在第五代移動通信技術(5G)商用后,第六代移動通信技術(6G)研究正在逐步展開。目前各國開始爭奪6G標準的研制優(yōu)勢,雖然6G研究尚處于起步階段,但6G標準化競爭較為激烈。為了繼續(xù)在通信領域保持領先地位、打破發(fā)達國家的技術壟斷,我國亟需開展針對6G的技術和標準化研究。
中國工程院張宏科院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》發(fā)表《6G關鍵技術標準化的思考與建議》一文。文章從發(fā)達國家6G技術研究、6G標準研發(fā)的國際合作、我國6G技術研究等方面全面梳理了全球6G標準的發(fā)展現(xiàn)狀,分析6G相關潛在關鍵技術,構思6G標準化發(fā)展過程,研判部分技術方向?qū)?G標準化過程的影響,以期為6G技術和標準化研究提供參考。
一、前言
《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》(2022年)提出,加強數(shù)字基礎設施建設,完善數(shù)字經(jīng)濟治理體系,推動數(shù)字經(jīng)濟健康發(fā)展,為數(shù)字中國的建設提供有力支撐。目前,我國第五代移動通信技術(5G)處于國際領先水平,無論是5G的主要專利申請量、商業(yè)化運用還是全球性的科技標準設立,都具有一定的競爭優(yōu)勢。然而,隨著5G的逐步規(guī)模化商用,第六代移動通信技術(6G)成為“產(chǎn)學研”各界新的關注熱點。6G是獲取全球網(wǎng)絡競爭新優(yōu)勢的重要基礎領域,也是構建平臺經(jīng)濟、數(shù)字經(jīng)濟,推動電子消費、數(shù)字貿(mào)易的重要數(shù)字“新基建”,將為我國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展、數(shù)字中國構建提供新助力。
目前,國內(nèi)外的6G研究處于起步階段,但競爭情況異常激烈。中國、美國、日本、韓國、歐盟等主要國家和地區(qū)都在積極推進6G布局,通過聯(lián)盟合作等方式,加快推進6G關鍵技術研究,搶占6G標準制定高地。主要的合作組織有美國的Next G聯(lián)盟、日本的Beyond 5G、歐盟的Hexa-X、中國的IMT-2030等。然而,在與6G相關的潛在技術研究上,發(fā)達國家已有較大優(yōu)勢,如美國的太赫茲、日本的軌道角動量等技術在6G通信上都取得了階段性成果;我國在技術研發(fā)方面存在著基礎薄弱等短板,面臨著發(fā)達國家主導技術壟斷的風險,表現(xiàn)在6G潛在關鍵技術儲備不足、6G發(fā)展計劃的時間靠后、理論創(chuàng)新尚需突破等。因此,為了繼續(xù)在通信領域保持6G的領先地位,打破發(fā)達國家的技術壟斷,我國亟需開展針對6G的技術和標準化研究。
文章立足當前6G標準技術的研究現(xiàn)狀,分析6G相關潛在關鍵技術,構思6G標準化發(fā)展過程,研判部分技術方向?qū)?G標準化過程的影響,以期為6G技術和標準化研究提供參考。
二、全球6G標準研究現(xiàn)狀
當前,全球6G研發(fā)已經(jīng)展開,各國都積極搶占6G技術戰(zhàn)略優(yōu)勢,爭取獲得通信領域的主導權。美國、韓國、日本、歐盟等國家和地區(qū)都已開始為研發(fā)6G標準技術做準備,國際電信聯(lián)盟無線電通訊組(ITU-R)、第三代合作伙伴計劃(3GPP)也針對6G研究提出了規(guī)劃和建議,并確定了研究計劃的時間表。2021年初,ITU-R啟動了《IMT面向2030及未來發(fā)展的框架和總體目標建議書》研究工作(即6G愿景),完成了面向IMT-2030(6G)的愿景建議,就IMT-2030(6G)的愿景達成全球共識,將于2026年確定需求和評估方法,2030年完成6G規(guī)范輸出。2019年,3GPP公布了6G研究時間表,將于2023年開始6G研究,2025年下半年開始進行6G技術標準化,預計2028年下半年將會有6G設備產(chǎn)品面市。歐盟則開始實施第九期“地平線歐洲”研發(fā)計劃(2021—2027年),總投資額為955億歐元,2023年開始6G-非地面網(wǎng)絡(NTN)研究項目,旨在設計和驗證6G網(wǎng)絡充分集成NTN關鍵技術,推進標準化工作。移動通信領域正以6G為契機進行著一場新的技術競爭。
