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何時(shí)部署B(yǎng)5G/6G網(wǎng)絡(luò)？

6G能為我們帶來什么？

6G環(huán)境感知通信使能技術(shù)及挑戰(zhàn)

關(guān)于未來的第六代移動通信（6G），歐洲的姿態(tài)絕對是當(dāng)仁不讓。年初，法國原子能委員會電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（CEA Leti）宣布，將在整個(gè)歐盟科學(xué)界實(shí)施有遠(yuǎn)見的新6G計(jì)劃——NEW-6G，旨在利用一種廣泛的方法，融合多技術(shù)、領(lǐng)域和學(xué)科，促進(jìn)下一代無線連接，為未來無線網(wǎng)絡(luò)打下基礎(chǔ)。NEW-6G將重新思考納米技術(shù)，繪制發(fā)展路線圖，鼓勵(lì)合作，促進(jìn)未來6G技術(shù)創(chuàng)新的出現(xiàn)。

何時(shí)部署B(yǎng)5G/6G網(wǎng)絡(luò)？

據(jù)介紹，作為展示RIS支持的可擴(kuò)展、智能、無線連接范例的一部分，泛歐項(xiàng)目將解決關(guān)鍵硬件構(gòu)建塊的設(shè)計(jì)及其在未來B5G（超5G）/6G網(wǎng)絡(luò)中的集成。這將支持歐洲在B5G/6G全球競爭中創(chuàng)造新的服務(wù)和商業(yè)機(jī)會，也將確保其技術(shù)領(lǐng)先地位。

預(yù)計(jì)在這一個(gè)10年末（2030年）將開始部署B(yǎng)5G/6G網(wǎng)絡(luò)，為以人為中心的智能社會和垂直產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)將可持續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际街悄苓B接基礎(chǔ)設(shè)施，鏡子、標(biāo)牌和墻壁等新型終端將嵌入到環(huán)境中。

除了響應(yīng)法規(guī)和特定的基于用戶、服務(wù)和位置的需求外，有針對性的創(chuàng)新還包括具有高度靈活性和動態(tài)性的端到端連接性計(jì)算系統(tǒng)，以適應(yīng)不斷發(fā)展和異構(gòu)應(yīng)用。

6G能為我們帶來什么？

圖源 | Skynews

6G系統(tǒng)將是真正的智能無線系統(tǒng)，不僅能提供無處不在的通信，還能提供高精度定位和高分辨率感知服務(wù)。它將通過一組獨(dú)特新功能和服務(wù)能力成為這場革命的催化劑，其中定位和感知將與通信共存，在時(shí)間、頻率和空間上不斷共享可用資源。

太赫茲（THz）成像和頻譜學(xué)等應(yīng)用有可能通過動態(tài)、無創(chuàng)、非接觸測量為未來的數(shù)字健康技術(shù)提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的生理信息。6G同步定位與映射（SLAM）方法不僅可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)交叉現(xiàn)實(shí)（XR）應(yīng)用，還可增強(qiáng)車輛和無人機(jī)等自動行進(jìn)物體的導(dǎo)航。

在融合式6G雷達(dá)和通信系統(tǒng)中，被動和主動雷達(dá)將同時(shí)使用和共享信息，提供豐富而準(zhǔn)確的虛擬環(huán)境圖像。在6G中，智能上下文感知網(wǎng)絡(luò)將能夠利用定位和感知信息來優(yōu)化部署、操作和使用能源，而無需或有限的人為干預(yù)。

移動通信系統(tǒng)的位置和感知信息有多種應(yīng)用，從增強(qiáng)的911緊急呼叫定位到穿墻入侵者檢測，從個(gè)人導(dǎo)航到個(gè)人雷達(dá)，從機(jī)器人和無人機(jī)跟蹤到社交網(wǎng)絡(luò)。位置側(cè)信息還可以成為通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、操作和優(yōu)化服務(wù)的助推器。

6G環(huán)境感知，通信賦能技術(shù)及挑戰(zhàn)

6G通信網(wǎng)絡(luò)及定位和感知系統(tǒng)有四個(gè)新興技術(shù)促成因素，除了人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)之外，還包括使用無線電頻譜的新頻率，以及智能曲面、智能波束空間處理。

6G賦能技術(shù)、新應(yīng)用機(jī)會和技術(shù)挑戰(zhàn)

新的定位和感知服務(wù)

