6G新頻譜方向探索｜6G會(huì)改變什么？｜毫米波｜太赫茲｜光通信

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6G會(huì)改變什么？

6G新頻譜探索

6G將要用到的新頻譜、優(yōu)勢(shì)、所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)、解決挑戰(zhàn)的研究方向等如何？

下面我們來(lái)解析歐盟6G旗艦項(xiàng)目Hexa-X、歐盟5G-PPP SELFNET項(xiàng)目、德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部（BMBF）TACNET4.0項(xiàng)目的相關(guān)研究成果。

6G蜂窩網(wǎng)絡(luò)將提供良好的異構(gòu)無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)（RAT）能力，其中具有低射頻的傳統(tǒng)RAT和視距（LOS）相關(guān)RAT（太赫茲、VLC頻段和OWC頻段）可以共存。

THz、VLC和OWC可以在分層RAN架構(gòu)（例如微微小區(qū)）中構(gòu)建一個(gè)新的層，其中具有不同RAT的異構(gòu)小區(qū)相互重疊。

其形態(tài)類(lèi)似于在5G網(wǎng)絡(luò)中引入毫米波。

一、毫米波

毫米波技術(shù)已由5G新空口部分地引入，并被認(rèn)為仍是未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

與在6GHz以下工作的傳統(tǒng)射頻技術(shù)相比，毫米波6G將通過(guò)高達(dá)300 GHz的新載波頻率顯著拓寬可用帶寬。

正如香農(nóng)定理所揭示的那樣，如此巨大的新帶寬將極大提升無(wú)線(xiàn)電信道容量并滿(mǎn)足未來(lái)新興應(yīng)用對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的迫在眉睫的渴望。

同時(shí)，更短的波長(zhǎng)也使得天線(xiàn)尺寸更小。

這不僅提高了設(shè)備的便攜性和集成度，還可以增加天線(xiàn)陣列的尺寸，從而縮小波束，有利于檢測(cè)雷達(dá)和物理層安全等特定應(yīng)用。

此外，大氣和分子吸收在整個(gè)毫米波頻段的不同頻率上表現(xiàn)出高度不同的特性，為各種用例提供潛力。

一方面，在35GHz、94GHz、140GHz、220GHz等一些特殊頻段可以觀察到低衰減，使得在這些頻率下進(jìn)行長(zhǎng)距離對(duì)等通信成為可能；另一方面，在某些“衰減峰值”頻段（例如60 GHz、120 GHz和180 GHz）處會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的傳播損耗，這可以被具有嚴(yán)格安全要求的短距離隱蔽網(wǎng)絡(luò)所利用。

目前，毫米波領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要集中于在室內(nèi)使用的60 GHz頻段，例如ECMA-387、IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11ad。

毫米波技術(shù)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

首先，毫米波頻段的寬帶寬和高傳輸功率會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的非線(xiàn)性信號(hào)失真，這對(duì)集成電路提出了比射頻器件更高的技術(shù)要求。

同時(shí)，由于毫米波的有效傳輸范圍（特別是在60 GHz頻段）受到大氣和分子吸收的嚴(yán)重限制，毫米波信道通常以LOS路徑為主。

這個(gè)主要的缺點(diǎn)在這個(gè)短波長(zhǎng)處的較差衍射進(jìn)一步放大，在車(chē)輛、行人甚至用戶(hù)自身人體等小規(guī)模障礙物密集存在的場(chǎng)景中，這會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的阻塞損耗。

高傳播損耗和LOS依賴(lài)性也顯著提高了信道狀態(tài)對(duì)移動(dòng)性的敏感性，即衰落的影響比射頻頻段中的影響要強(qiáng)得多。

因此，對(duì)出色的移動(dòng)性管理的需求變得空前高漲。

此外，在密集鏈路共存的場(chǎng)景下，尤其是在室內(nèi)環(huán)境中，不同接入點(diǎn)之間的干擾會(huì)很大，因此需要研發(fā)高效的干擾管理方法。