(一)發(fā)達國家6G技術研究現(xiàn)狀
美國在6G技術研究領域積極推動太赫茲等6G潛在技術的研究。2019年,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)首次公開了用于6G技術測試的95 GHz~3 THz頻段的太赫茲頻譜。美國Keysight公司在2022年3月獲得了FCC授予的首張6G試驗許可證,開始研究基于亞太赫茲頻段的擴展現(xiàn)實和數(shù)字孿生等應用。太赫茲技術成為6G研發(fā)的重要技術,美國因啟動較早、投入較多而在此技術方向表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。除了在太赫茲技術方向有領先優(yōu)勢,美國在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)方面也處于領先地位。美國太空探索技術(SpaceX)公司推進“星鏈”計劃,致力于發(fā)展覆蓋全球范圍、以衛(wèi)星為核心的網(wǎng)絡系統(tǒng)。截至2022年7月24日,“星鏈”計劃已經(jīng)成功地將超過2800顆衛(wèi)星送入軌道。5G與低軌衛(wèi)星的互補性可推動低軌衛(wèi)星發(fā)展,相關技術是未來6G的重要組成部分,“星鏈”計劃在一定程度上推動著美國6G技術的發(fā)展。
韓國率先實現(xiàn)了5G電信商業(yè)化,擁有5G技術的良好基礎。2019年,韓國建立了6G科學研究團隊,三星公司也設立了6G研究中心。2020年4月,韓國為了確保6G的發(fā)展,深入研究了6G技術開發(fā)項目的可行性,涉及科技、政策和經(jīng)濟等領域!兑I6G時代的未來移動通信研發(fā)策略》(2020年)明確提出了韓國6G的規(guī)劃、策略目標、支持舉措。韓國計劃在2026年發(fā)布6G通信模擬器,在2028—2030年成為全球首個將6G商業(yè)化的國家。2022年,韓國LG公司成功利用6G太赫茲頻段在320 m或更遠的直線距離上完成通信信號的傳輸。此外,韓國計劃于2031年發(fā)射低軌道衛(wèi)星,開展相關技術測試。
日本高度重視6G的技術研發(fā)及標準制定,在太赫茲技術所需的通信電子材料方面處于近乎壟斷的位置,率先研究出太赫茲無線傳輸芯片并實現(xiàn)低成本的太赫茲通信,具備了高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰。盡管驗證了太赫茲通信,但6G的穿透能力弱、傳輸距離短,因而使用軌道角動量技術,將個數(shù)為5G數(shù)倍的電磁波進行疊加傳輸以增大信號傳輸距離。目前,日本在6G標準制定和技術研發(fā)方面處于領先地位。
英國的6G Futures研究中心由倫敦國王學院和布里斯托大學聯(lián)合創(chuàng)建,匯聚了計算機、人工智能、通信、社會科學等領域的眾多學者,專注于6G在交通、能源、醫(yī)療等垂直領域中的應用研究。
德國主要依靠大學和研究機構并與企業(yè)進行協(xié)作,以盡早將6G技術應用于實際場景,率先在260 GHz頻段上完全實現(xiàn)太赫茲信號的接收和傳輸。盡管相應傳輸距離僅有1 m,然而如果采用6.5 cm的透鏡天線,傳輸距離將增加一百倍左右。德國與日本聯(lián)合發(fā)展的300 GHz頻段通信技術和完整的收發(fā)系統(tǒng),處于世界領先地位。
芬蘭率先發(fā)布了6G的白皮書,將“泛在無線智能”作為研究的核心理念。2018年,芬蘭啟動了6G重大研究項目,將無線通信方案、器件設備研發(fā)、分布式系統(tǒng)通信、生態(tài)系統(tǒng)構建作為主要的戰(zhàn)略研究方向。芬蘭也積極與日本、新加坡開展合作研究。
(二)6G標準研發(fā)的國際合作