6G無線電有可能在信道帶寬上分配服務(wù)，其帶寬至少是5G的五倍，以適應(yīng)日益苛刻的數(shù)據(jù)速率、更高的可靠性需求，以及對諸如感知和定位等新服務(wù)的要求。

蜂窩信道帶寬增長及FCC提出的100GHz以上新無許可頻譜

從定位和感知角度看，向太赫茲頻率過渡有幾個(gè)重要好處：

這些頻率的信號無法穿透物體，導(dǎo)致傳播路徑和傳播環(huán)境之間存在更直接的關(guān)系；

在更高頻率有更大的絕對帶寬，可以在具有更多鏡面反射分量的延遲域中實(shí)現(xiàn)更可解析的多徑；

較短波長意味著天線較小，因此小型設(shè)備可以容納幾十或幾百個(gè)天線，有利于角度估計(jì)。

未來芯片技術(shù)的挑戰(zhàn)

6G提供的高速通信鏈路能在不同傳感器之間快速可靠地共享地圖和位置信息，這對主動和被動感知都很有益。為了利用這些優(yōu)勢，芯片技術(shù)必須能夠充分支持規(guī)模經(jīng)濟(jì)。而為了支持新的解決方案和算法開發(fā)，還需要適當(dāng)?shù)男诺滥Ｐ蛠砻枋?G波在硬件和空中的傳播。

6G相關(guān)（新）頻譜的廣泛初始范圍為0.3-3THz，而監(jiān)管機(jī)構(gòu)最近已開始允許研發(fā)高達(dá)250GHz的技術(shù)。這對未來芯片技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)，其中之一是所需技術(shù)的集成。

目前，在多個(gè)100GHz范圍內(nèi)工作的無線電系統(tǒng)通常包括天線和信號處理設(shè)備，大到無法集成到典型用戶設(shè)備（UE）中。隨著向5G系統(tǒng)遷移，用于UE的硅產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)了幾年，但毫米波（mmWave）頻率增加了空中接口的復(fù)雜性，同時(shí)要使用陣列技術(shù)來實(shí)現(xiàn)UE側(cè)波束形成。

雖然28nm平面CMOS技術(shù)已經(jīng)能夠在28GHz和39GHz工作頻段上實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)數(shù)量級的所謂躍遷頻率，而對于6G操作，芯片工藝技術(shù)是否能夠處理所需頻率并不明朗。即使在100GHz，同樣的28nm平面CMOS工藝也不能達(dá)到同樣的效率，例如放大信號。因此，必須考慮替代技術(shù)方案，以獲得高成本效益的解決方案。目前，多種技術(shù)都在研究中，試圖實(shí)現(xiàn)在更高頻率獲得良好的輸出功率和效率。其中包括：砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、磷化銦（InP）、CMOS、鍺硅（SiGe）和全耗盡絕緣體上硅（FD-SOI）CMOS。

增強(qiáng)地圖和定位的反射面

智能反射面（IRS）是一種可以增強(qiáng)地圖和定位能力的革命性技術(shù)。發(fā)射器和接收器之間的無線傳播環(huán)境一直被認(rèn)為是無線通信系統(tǒng)的一個(gè)隨機(jī)（不可控）組件。為此，作為一種有前途的解決方案，最近引入的IRS可控制無線信道特性，如散射、反射和折射。特別是，IRS允許網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商通過動態(tài)調(diào)整相位、幅度、頻率和極化等參數(shù)來塑造和控制環(huán)境對象的EM（電磁）響應(yīng)，而不需要復(fù)雜的解碼、編碼或RF操作。簡而言之，IRS是一種EM表面，通常通過傳統(tǒng)反射陣列、液晶或軟件定義的超表面（meta surface）來實(shí)現(xiàn)。IRS輔助通信有可能實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜性和節(jié)能的通信模式。

室內(nèi)區(qū)域IRS有助于NLOS（非視距）通信

IRS的挑戰(zhàn)在于，要使其成為未來6G系統(tǒng)的可行替代方案，還需要解決一些技術(shù)問題，而目前還缺乏合適的模型來描述組成材料的性質(zhì)和入射信號波的無線傳播特性。這種可重構(gòu)超表面的可行實(shí)現(xiàn)（考慮硬件和軟件方面）對于確定其在無線通信系統(tǒng)中的潛在收益也是必不可少的。