二、太赫茲通信

盡管目前有豐富的頻譜冗余，但毫米波幾乎不足以解決未來(lái)十年日益增長(zhǎng)的帶寬不足問(wèn)題。

展望6G時(shí)代，工作在更高頻率（如太赫茲或光頻段）的無(wú)線(xiàn)技術(shù)有望在下一代RAN中發(fā)揮重要作用，提供極高的帶寬。

與毫米波類(lèi)似，太赫茲波也存在高路徑損耗，因此高度依賴(lài)定向天線(xiàn)和LOS信道，僅能提供非常有限的覆蓋范圍。

但是，當(dāng)有令人滿(mǎn)意的LOS鏈路可用時(shí)，高載頻帶來(lái)的帶寬明顯高于任何傳統(tǒng)技術(shù)，這使得同時(shí)提供吞吐量、時(shí)延和可靠性方面的超高性能成為可能。

此外，與工作在較低頻率的毫米波系統(tǒng)和工作在較高頻段的無(wú)線(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)相比，太赫茲通信系統(tǒng)對(duì)大氣效應(yīng)不敏感，從而可簡(jiǎn)化波束賦型和波束跟蹤的任務(wù)。

除了針對(duì)特定用例（例如室內(nèi)通信和無(wú)線(xiàn)回傳）的主流射頻技術(shù)之外，太赫茲通信被塑造成一個(gè)很好的補(bǔ)充解決方案以及具有極端服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)物理應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)選擇（例如實(shí)時(shí)VR/AR）。

此外，高載波頻率還使得天線(xiàn)的尺寸更小以實(shí)現(xiàn)更高的集成度。

預(yù)計(jì)在單個(gè)太赫茲6G基站中可以嵌入超過(guò)10000根天線(xiàn)，并且提供數(shù)百個(gè)超窄波束，從而克服高傳播損耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)極高的流量容量和海量連接，從而構(gòu)成其在超大規(guī)模機(jī)器類(lèi)型通信中的應(yīng)用，例如萬(wàn)物互聯(lián)（IoE）。

盡管如此，雖然太赫茲在許多方面優(yōu)于毫米波，但太赫茲6G也面臨著更大的技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是在實(shí)現(xiàn)基本硬件電路（包括天線(xiàn)、放大器和調(diào)制器）方面。

特別是，長(zhǎng)期以來(lái)，用集成電路將基帶信號(hào)有效地調(diào)制到這種高頻載波上一直是太赫茲技術(shù)實(shí)際部署的最關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，一些研究機(jī)構(gòu)在過(guò)去的十年中做出了巨大的努力，其中主要涉及混頻的固態(tài)太赫茲系統(tǒng)。

最近，在太赫茲系統(tǒng)中應(yīng)用空間直接調(diào)制以便將基帶信號(hào)直接調(diào)制到太赫茲頻段（而無(wú)需任何中頻）開(kāi)始受到研究者的關(guān)注。

三、可見(jiàn)光通信（VLC）

VLC工作在400 THz到800 THz的頻率范圍內(nèi)。

與使用較低太赫茲范圍內(nèi)的射頻技術(shù)不同，VLC依賴(lài)照明源——尤其是發(fā)光二極管（LED以及圖像傳感器或光電二極管陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)器。

使用這些收發(fā)器，可以輕松地以低功耗（100毫瓦 10Mbps至100Mbps）實(shí)現(xiàn)高帶寬，而不會(huì)產(chǎn)生電磁或無(wú)線(xiàn)電干擾。

主流LED的良好功率效率、長(zhǎng)壽命（長(zhǎng)達(dá)10年）和低成本，以及可以使用非授權(quán)頻段，使VLC成為對(duì)電池壽命和頻譜使用成本敏感的用例的有吸引力的解決方案，例如大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。

此外，VLC在一些非地面場(chǎng)景（例如航空航天和水下。這些可能是未來(lái)6G生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分）中也表現(xiàn)出比RF技術(shù)更好的傳播性能。

與RF相比，VLC中的MIMO增益非常脆弱（尤其是在室內(nèi)場(chǎng)景中）。

這源于傳播路徑之間的高相干性，即低空間分集。

雖然這種相干性可以通過(guò)使用間隔LED陣列以某種方式降低，但MIMO-VLC也受到接收器設(shè)計(jì)和實(shí)施的挑戰(zhàn)：非成像接收器對(duì)它們與發(fā)射器的空間對(duì)齊極為敏感，而成像接收器在成本上不適用。

因此，盡管十年來(lái)學(xué)術(shù)界不斷努力，但迄今為止還沒(méi)有將MIMO方法標(biāo)準(zhǔn)化到IEEE 802.15.7的主流VLC物理層。因此，VLC中的波束賦型與基于MIMO的射頻波束賦型不同，它是通過(guò)一種稱(chēng)為空間光調(diào)制器（SLM）的特殊光學(xué)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