發(fā)達國家積極探尋有關6G標準研究的國際合作。美國積極聯(lián)合其他國家共同研發(fā)以搶占6G領先優(yōu)勢。從2020年開始,美國與韓國、歐洲等開展6G技術合作,通過簽訂合作協(xié)議、共同研發(fā)關鍵技術等形式,試圖把握新一代移動通信領域的話語權與主導權。2021年,美國與日本聯(lián)合投入45億美元來促進6G以及網(wǎng)絡安全領域的協(xié)作。2021年5月,美國、韓國就加強6G、半導體等產(chǎn)業(yè)合作進行協(xié)商。Next G聯(lián)盟是美國企業(yè)主導,與歐洲、日本、韓國等主要信息通信公司聯(lián)合創(chuàng)建的電信行業(yè)解決方案聯(lián)盟,旨在推動6G研發(fā)、測試和商業(yè)應用的全過程合作。2022年2月,Next G聯(lián)盟發(fā)布《6G路線圖》,明確了6G的長期目標、技術路徑和發(fā)展方向。同時,美國政府強調(diào)從政策措施、資金援助、科研項目等方面推進6G研究。
韓國也在積極尋求與各方合作。2019年,韓國電子通信研究院和芬蘭奧盧大學達成合作協(xié)議,旨在聯(lián)合研究6G網(wǎng)絡技術。2021年,韓國和美國簽署聯(lián)合研究協(xié)議,就6G技術的未來發(fā)展、加強聯(lián)合研究等達成共識,從而啟動6G的共同研究。日本設立Beyond 5G推進戰(zhàn)略,大力推動6G技術集成研究,與歐盟的Hexa-X、美國的Next G建立了合作關系,積極開展6G的聯(lián)合研發(fā)。
歐盟加強公私合作,積極布局6G研究項目。6G重大項目Hexa-X、Hexa-X-II分別于2021年1月、2023年1月正式啟動,合作伙伴數(shù)量從20多家擴大到44家,目標是實現(xiàn)6G愿景、引領關鍵技術研發(fā)、探索可能技術路徑、構建新型網(wǎng)絡架構。2022年6月,歐洲的6G智慧網(wǎng)絡和業(yè)務產(chǎn)業(yè)協(xié)會與中國的IMT-2030(6G)推進組建立了合作伙伴關系,簽訂了6G發(fā)展協(xié)議,計劃在6G的未來方向、核心技術、標準規(guī)范、試驗測試等方向展開深度協(xié)作,共同促進6G標準建立和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的全球性協(xié)調(diào)。
(三)我國6G技術研究現(xiàn)狀
我國通信標準化協(xié)會在2018年即提出了6G的愿景和相關要求。2019年,IMT-2030(6G)推進組成立,為6G技術研究提供有力保障。在成立后的3年期間,推進組公開了6G白皮書和關鍵技術研究報告。《6G總體愿景與潛在關鍵技術》白皮書(2021年)完成了6G的潛在技術研究與相關應用分析。《6G典型場景和關鍵能力》白皮書(2022年)則在已有基礎上,對6G的發(fā)展推動因素、標志性特征、市場應用走向等進行了更深入的探討。在國際合作上,IMT-2030(6G)推進組在2022年6月與歐洲6G智慧網(wǎng)絡和業(yè)務產(chǎn)業(yè)協(xié)會達成協(xié)議,共同促進6G標準和技術的全球生態(tài)構建。
我國的通信企業(yè)也在積極布局6G。2019年,華為技術有限公司(華為)表示已經(jīng)建立了6G開發(fā)實驗室,開始對6G的相關科學和規(guī)范進行深入探索。2020年,華為與銀河航天(北京)科技有限公司、中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信集團有限公司共同簽署了合作協(xié)議,共同推動“空天地”一體化發(fā)展,在6G的相關技術領域開展聯(lián)合研究。目前,相關企業(yè)在6G技術探索上有所突破,如“通信方法及裝置”專利已經(jīng)可以應用到6G系統(tǒng)中。三大運營商也分別開展了6G研發(fā)工作,與高校和企業(yè)合作研發(fā)下一代互聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術和相關標準。其他企業(yè)也啟動了6G的相應探索。中興通訊股份有限公司組建了6G研究小組,重點探討6G網(wǎng)絡架構。OPPO研究院在2021年公開了首份6G白皮書,闡述了關于未來通信網(wǎng)絡結構的具體方案。Vivo通信研究院在2022年7月公布了關于6G服務、能力與使能技術的研究報告,闡述了最新研究進展和成果。
