6G移动通信技术

1、6G移动通信技术1/25目录6G概念6G发展趋势6G关键技术6G关键技术太赫兹到光纤的转换13242/25一6G概念3/256G概念6G（第六代无线技术）是5G蜂窝技术后继者。6G网络将能够使用比5G网络更高频率，并提供更高容量和更低延迟。6G网络目标之一是支持1微秒甚至亚微秒延迟通信。4/256G概念预计6G通信将支持五个应用场景：增强型移动宽带Plus（eMBB-Plus），大通信（BigCom），安全超可靠低延迟通信（SURLLC），三维集成通信（3D-InteCom）和非常规数据通信（UCDC）5/256G概念5G于开始布署，预计最少到2030年它将成为主要移动通信技术。最初6G布署可

2、能会开始出现在2030年至2035年时间范围内。6G网络将致力于打造一个集地面通信、卫星通信、海洋通信于一体全连接通信世界，沙漠、无人区、海洋等如今移动通信“盲区”有望实现信号覆盖6G将会被应用于空间通信、智能交互、触觉互联网、情感和触觉交流、多感官混合现实、机器间协同、全自动交通等领域6/25二6G发展7/256G发展自从日本电报电话公共企业(NTT)在1979年12月发起了世界上第一个蜂窝移动通信服务以来，移动通信技术每十年就发展到新一代系统。从第一代(1G)到第二代(2G)，语音通话是主要通信方式，简单电子邮件成为可能。从第三代(3G)开始，数据通信(如i-mode)和多媒体信息(如照片

3、、音乐和视频)能够经过移动设备进行通信。从第四代(4G)开始，因为采取了长久演进(Long Term Evolution, LTE)技术，超出100Mbps高速通信技术使智能手机得到了爆炸性普及，当前已到达靠近最高1 Gbps通信速度。第五代(5G)网络数据传输速率远远高于以前蜂窝网络，最高可达10Gbit/s，网络延迟低于1毫秒。第六代(6G)有望支持1TB/s速度。这种级别容量和延迟将是空前，它将扩展5G应用性能，并扩展功效范围，以支持无线认知，感测和成像领域中越来越多创新应用。8/256G发展移动通信系统技术上每发展一次，而移动通信业务改变周期约为。所以，由5G引发“第三次浪潮”有望经过

4、5G演进和第六代(6G)技术成为更大浪潮，并将在二十一世纪30年代支撑产业和社会。 过去几代移动通信技术发展到6G。在前几代中，每一代都有一个代表性技术。然而，自4G以来，基于正交频分复用(OFDM)无线电接入技术(RAT)已经包含了各种新技术组合，而在6G中，技术领域被认为变得愈加多样化。这是因为基于OFDM技术已经实现了靠近Shannon极限通信质量，同时，需求和使用场景将在前一代中深入扩展。9/256G发展 后5G时代通信系统研究必须考虑电路和设备制造能力，6G中需要尤其关注是设备电池寿命，而不是数据速率和延迟。 另外，能够预见是，未来无线通信将提供与有线通信相同水平可靠性。 基于区块链

5、技术网络去中心化被认为是简化网络管理并在6G中提供令人满意性能关键。在与6G相关全部技术工作中，太赫兹通信、人工智能（AI）和可重新配置智能表面是最引人注目标想法，它们被视为无线通信中革命性技术。AI增强6G被认为能够提供一系列新特征，比如，自聚合、上下文感知、自配置等。另外，含有AI功效6G将释放无线电信号全部潜力，并实现从认知无线电到智能无线电转变。从算法角度来看，机器学习对于实现基于AI6G尤其主要10/256G概念基于人工智能智能6G网络体系结构11/25三6G关键技术12/256G关键技术受香农限制限制，极难大规模提升6G频谱效率。相反，新技术应大大增强6G通信安全性、保密性和隐私性

6、。尽管其它应用场景将变得无处不在而且越来越主要，但传统移动通信仍将是2030年代6G最主要应用。所以，6G网络应以人为中心，而不是以机器、应用程序或数据为中心。按照这一原理，高安全性、保密性和私密性应该是6G关键特征。另外，用户体验将被用作6G通信网络中关键指标。 在5G网络中，仍在使用基于RSA公钥密码系统传统加密算法来提供传输安全性和保密性。在大数据和AI技术压力下，RSA密码系统已经变得不安全。 改进通信中网络吞吐量、可靠性、延迟和服务用户数量最有效方法是致密化网络并使用更高频率来传输信号。 物理层安全技术和经过可视光通信(VLC)量子密钥分发将是处理6G数据安全挑战处理方案。更先进量子

