz時，其主要的傳播方式就不再是衍射。對于非視距傳播鏈路來說，反射和散射才是主要的信號傳播方式。同時，頻率越高，傳播損耗越大，覆蓋距離越近，繞射能力越弱。這些因素都會大大增加信號覆蓋的難度。

不止是6G，處于毫米波段的5G也是如此。而5G則是通過Massive MIMO和波束賦形這兩個關(guān)鍵技術(shù)來解決此類問題的。

我們的手機信號連接的是運營商基站，更準確一點，是基站上的天線。Massive MIMO技術(shù)說起來挺簡單，它其實就是通過增加發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量，即設計一個多天線陣列，來補償高頻路徑上的損耗。

在MIMO多副天線的配置下可以提高傳輸數(shù)據(jù)數(shù)量，而這用到的便是空間復用技術(shù)。在發(fā)射端，高速率的數(shù)據(jù)流被分割為多個較低速率的子數(shù)據(jù)流，不同的子數(shù)據(jù)流在不同的發(fā)射天線上在相同頻段上發(fā)射出去。由于發(fā)射端與接收端的天線陣列之間的空域子信道足夠不同，接收機能夠區(qū)分出這些并行的子數(shù)據(jù)流，而不需付出額外的頻率或者時間資源。

這種技術(shù)的好處就是，它能夠在不占用額外帶寬、消耗額外發(fā)射功率的情況下增加信道容量，提高頻譜利用率。

不過，MIMO的多天線陣列會使大部分發(fā)射能量聚集在一個非常窄的區(qū)域。也就是說，天線數(shù)量越多，波束寬度越窄。這一點的有利之處在于，不同的波束之間、不同的用戶之間的干擾會比較少，因為不同的波束都有各自的聚焦區(qū)域，這些區(qū)域都非常小，彼此之間不怎么有交集。

但是它也帶來了另外一個問題：基站發(fā)出的窄波束不是360度全方向的，該如何保證波束能覆蓋到基站周圍任意一個方向上的用戶?這時候，便是波束賦形技術(shù)大顯神通的時候了。

簡單來說，波束賦形技術(shù)就是通過復雜的算法對波束進行管理和控制，使之變得像“聚光燈”一樣。這些“聚光燈”可以找到手機都聚集在哪里，然后更為聚焦地對其進行信號覆蓋。

5G采用的是MIMO技術(shù)提高頻譜利用率。而6G所處的頻段更高，MIMO未來的進一步發(fā)展很有可能成為6G提供關(guān)鍵的技術(shù)支持。

3. 動態(tài)頻譜共享+區(qū)塊鏈

Rosenworcel提到，美國現(xiàn)有的頻譜分配(拍賣)方式將難以勝任6G時代“對于頻譜資源的高效利用”這一訴求，6G要采用“頻譜共享”的方式。她還指出還可采用更智能、分布更強的動態(tài)頻譜共享接入技術(shù)，那就是“基于區(qū)塊鏈的動態(tài)頻譜共享”。

所謂的頻譜拍賣是指授權(quán)用戶規(guī)劃某一頻段，對外進行公開拍賣，以公開競價的方式，將該頻段的使用權(quán)轉(zhuǎn)讓給最高應價者使用。目前頻譜拍賣廣泛采用的地區(qū)和國家主要集中在歐洲和美國。我國不同于絕大多數(shù)國家，采取的是分配而非拍賣的方式來進行頻譜管理工作。也因此，我國的政府監(jiān)管部門在移動通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展中處于非常核心的位置。

頻譜拍賣的分配方式之所以難以勝任6G時代“對于頻譜資源的高效利用”這一訴求，是因為它存在授權(quán)用戶獨占頻段而造成頻譜閑置、利用不充分等問題。對于無線電頻譜這種稀缺性的戰(zhàn)略資源，此方式顯然不適合迎接萬物智聯(lián)時代的到來，甚至極有可能阻礙整個社會推動創(chuàng)新。

為了合理配置頻譜資源，使其得到高效充分的利用，美國FCC于2015年開展推動了動態(tài)頻譜共享，在3.5GHz上推出CBRS(公眾無線寬帶服務)，通過集中的頻譜訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來動態(tài)管理不同類型的無線流量，以提高頻譜使用效率。簡單來講，就是某一使用者不用的話，其他使用者可以接入使用，這樣不僅能有效減少資源浪費，也可減少擁塞的問題(這有點像共享單車一樣)。