從國際合作以及國內(nèi)合作的研究現(xiàn)狀來看,各國都啟動了6G研究,如設立6G相關研究組織、確立6G研究計劃、發(fā)布6G白皮書和研究報告、開展6G合作與潛在關鍵技術研究等。這些工作都為我國后續(xù)6G研發(fā)提供了參考。為了搶占6G標準化的領先優(yōu)勢,需要結合6G應用場景和關鍵技術開展有關6G標準化的探索和思考。
三、6G的融合應用與標準化進程
有關6G標準制定的國際行動尚未正式開展。為了實現(xiàn)6G的標準化,需要從現(xiàn)有技術和應用場景中進行探索。6G將在算力網(wǎng)絡、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、人工智能、全息通信等多個應用場景和領域得到廣泛的支持,為實現(xiàn)真實物理世界的數(shù)字智能化提供有力的支撐。未來6G標準的制定將與這些場景、技術和領域有著密切聯(lián)系,6G標準化進程可據(jù)此推進。
(一)算力網(wǎng)絡標準化進程
算力網(wǎng)絡是一種基于算力資源分配的服務,能夠依照各種商業(yè)需要,對云、邊緣、終端進行有效的分布,以實現(xiàn)存儲、運算以及網(wǎng)絡資源的高效管理。網(wǎng)絡發(fā)展的新趨勢是網(wǎng)絡和計算融合,企業(yè)和個人客戶不僅需要網(wǎng)絡和云,還必須靈活地將計算任務分配到恰當?shù)奈恢谩榱藵M足新一代網(wǎng)絡服務的業(yè)務需求、動態(tài)配置計算資源的輕量化要求,業(yè)界提出了算力網(wǎng)絡的理念。在6G時代,網(wǎng)絡中以算力為核心的服務將無處不在,網(wǎng)絡將不再僅僅進行數(shù)據(jù)傳輸服務,而是轉(zhuǎn)變?yōu)榧鎯Α⒂嬎、通信功能服務為一體的信息系統(tǒng)。
在制定算力網(wǎng)絡標準方面,我國已經(jīng)取得了一定進展。在國際電信聯(lián)盟(ITU)中,SG11和SG13研究組已經(jīng)成功設立了Y.CPN、Y.CAN和Q.CPN等系列標準,互聯(lián)網(wǎng)工程任務組(IETF)進行了計算優(yōu)先網(wǎng)絡框架(CNF)等系列標準的研究。2019年10月,中國電信研究院在ITU成功立項“算力網(wǎng)絡框架與架構標準”(Y.2501),這是算力網(wǎng)絡領域首個設立的國際標準,用于規(guī)范算力網(wǎng)絡的框架和架構制定。2021年7月,ITU正式批準了Y.2501標準,為算力網(wǎng)絡研究打下了堅實的基礎。算力網(wǎng)絡標準作為我國的原創(chuàng)性成果,正為相關國際研究提供參考。
未來,泛在連接、泛在計算、區(qū)塊鏈與數(shù)字孿生網(wǎng)絡等與6G的融合應用,都以強大的算力為基礎。各行業(yè)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的處理則需要充分的計算能力,計算能力將成為智能的基本平臺。算力網(wǎng)絡將是6G發(fā)展的內(nèi)在需求,也是6G的預期關鍵技術之一,相應標準化將成為我國在國際6G標準化發(fā)展過程中的競爭優(yōu)勢。
(二)區(qū)塊鏈標準化進程
區(qū)塊鏈實際上是一個開放的數(shù)據(jù)庫,通常部署在點到點傳輸?shù)木W(wǎng)絡中,用于維護不可變的分布式賬本。在區(qū)塊鏈中,所有的主體都可以通過分布式的手段來安全地完成注冊和更新交易,而交易的數(shù)據(jù)則由所有的網(wǎng)絡參與者一起負責管理,無需依賴第三方中介。區(qū)塊鏈技術具有無中心控制、公開、無法修改、可回溯以及隱私保護等特點,目前在金融、運輸、醫(yī)療、制造業(yè)、電子政務、智能城市等領域得到了大規(guī)模應用。在各國競相研發(fā)6G技術的過程中,區(qū)塊鏈技術有望發(fā)揮重要作用。