IRS還需要收集通信節(jié)點(diǎn)間的信道狀態(tài)信息（CSI），以適當(dāng)調(diào)整碰撞信號的無線電特性。因此，必須設(shè)計(jì)新的能量有效的方法來估計(jì)無線鏈路的信道特性。在將這些IRS集成到無線基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，還需要制定策略來確定在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中部署這些IRS的適當(dāng)位置。此外，還需要新的信號處理技術(shù)來優(yōu)化IRS輔助的聯(lián)合通信、感知和定位的性能。這在高頻下尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檎麄€(gè)信道趨向于低秩（low-rank），攜帶的信息較少。

精確定位的波束空間處理

波束空間是6G定位和感知一個(gè)很有前途的使能技術(shù)，毫米波和微毫米波（μmWave）的波束形成本質(zhì)上是相干信號的傳輸，以在某個(gè)方向形成一個(gè)集中的場，增加作為波束形成增益的信噪比或吞吐量。增強(qiáng)的3D空間波束形成能力有利于克服毫米波和μmWave波段的高路徑損耗，并通過形成非常窄的波束來減輕來自不同方向的干擾。由單站或多站發(fā)射器和接收器收集的波束空間信道響應(yīng)不僅包含鏈路末端的空間信息，而且還包含其間相互作用的對象/人的空間信息，這些信息的處理可用于定位和感測目的。

精確定位的波束空間域/處理

波束空間處理中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是阻塞。在分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的目標(biāo)空間中，協(xié)作多天線系統(tǒng)用于管理混合波束空間和定位被動和主動目標(biāo)。多天線系統(tǒng)與主動目標(biāo)之間的鏈路可以是LOS（視距）和NLOS路徑，且可以被移動的背景對象所阻塞。

例如，由于高移動性背景物體導(dǎo)致深度衰落，從而影響定位精度。在深度衰落的情況下，當(dāng)前的MAS（移動代理服務(wù)器）定位和感測功能可以臨時(shí)切換到另一個(gè)MAS。為了協(xié)調(diào)部署目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的可用質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和跟蹤，必須防止移動背景物體的阻塞導(dǎo)致波束空間信號質(zhì)量的急劇下降。這可以通過基于圖像的移動行為預(yù)測、幾何域環(huán)境識別和無線信道模擬來實(shí)現(xiàn)，理想情況下可在毫秒級運(yùn)行時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

在高移動性場景中，可實(shí)現(xiàn)對可能阻塞波束空間的移動背景對象的觀察，如使用深度相機(jī)；也可實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)和預(yù)測其移動軌跡；還可通過光線跟蹤模擬或光線跟蹤與傳播圖的混合方法預(yù)測對波束空間信道的潛在影響。

基于ML的智能定位與感知

AI技術(shù)對邁向數(shù)據(jù)豐富的6G時(shí)代越來越重要。如何在不確定環(huán)境下，基于邏輯和概率推理、規(guī)劃和優(yōu)化決策，建立能夠?qū)崿F(xiàn)合理目標(biāo)的智能系統(tǒng)和體系是一個(gè)非常廣闊的研究領(lǐng)域。

現(xiàn)代AI系統(tǒng)通?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)（ML），利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的多學(xué)科方法來學(xué)習(xí)超出顯式編程規(guī)則的模型。6G系統(tǒng)將依賴于這種數(shù)據(jù)驅(qū)動算法，不僅為無線通信，而且為毫米波和μmWave頻率范圍內(nèi)運(yùn)行的高級定位和感知技術(shù)提供了新的機(jī)會。

在定位方面，ML方法主要集中在指紋識別和回歸分類方法的使用。在數(shù)據(jù)豐富和復(fù)雜定位應(yīng)用中，特別是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）惡劣的室內(nèi)和城市室外信道條件下，預(yù)計(jì)ML應(yīng)用將更加廣泛。

基于AI和ML的定位和感知解決方案

感知方面，在高載波頻率下基于RF的感知將提供更精確的技術(shù)來測量環(huán)境、探測和識別物體，更寬的頻譜范圍將提供機(jī)會感知和識別當(dāng)前使用的頻帶中無法檢測到的新類型目標(biāo)和變量。

寫在最后

毋庸置疑，6G技術(shù)的先進(jìn)波束空間處理可跟蹤用戶和對象，并繪制環(huán)境地圖；人工智能的廣泛應(yīng)用可以利用前所未有的數(shù)據(jù)和計(jì)算資源解決無線系統(tǒng)中的基本問題；信號處理的進(jìn)步可支持新的融合通信和雷達(dá)應(yīng)用。

要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，其難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往任何一代移動通信，需要許多科學(xué)學(xué)科的共同努力。