7、计算和量子通讯技术也可能被布署来提供对各种网络攻击严密保护。高安全性，保密性和私密性13/256G关键技术高承受力和完全定制从以人为本角度来看，技术成功不应直接或间接增加财务负担或剥夺用户选择权。所以，高承受能力和完全定制化应该是6G通信两个主要技术指标。完全定制允许用户选择服务模式并调整个人偏好。比如，一些用户可能希望取得低速但可靠数据服务；其它人可能会容忍不可靠数据服务，以换取较低通信费用；其它人可能依然只关心其设备能耗；因为担心数据安全性和隐私性，有些人甚至可能希望摆脱智能功效。将授予全部用户选择6G中他们喜欢内容权利，而且不应因智能技术或无须要系统配置而降低这些权利。所以，6G通信系统

8、性能分析也应将多个性能指标整合为一个整体，而不是独立对待它们。用户体验将被明确定义并作为6G时代性能评定关键指标。14/256G关键技术能耗低，电池寿命长4G/LTE网络中智能手机和平板电脑每日充电需求将继续。为了克服大多数通信设备日常充电限制并促进通信服务，低能耗和长电池寿命是6G通信两个研究重点。 为了降低能耗，能够将用户设备计算任务卸载到含有可靠电源或普及智能无线电空间智能基站。 协作中继通信和网络致密化也将有利于降低移动设备发射功率经过降低每跳信号传输距离。 为了取得较长电池寿命，将在6G中应用各种能量搜集方法，不但能够从周围射频信号中搜集能量，而且还能够从微振动和太阳光中搜集能量。

9、远程无线充电也将是延长电池寿命一个有前途方法15/256G关键技术高智能6G高智能将有利于网络运行、无线传输环境和通信服务，分别指运行智能、环境智能和服务智能。常规网络操作包括许多受一系列复杂约束多目标性能优化问题。需要以适当方式布置包含通信设备、频带、传输功率等在内资源，以实现令人满意网络操作水平。另外，这些多目标性能优化问题通常极难处理，而且难以实时取得最优处理方案。伴随机器学习技术（尤其是深度学习）发展，配置有图形处理单元基站或关键网络控制中心能够执行相关学习算法，以高效地分配资源，以到达靠近最正确性能。16/256G关键技术与5G相比，带宽极高定义在0.1THz到10THz之间太赫兹波

10、段被称为微波和光学光谱之间间隙带，不过太赫兹电子、光子和混合电子-光子方法现在已经发展了。所以，混合太赫兹/自由空间光学系统预计将使用混合电子-光子收发器在6G中实现，其中光学激光可用于产生太赫兹信号或发送光学信号。未来无线数据网络将必须到达更高传输速率和更短延迟，同时还要提供越来越多终端设备。为此，将需要由许多小型无线电小区组成网络结构。为了连接这些电池，将需要高达太赫兹范围高频高性能传输线。另外，假如可能话，必须确保与光网络无缝连接。未来无线通信网络必须处理每条链路上几十甚至几百个Gbit/s数据速率，这就需要在未分配太赫兹(THz)频谱上使用载波频率。在这种情况下，无缝集成THz链路到现

11、有光纤基础设施是非常主要，以补充固有可移植性和灵活性优势无线网络可靠和几乎无限能力，光传输系统。在技术层面上，这需要新设备和信号处理概念来直接转换数据流。17/25四太赫兹到光纤转换18/256G一项关键技术太赫兹到光纤转换太赫兹波是指频谱在0.110THz之间电磁波，波长为30至3000微米。频谱介于微波与远红外光之间，在其低波段与毫米波相邻，而在其高波段与红外光相邻，位于宏观电子学与微观光子学过渡区域。太赫兹作为一个介于微波与光波之间全新频段还未被完全开发，太赫兹通信含有频谱资源丰富、传输速率高等优势，是未来移动通信中极具优势宽带无线接入（Tb/s级通信）技术。正是因为其特殊性，让其含有频