我國積極參與區(qū)塊鏈的標準制定!秴^(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式標準》已由中國電子技術標準化研究院公布,標準號為IEEE 2418.2—2020,涵蓋了分布式賬本技術與區(qū)塊鏈相關的數(shù)據(jù)元素特性、數(shù)據(jù)構造、數(shù)據(jù)分類以及數(shù)據(jù)標準。2022年,中國信息通信研究院主導的兩項區(qū)塊鏈國際標準已經(jīng)成功完成。ITU-TF.751.6標準即分布式賬本技術平臺性能評測方法,確定了區(qū)塊鏈性能評估的詳細規(guī)定,明確了性能評估的標準和計算方式,規(guī)定了性能測試的操作步驟以及性能測試報告的生成標準;ITU-TF.751.7標準即分布式賬本技術平臺的功能評估方法,規(guī)范了區(qū)塊鏈平臺的基礎功能,提出了準確可行的檢驗手段和實踐案例。ITU-T的區(qū)塊鏈國際標準體系受益于這兩個標準,標志著我國的區(qū)塊鏈評估方法達到了國際先進水平。
基于獨特的技術特性,區(qū)塊鏈能夠提升6G網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)隱私性和安全可追溯性。未來,6G將融入人工智能、云端計算、邊緣計算、大數(shù)據(jù)等前沿技術,以達到跨領域的深入連接和交流。這些新興技術的引入也將會帶來新的性能和安全問題,如邊緣計算所采用的分布式架構導致計算任務很可能受到惡意攻擊,人工智能也存在著數(shù)據(jù)和模型被竊取的風險。因此,6G技術的安全問題也將是標準技術研究的重點,而區(qū)塊鏈的技術特點也有助于解決6G網(wǎng)絡中的安全性問題,已制定的區(qū)塊鏈技術標準將為我國6G標準制定提供支持。
(三)數(shù)字孿生標準化進程
數(shù)字孿生是一種旨在精確反映物理對象的虛擬模型,通過感知和采集物理世界中的實體信息進行建模,將物理模型映射到虛擬數(shù)字世界中,通過模擬計算物理世界的實際運作,展現(xiàn)對應實體的全生命周期,還可借助數(shù)字化的方式來預測并介入未來。在大型、復雜項目中,數(shù)字孿生的應用表現(xiàn)出色,可以有效地簡化操作流程,提高工作效率。隨著6G技術的普及,6G將為數(shù)字孿生提供更高的傳輸速率、更低的時延、更大的連接規(guī)模,從而更好應對復雜的應用場景(如數(shù)字孿生城市)。
2020年11月,國際標準化組織(ISO)/ 國際電工委員會(IEC)第一聯(lián)合技術委員會、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生分技術委員會的數(shù)字孿生工作組(SC 41/WG 6)正式成立,主要職責是推動數(shù)字孿生的全球標準化進程。為了促進數(shù)字孿生技術的應用和發(fā)展,國內(nèi)各組織已陸續(xù)建立數(shù)字孿生工作組,如全國信息安全標準化技術委員會、全國通信標準化技術委員會、全國智能建筑及居住區(qū)數(shù)字化標準化技術委員會等都成立了數(shù)字孿生工作組,旨在加強數(shù)字孿生科學規(guī)范設計與應用普及。數(shù)字孿生工作委員會由中國信息通信研究院、中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會聯(lián)合創(chuàng)立,啟動了團體標準的制定過程,成為加快數(shù)字孿生標準化進程的重要驅(qū)動力。
在未來的6G時代,數(shù)字孿生技術的運用將驅(qū)動人類進入充滿虛擬元素的數(shù)字世界。數(shù)字孿生將在工 / 農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、城市管理等領域得到廣泛應用,這些應用依賴具備微秒級的極低時延特性、超高速的傳輸效率、萬億數(shù)量級的設備互聯(lián)網(wǎng)絡。數(shù)字孿生會對6G標準的制定起到一定的參考作用,加快我國數(shù)字孿生標準制定并申請國際標準有助于鞏固我國6G標準化的優(yōu)勢。