CBRS引進了三層式頻譜接取架構(gòu)(SAS)。SAS分為三層：第一層用戶是該頻段的執(zhí)照持有者，如軍用雷達等。這層用戶擁有最高優(yōu)先級，它們將受到最高級別的保護，免受其它層級接入用戶的干擾;第二層是已支付授權(quán)費的用戶，享有免受第三層接入用戶干擾的保護;第三層是任何人都可以使用，優(yōu)先級最低，不受任何干擾保護。

SAS負責協(xié)調(diào)現(xiàn)有用戶和新用戶間的頻譜接入，保護較高層用戶免受低層用戶的影響，并優(yōu)化CBRS頻段內(nèi)所有用戶可用頻譜的有效使用。這就達到了動態(tài)共享頻段、按需使用的效果，頻譜的使用率無疑會大大提高。

CBRS極具創(chuàng)造性、高效性和前瞻性，對未來6G的發(fā)展具有非同尋常的意義。

不過，面向6G，動態(tài)頻譜共享顯然還要在原有基礎上進行發(fā)展。CBRS是通過集中式的數(shù)據(jù)庫來支持頻譜共享接入的，若系統(tǒng)能基于采用分布式數(shù)據(jù)庫的區(qū)塊鏈技術(shù)，探索使用區(qū)塊鏈作為動態(tài)頻譜共享技術(shù)的低成本替代方案，則不僅可以降低動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)的管理費用，提升頻譜效率，還能進一步增加接入等級、接入用戶數(shù)量等。

Rosenworcel認為，區(qū)塊鏈在6G中的應用，使用“去中心”的分布式賬本來記錄各種無線接入信息，將可進一步激發(fā)新技術(shù)創(chuàng)新，甚至“改變未來6G使用無線頻譜的方式”。

其實，對于6G的構(gòu)想目前還沒有一個統(tǒng)一的結(jié)論。例如，英國布里斯托爾的研究人員就表示，正在開發(fā)基于金剛石的氮化鎵的微波技術(shù)，向6G技術(shù)發(fā)起探索。也有人將6G視為具有不同類型的自我聚合網(wǎng)絡的能力。關(guān)于6G的技術(shù)趨勢預測還包括了超密蜂窩網(wǎng)絡、可重構(gòu)硬件、毫米波用戶接入、增強型光無線接口、網(wǎng)絡VLC、人工智能管理和編排蜂窩網(wǎng)絡的融合等等。

不管關(guān)于6G的構(gòu)想有多豐富，就如同5G之于4G，未來的6G也一定是5G的持續(xù)演進。5G有的，要靠6G來改進。而5G沒有的，則要靠6G來擴展。

現(xiàn)在研究6G為時過早?

對于6G，不止是部分吃瓜群眾覺得現(xiàn)在研究太早了，一些專業(yè)人士也持有此類的看法。

曾經(jīng)在西班牙電信工作了17年的現(xiàn)任英國政府國際貿(mào)易機構(gòu)首席科學顧問Mike Short就說道：“我認為，在2022年之前，6G都不值得大家對其付出努力。我們現(xiàn)在需要做的是發(fā)掘用戶對5G真正的需求，先把5G商用用好了再來說6G?！?/p>

現(xiàn)在研究6G真的太早了嗎?

一點也不早，而且要盡快行動了。

為什么?其實，單從5G的發(fā)展我們就能明白。5G的毫米波技術(shù)并不是在4G顯示出局限性才開始研究的，其理論基礎早在18年前(2000年)就已經(jīng)完成了，而工業(yè)界實現(xiàn)毫米波技術(shù)的成熟卻是在10-15年之后。到現(xiàn)在，毫米波5G的大規(guī)模商用部署仍然是一個難題。

5G的毫米波尚且如此，更何況是6G使用的太赫茲頻段呢。

此外，提前布局6G網(wǎng)絡也是為了未雨綢繆、占得先機。隨著5G連接規(guī)模不斷擴大，網(wǎng)絡壓力隨之增加，6G一定會到來。在5G的研究上，我國已躋身“第一梯隊”。而6G雖未正式開始，現(xiàn)在也已陸續(xù)有國家著手研發(fā)。未來誰先占領(lǐng)6G網(wǎng)絡的制高點，誰就能率先開啟萬物互聯(lián)的新時代，6G的戰(zhàn)略意義不言而喻。

結(jié)語

移動通信技術(shù)從模擬技術(shù)演進到以GSM為標志的第二代移動通信技術(shù)(2G)用了30年，從2G到3G時代的演進用了15年，從3G到4G的推出用了5年。技術(shù)升級速度越來越快，每一代通信技術(shù)成為商用主流的時間越來越短。如今6G已經(jīng)在路上了，也許它的普及會來得更快!