與毫米波和太赫茲技術(shù)類(lèi)似，VLC也依賴(lài)于LOS信道，因?yàn)樗葲](méi)有穿透能力，也沒(méi)有足夠的衍射來(lái)繞過(guò)常見(jiàn)類(lèi)型的障礙物。

同時(shí)，由于擔(dān)心相鄰小區(qū)干擾和幾乎無(wú)處不在的環(huán)境光噪聲，VLC系統(tǒng)通常需要具有窄波束的定向天線(xiàn)。

這些事實(shí)使得VLC系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)的位置和移動(dòng)性高度敏感，從而對(duì)波束跟蹤提出了很高的要求。另一方面，這個(gè)特性也使得VLC可以在某些使用場(chǎng)景中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，例如更好的室內(nèi)定位精度和更低的車(chē)載通信干擾。

VLC的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)源于對(duì)可見(jiàn)光譜的開(kāi)放和不受監(jiān)管（更具體地說(shuō)是“無(wú)法監(jiān)管”），與傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)相比，這意味著更高的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)VLC系統(tǒng)提出更嚴(yán)格的安全要求。

對(duì)此，物理層安全作為一種有前途的解決方案已被廣泛研究。

四、光無(wú)線(xiàn)通信（OWC）

OWC是指使用紅外線(xiàn)（IR）、可見(jiàn)光或紫外線(xiàn)（UV）作為傳輸介質(zhì)的無(wú)線(xiàn)通信。

對(duì)于在射頻頻段上運(yùn)行的傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信來(lái)說(shuō)，它是一種很有前途的補(bǔ)充技術(shù)。

在可見(jiàn)波段工作的OWC系統(tǒng)通常被稱(chēng)為VLC，它最近引起了很多關(guān)注，并在上文第3部分中單獨(dú)討論。

無(wú)需全球通信監(jiān)管機(jī)構(gòu)的許可，光頻段就可以提供幾乎無(wú)限的帶寬。

由于光發(fā)射器和檢測(cè)器的可用性，它可以用于以低成本實(shí)現(xiàn)高速接入。

由于紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)波具有與可見(jiàn)光相似的行為，因此可以顯著限制安全風(fēng)險(xiǎn)和干擾，并且可以消除無(wú)線(xiàn)電輻射對(duì)人體健康的潛在影響。

預(yù)計(jì)在智能交通系統(tǒng)中的車(chē)載通信、飛機(jī)乘客照明、對(duì)電磁干擾敏感的醫(yī)療機(jī)器等部署場(chǎng)景中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

盡管OWC具有上述優(yōu)勢(shì)，但它也受到環(huán)境光噪聲、大氣損耗、LED非線(xiàn)性、多路徑色散和指向錯(cuò)誤等缺陷的影響。

在OWC中，使用LED或激光二極管（LD）在發(fā)射器處將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，而接收器則使用光電二極管（PD）將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

通過(guò)廣泛使用的方案，如開(kāi)關(guān)鍵控或脈沖位置調(diào)制，以及先進(jìn)的多載波方案（如OFDM），可簡(jiǎn)單地調(diào)制光脈沖的強(qiáng)度來(lái)傳遞信息，以獲得更高的傳輸速率。

為了在單個(gè)光接入點(diǎn)支持多個(gè)用戶(hù)，OWC不僅可以應(yīng)用典型的時(shí)分、頻分、碼分多址等電復(fù)用技術(shù)，還可以應(yīng)用波分多址等光復(fù)用技術(shù)。

光學(xué)MIMO技術(shù)也在OWC中實(shí)施，其中應(yīng)用了多個(gè)LED和多個(gè)PD---就像在RF頻帶中運(yùn)行的典型MIMO系統(tǒng)一樣。

應(yīng)用圖像傳感器檢測(cè)光脈沖的光學(xué)系統(tǒng)也被稱(chēng)為光學(xué)相機(jī)系統(tǒng)。圖像傳感器可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由于內(nèi)置攝像頭的智能手機(jī)的廣泛普及，它具有“更容易實(shí)現(xiàn)”這一優(yōu)點(diǎn)。