(四)人工智能標準化進程
人工智能技術在通信領域的應用,將促進網(wǎng)絡技術的顯著發(fā)展。在通信領域,人工智能在智能調(diào)度、網(wǎng)絡狀態(tài)跟蹤、信號優(yōu)化與智能信號生成處理等方面都得到了廣泛應用,有助于推動未來通信范式的演變和網(wǎng)絡架構的變革。通過移動通信基站、智能設備、邊緣服務器等基礎設施的廣泛部署,移動通信網(wǎng)絡將帶來更高效的數(shù)據(jù)傳輸及更大的網(wǎng)絡帶寬,也為移動分布式和協(xié)作式的人工智能技術應用提供更優(yōu)越的條件。
人工智能的運用涵蓋了多個學科和行業(yè),全球三大標準化機構都參與了人工智能的相關規(guī)范制定。ISO主要關注智能金融、自動駕駛、工業(yè)機器人等方面。IEC則專注于可穿戴設備的研究和開發(fā)。ITU已經(jīng)陸續(xù)針對機器學習、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等設立了一系列的標準與規(guī)范。截至2020年,ISO/IEC設立的聯(lián)合技術委員會 / 子委員會42(JTC1/SC42)完成了3項標準化工作,正在開展11項標準項目。電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)于2016年發(fā)布了一系列規(guī)范文件,旨在對人工智能系統(tǒng)進行人類社會準則和價值傾向評定并以此形成規(guī)范準則。我國編制了《人工智能標準化白皮書(2021版)》,用于指導人工智能標準化方面的研究。
人工智能應用的核心在于利用不斷提升的計算能力,深度發(fā)掘大數(shù)據(jù)的潛力并進行持久學習。在6G時代,網(wǎng)絡將以智能為基礎,達到自我學習、自我操作、自我維護的目標,從而適應各種實時變化。6G將通過人工智能為整個社會持續(xù)地賦能和賦智,實現(xiàn)普惠智能的目標。
(五)全息通信標準化進程
隨著6G網(wǎng)絡的發(fā)展、終端設備分辨率的提升,即全息通信(3D通信)成為可能,將超越語音、圖像、視頻等2D通信。全息通信通過實時采集、傳輸、渲染等方式,自然還原多維信息,將物質(zhì)世界中距離遙遠的實體信息通過數(shù)據(jù)傳輸通道建立起全息影像連接,實現(xiàn)網(wǎng)絡與真實環(huán)境的融合。該技術將廣泛應用于影音渲染、遠程醫(yī)療、教育產(chǎn)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、企業(yè)管理等,有助于各領域數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級。
實現(xiàn)高分辨率、大尺寸的實時交互式全息顯示,需要網(wǎng)絡具備高效的全息影像傳遞功能以及先進的三維立體展現(xiàn)技術。這對信息通信系統(tǒng)提出了更高的要求,該系統(tǒng)必須具備處理千位級別以上并發(fā)數(shù)據(jù)流的能力,相應的用戶吞吐量可達太比特量級。在工業(yè)、醫(yī)療等特殊環(huán)境中,全息通信對于數(shù)據(jù)傳輸所需的性能提出了更高的要求,即擁有更快的傳輸速度、更低的延遲、更強的穩(wěn)定性、更高的準確性。在6G時代,相關技術標準將更完善,可為6G標準發(fā)展提供新思路。
四、6G關鍵技術標準的超前布局
在6G關鍵技術研制上,我國仍需鞏固5G發(fā)展優(yōu)勢,積極搶占6G標準化的領先地位;存在著潛在關鍵技術儲備不足、關鍵技術理論創(chuàng)新尚需突破、研究計劃尚不完善等問題和挑戰(zhàn)。針對太赫茲、智能超表面、智能全息無線電、超大規(guī)模多入多出(MIMO)、通信感知一體化等6G關鍵技術的研究迫在眉睫,亟需超前布局。
(一)太赫茲技術
太赫茲指0.1~10 THz的電磁波頻段,頻率比5G更高,包括毫米波、亞毫米波至遠紅外波等波段。國際5G主流頻段是3~6 GHz的毫米波頻段,低頻段的毫米波已經(jīng)實現(xiàn)工程化并逐漸商業(yè)化,頻率更高的光通信也經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展。但是在毫米波、微波等電學頻段與紅外光、可見光等光學頻段之間,還有一段未被有效利用的頻段,即太赫茲頻段。