12、率高、脉冲短、穿透性强，且能量很小，对物质与人体破坏较小等特质。太赫兹波以其独有特征，使太赫兹通信比微波和无线光通信拥有许多优势，决定了太赫兹波在高速短距离宽带无线通信、宽带无线安全接入、空间通信等方面都有辽阔应用前景，但同时面临着多方面挑战。19/256G一项关键技术太赫兹到光纤转换到当前为止，技术发展一个漏洞一直存在于太赫兹频谱和硬光传输线之间接口上。怎样将太赫兹（THz）（基本上是微波和红外线之间空中频谱）连接到长距离数据发送所需传输线上？首先，地球曲率会限制视线，所以距离必须硬接线。短距离也可能受到环境障碍妨碍：伴随波长变短，光谱越高，被物体（甚至是雨或雾）阻挡就越显著。为了使6G无线

13、成为现实，它必须克服一些技术障碍，比如将太赫兹频谱连接到硬光传输线。20/256G一项关键技术太赫兹到光纤转换无缝集成到光网络无线链路，经过在THz Rx上直接T/O转换补充了在THz Tx上直接O/ T转换。该无线链路以0.2885 THz载波频率运行，最大线路速率为50 Gbit/s，桥接距离为16米。THz信号是由UTC光电二极管中O/T转换产生。在接收端，利用超宽带POH调制器将太赫兹信号转换为光域。该概念依赖于经过广泛布署光纤网络基础设施，将分布式THz收发器(TRx)前端连接到强大中央数字信号处理(DSP)站点，这些网络基础设施利用光载波来有效地远距离传输数据信号。该结构依赖于TR

14、x前端直接O/T和T/O转换，这是实现光纤与THz天线有效接口关键。模拟光信号和THz波形之间直接转换大大降低了天线位置复杂性，提升了对大量地理分布高性能THz链路或蜂窝网络可伸缩性。类似地，将计算昂贵基带(BB)信号数字处理转移到大型数据中心等集中地概念提供了前所未有网络可伸缩性、关键资源灵活和高效共享以及改进网络弹性。短距离THz链路与长程光纤网络无缝结合，可能是克服无线通信基础设施容量瓶颈关键一步。 下列图显示了THz无线链路经过直接光到THz (O/T)和THz到光(O/T)转换无缝集成到光纤基础设施中。21/256G一项关键技术太赫兹到光纤转换 图1a所表示结构依赖于THz发射机(T

15、x)和接收机(Rx)前端，允许光和THz信号之间直接转换。在DSP站点产生数据信号模拟基带波形后，经过光学发射机(Opt. Tx)将其调制到频率为f0光载体上，然后经过光纤网络发送到THz Tx。在THz Tx，然后用连续波(CW)本振(LO) 经过UTC光电二极管在fTx,LO频率上进行掩模，将光信号转换为THz波形，见图1b。然后，以差频为中心THz数据信号经过天线传输到自由空间。22/256G一项关键技术太赫兹到光纤转换基本连接如图1b和c所表示。图1c所表示方案主要依靠超宽带电光调制器，提供延伸到THz频谱调制带宽。图1c，在T/O转换器上，THz数据信号由另一天线接收并馈送至THz放

16、大器。为了转换成光载波，放大后信号被耦合到POH马赫-曾德尔调制器(MZM)，该调制器由频率为fRx,LO光载体提供。该MZM产生一个上和一个下调制边带使用光带通滤波器(BPF)抑制载波并选择其中一个边带，如图1c所表示。该方案允许在大范围THz频率范围内进行操作，而且在将数据编码到光学载波之前不需要进行任何下变频转换到中频，从而大大降低了THz前端复杂性。经过T/O转换后，模拟信号经过光纤网络返回到集中DSP站点上光接收器(Opt. Rx)。23/256G一项关键技术太赫兹到光纤转换图1d用伪色扫描电子显微镜(SEM)观察了制备POH MZM。光经过片上光栅耦合器(未显示)耦合到硅光子(SiP)芯片上，并以准横向电(准-TE)模式在硅条形波导(蓝色)中传输。多模干涉(MMI)耦合器将光从输入波导中分离出来，并将其发射到一个不平衡MZM两个臂中。在MZM另一端有一个MMI耦合器，它将调制后信号组合成一个输出波导，并与另一个光栅耦合器相连。MZM每条臂都包含一个POH相位调制器部分，在金电极(黄色)之间有一个窄金属槽(宽度w=75 nm)，如图1e所表示。在每个臂上使用一对锥形硅波导将硅带