另一方面，地面點(diǎn)對(duì)點(diǎn)OWC也被稱(chēng)為自由空間光通信（FSO）。

在發(fā)射器處使用高功率高集中激光束，F(xiàn)SO系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，即每波長(zhǎng)10 Gbps，遠(yuǎn)距離傳輸（長(zhǎng)達(dá)10000公里）。

它為地面網(wǎng)絡(luò)中的回傳瓶頸提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，實(shí)現(xiàn)了空間、空中和地面平臺(tái)之間的交叉鏈接，并促進(jìn)了新興LEO衛(wèi)星星座的高容量星間鏈路。

此外，由于用于非視距紫外通信的固態(tài)光發(fā)射器和檢測(cè)器取得了最新進(jìn)展，OWC有望提供廣泛的覆蓋范圍和高安全性。

五、6G動(dòng)態(tài)頻譜管理（DSM）

除了在更高頻率上不斷挖掘未使用的頻譜之外，業(yè)界對(duì)6G帶寬繁榮的愿景還有第二種方法——通過(guò)DSM提高無(wú)線(xiàn)電資源利用率。

有關(guān)DSM的想法可以追溯到IEEE 802.11中應(yīng)用的著名的會(huì)話(huà)前偵聽(tīng)（LBT）協(xié)議，該協(xié)議在基于競(jìng)爭(zhēng)的頻譜訪問(wèn)控制中平等地對(duì)待所有用戶(hù)。

在免授權(quán)的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段，LBT在碰撞和干擾控制方面取得了巨大成功。

同時(shí)，在授權(quán)頻譜方面，“受監(jiān)管接入”導(dǎo)致的頻譜利用不足，比頻譜的物理稀缺性更重要。

這一事實(shí)引起了學(xué)術(shù)界對(duì)具有異構(gòu)RAT和不同優(yōu)先級(jí)以訪問(wèn)許可/未許可頻段的各種系統(tǒng)之間類(lèi)似LBT的動(dòng)態(tài)頻譜共享領(lǐng)域的強(qiáng)烈研究興趣。

在軟件定義無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的成功發(fā)展的激勵(lì)下，這些研究工作催生了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電（CR）技術(shù)，并在本世紀(jì)的第一個(gè)十年迅速成熟。

自LTE時(shí)代以來(lái)，研究授權(quán)蜂窩系統(tǒng)和非授權(quán)ISM頻段技術(shù)共存下的DSM已成為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)課題。

對(duì)于未來(lái)的6G系統(tǒng)，對(duì)DSM的需求變得前所未有的迫切。

一方面，無(wú)線(xiàn)接入ISM頻段（尤其是IEEE 802.11頻段）幾乎成為當(dāng)今主流蜂窩終端的標(biāo)準(zhǔn)功能，成為在用戶(hù)密集場(chǎng)景下提供更大網(wǎng)絡(luò)容量的通用解決方案。

另一方面，由于不可能將6G新頻譜的寬頻帶保留給許可使用（尤其是可見(jiàn)光頻譜），預(yù)計(jì)6G系統(tǒng)在其頻譜的未許可部分將受到無(wú)處不在的干擾。

其他系統(tǒng)和環(huán)境噪聲是高度動(dòng)態(tài)的和環(huán)境相關(guān)。

因此，6G系統(tǒng)必須能夠根據(jù)瞬時(shí)情況動(dòng)態(tài)來(lái)認(rèn)知地選擇最合適的工作頻段。

6G DSM面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

在硬件實(shí)現(xiàn)上，6G新頻譜的廣泛性導(dǎo)致設(shè)計(jì)具有動(dòng)態(tài)全頻譜感知能力的收發(fā)器存在困難。

6G前端必須能夠在超寬的6G頻段上進(jìn)行快速高效的頻譜感知，從而實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)無(wú)線(xiàn)電環(huán)境認(rèn)知和頻譜接入的及時(shí)適應(yīng)。

在系統(tǒng)層面，為了提高DSM的效率和安全性，基于頻譜感知的物理層CR需要通過(guò)對(duì)信息物理層上下文信息的感知來(lái)進(jìn)一步完成，以獲得對(duì)通信環(huán)境（包括地形場(chǎng)景、通信模式、當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)等）的更深入的理解。

這導(dǎo)致了上下文感知的各個(gè)方面（從數(shù)據(jù)供應(yīng)到數(shù)據(jù)所有權(quán)）的挑戰(zhàn)。

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