太赫茲在通信領域中具有突出的優(yōu)勢。與毫米波相比,太赫茲在帶寬方面比毫米波更具優(yōu)勢,理論上是5G的10~100倍,無線傳輸數(shù)據(jù)率可以遠超100 Gbit/s。與光通信相比,太赫茲波受環(huán)境光源的干擾小,傳輸?shù)目煽啃耘c有效性更高,允許非視距傳輸,在霾、粉塵、紊流等一系列惡劣環(huán)境因素影響下仍具有良好表現(xiàn)。此外,太赫茲信號的鏈路方向性更高,被竊聽的風險更低,安全性也更高。太赫茲技術在6G發(fā)展中具有良好的應用前景。
(二)智能超表面技術
智能超表面技術指利用人為編碼控制對電磁波信號進行智能調(diào)控的一種技術。通過調(diào)節(jié)電磁波的振幅和波長等信號輸入,創(chuàng)造出可控的電磁場,從而提供現(xiàn)實物質(zhì)世界與數(shù)字世界之間的通道。該技術通過調(diào)控無線信號傳播,打破無線信道不可控特性,進行三維空間中信號傳播方向的調(diào)控和干擾抑制,提升信號的強度和質(zhì)量。
智能超表面技術具有高性能、高效率、易推廣等特點,適用于擴展覆蓋范圍、抑制電磁干擾、提升傳輸自由度、解決無線通信中的覆蓋空洞問題、支持大規(guī)模連接、實現(xiàn)高精度定位感知等典型應用。智能超表面技術還能與多技術融合,具有極大的應用潛力,是實現(xiàn)未來通信感知一體化的關鍵技術;支持創(chuàng)建智能化的無線環(huán)境,引領新一代網(wǎng)絡技術更新,以快速適應不斷增長的移動通信需求。
(三)智能全息無線電技術
智能全息無線電技術在6G關鍵技術布局中也是重要方面,基于電磁波的全息干涉原理,對電磁空間進行動態(tài)重構和實時準確控制,實現(xiàn)射頻全息到光學全息的映射。
智能全息無線電技術可應用于多個領域。在無線接入方面,能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)技術更高的容量和更低的時延,如在高速列車、機場等場景中提供穩(wěn)定可靠的高速無線網(wǎng)絡服務。在智能工廠條件下,支持具有極大流量密度的無線工業(yè)通信系統(tǒng),為工廠的自動化生產(chǎn)提供更加高效、智能的解決方案。在物聯(lián)網(wǎng)領域,可為物聯(lián)網(wǎng)終端設備提供精確導航定位、無線遠距離快充等服務,為智慧城市建設提供有力支持。智能全息無線電還可以通過無線通信特性實現(xiàn)可視成像和環(huán)境感知,準確構建多變的通信環(huán)境,為電磁空間智能控制提供支持;基于微波光子天線陣列的相干光上變頻,可實現(xiàn)信號的超高相干性和高并行性,有利于信號直接在光域進行處理和計算,解決相關系統(tǒng)的功耗和時延問題。智能全息無線電技術作者6G物理層備選技術,將是6G標準制定的關鍵內(nèi)容之一。
(四)超大規(guī)模MIMO技術
超大規(guī)模MIMO技術通過增加天線數(shù)量、優(yōu)化接收機算法來提高系統(tǒng)容量和頻譜效率。得益于芯片和天線集成度的升級,大規(guī)模天線陣列的應用更為深入。引入新的材料、技術和功能后,超大規(guī)模MIMO技術可以利用更豐富的頻段資源,實現(xiàn)更高效的頻譜利用、更高的定位精度與能量效率、更全面靈活的網(wǎng)絡覆蓋范圍及模式。
超大規(guī)模MIMO具備波束調(diào)整的能力,可提供地面覆蓋和非地面覆蓋。未來超大規(guī)模MIMO將與環(huán)境更好地融合,從而實現(xiàn)網(wǎng)絡覆蓋、多用戶容量等指標的大幅提高。分布式超大規(guī)模MIMO有利于構造超大規(guī)模的天線陣列,網(wǎng)絡架構趨近于無定形網(wǎng)絡,有利于獲得均勻一致的用戶體驗、更高的頻譜效率、更低的系統(tǒng)傳輸能耗。超大規(guī)模MIMO陣列具有極高的空間分辨力,能在復雜的無線通信環(huán)境中實現(xiàn)精準的三維定位。該技術的超高處理增益能有效補償高頻段的路徑損耗,在原有發(fā)射功率的條件下提升高頻段的通信距離和覆蓋范圍。引入人工智能后,可在信道探測、波束管理、用戶檢測等多個環(huán)節(jié)實現(xiàn)智能化。超大規(guī)模MIMO陣列將成倍提高6G頻譜效率,顯著增強6G的空間分辨能力。
(五)通信感知一體化
在信息實際處理過程中,同步實現(xiàn)感知和通信功能的通信技術被稱為通信感知一體化技術,可通過軟硬件資源或信息共享實現(xiàn)協(xié)同工作,有效提升硬件效率、信息處理效率、系統(tǒng)頻譜效率。相應設計理念就是將無線通信和感知功能在同一系統(tǒng)中實現(xiàn)并融合共生。通信系統(tǒng)借助硬件或信號處理部分來執(zhí)行各種感知服務,感知結果協(xié)助通信的連接和控制以增強通信效能和服務質(zhì)量。
在未來的6G網(wǎng)絡中,通信和感知功能將使無線系統(tǒng)具有感知物理世界的能力,利用感應器傳輸?shù)耐ㄐ判盘枌崿F(xiàn)感知功能,如目標的檢測、定位、識別、成像等。無線系統(tǒng)通過感知功能可以獲取周邊環(huán)境信息、高效分配通信資源、大幅提高通信效率,從而優(yōu)化用戶終端使用場景并提升用戶體驗。使用更高頻段的頻譜(如毫米波、太赫茲波)將進一步增強無線系統(tǒng)的周圍環(huán)境信息獲取能力,提高系統(tǒng)性能并創(chuàng)造更多應用。
五、6G標準化進程的發(fā)展建議
(一)加強6G關鍵技術自主創(chuàng)新,推動6G基礎產(chǎn)業(yè)自主發(fā)展
在6G關鍵技術研究方面,我國與發(fā)達國家之間還有一定的差距。在6G的激烈競爭中,新一輪技術革新和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型顯得尤為關鍵。建議積極推動太赫茲、超大規(guī)模MIMO、智能超表面等6G關鍵技術研究,鼓勵高校、企業(yè)、科研院所深入?yún)⑴c。未來6G發(fā)展需要打破發(fā)達國家的技術和標準壟斷,推動6G產(chǎn)業(yè)基礎發(fā)展,可在政策層面強化對半導體材料、核心元器件等基礎產(chǎn)業(yè)的支持力度,為6G關鍵技術和標準化發(fā)展筑牢產(chǎn)業(yè)基礎。
(二)加快跨領域協(xié)同合作創(chuàng)新,制定6G關鍵技術標準體系
6G將在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、城市管理等領域進行深入應用。應加強跨行業(yè)、跨領域的協(xié)作,推動產(chǎn)業(yè)鏈上、下游協(xié)同創(chuàng)新,可采取設立研究中心、共同參與重大科技項目研發(fā)、組織行業(yè)聯(lián)盟等途徑,有效匯聚各方力量。在此基礎上,積累6G實際生產(chǎn)經(jīng)驗,共同推動6G核心技術探索與標準制定。6G技術將在區(qū)塊鏈、全息通信、算力網(wǎng)絡、人工智能、數(shù)字孿生等新場景技術支持下發(fā)揮重要作用,而這些新場景技術的標準化進程也將反向推動6G關鍵技術標準的制定。
(三)深化6G技術國際合作,構建開放共贏全球產(chǎn)業(yè)生態(tài)
在6G研發(fā)過程中,僅依靠國內(nèi)的力量可能存在被孤立和邊緣化的風險。我國應團結各方力量,達成共識、深化合作,形成統(tǒng)一標準,確立合作伙伴關系。國內(nèi)的科研院所、高校、企業(yè)可積極參與3GPP、ITU等國際組織,在6G技術、規(guī)范、行業(yè)應用等方向開展民間合作,追求6G的全球統(tǒng)一標準和建設生態(tài)。在此基礎上,我國積極擴大6G國際交流中的影響力,進一步增進國際層面的協(xié)作,有效探索6G技術在歐洲、美國、日本、韓國等國家和地區(qū)的聯(lián)合應用,以此促進6G行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展,構建共同發(fā)展、合作開放的6G全球產(chǎn)業(yè)環(huán)境。