6G新頻譜方向探索｜6G會改變什么？｜毫米波｜太赫茲｜光通信

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6G會改變什么？

6G新頻譜探索

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

下面我們來解析歐盟6G旗艦項目Hexa-X、歐盟5G-PPP SELFNET項目、德國聯(lián)邦教育和研究部（BMBF）TACNET4.0項目的相關研究成果。

6G蜂窩網絡將提供良好的異構無線接入技術（RAT）能力，其中具有低射頻的傳統(tǒng)RAT和視距（LOS）相關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（例如微微小區(qū)）中構建一個新的層，其中具有不同RAT的異構小區(qū)相互重疊。

其形態(tài)類似于在5G網絡中引入毫米波。

一、毫米波

毫米波技術已由5G新空口部分地引入，并被認為仍是未來6G網絡的重要組成部分。

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

正如香農定理所揭示的那樣，如此巨大的新帶寬將極大提升無線電信道容量并滿足未來新興應用對更高數據速率的迫在眉睫的渴望。

同時，更短的波長也使得天線尺寸更小。

這不僅提高了設備的便攜性和集成度，還可以增加天線陣列的尺寸，從而縮小波束，有利于檢測雷達和物理層安全等特定應用。

此外，大氣和分子吸收在整個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行長距離對等通信成為可能；另一方面，在某些“衰減峰值”頻段（例如60 GHz、120 GHz和180 GHz）處會出現(xiàn)嚴重的傳播損耗，這可以被具有嚴格安全要求的短距離隱蔽網絡所利用。

目前，毫米波領域的標準化工作主要集中于在室內使用的60 GHz頻段，例如ECMA-387、IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11ad。

毫米波技術也帶來了新的挑戰(zhàn)。

首先，毫米波頻段的寬帶寬和高傳輸功率會導致嚴重的非線性信號失真，這對集成電路提出了比射頻器件更高的技術要求。

同時，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重限制，毫米波信道通常以LOS路徑為主。

這個主要的缺點在這個短波長處的較差衍射進一步放大，在車輛、行人甚至用戶自身人體等小規(guī)模障礙物密集存在的場景中，這會導致強烈的阻塞損耗。

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

因此，對出色的移動性管理的需求變得空前高漲。

此外，在密集鏈路共存的場景下，尤其是在室內環(huán)境中，不同接入點之間的干擾會很大，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十年日益增長的帶寬不足問題。

展望6G時代，工作在更高頻率（如太赫茲或光頻段）的無線技術有望在下一代RAN中發(fā)揮重要作用，提供極高的帶寬。

與毫米波類似，太赫茲波也存在高路徑損耗，因此高度依賴定向天線和LOS信道，僅能提供非常有限的覆蓋范圍。

但是，當有令人滿意的LOS鏈路可用時，高載頻帶來的帶寬明顯高于任何傳統(tǒng)技術，這使得同時提供吞吐量、時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線光學系統(tǒng)相比，太赫茲通信系統(tǒng)對大氣效應不敏感，從而可簡化波束賦型和波束跟蹤的任務。

除了針對特定用例（例如室內通信和無線回傳）的主流射頻技術之外，太赫茲通信被塑造成一個很好的補充解決方案以及具有極端服務質量（QoS）要求的未來網絡物理應用的競爭選擇（例如實時VR/AR）。

此外，高載波頻率還使得天線的尺寸更小以實現(xiàn)更高的集成度。

預計在單個太赫茲6G基站中可以嵌入超過10000根天線，并且提供數百個超窄波束，從而克服高傳播損耗，同時實現(xiàn)極高的流量容量和海量連接，從而構成其在超大規(guī)模機器類型通信中的應用，例如萬物互聯(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挑戰(zhàn)，尤其是在實現(xiàn)基本硬件電路（包括天線、放大器和調制器）方面。

特別是，長期以來，用集成電路將基帶信號有效地調制到這種高頻載波上一直是太赫茲技術實際部署的最關鍵挑戰(zhàn)。

為了解決這個問題，一些研究機構在過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)中應用空間直接調制以便將基帶信號直接調制到太赫茲頻段（而無需任何中頻）開始受到研究者的關注。

三、可見光通信（VLC）

VLC工作在400 THz到800 THz的頻率范圍內。

與使用較低太赫茲范圍內的射頻技術不同，VLC依賴照明源——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實現(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）實現(xiàn)高帶寬，而不會產生電磁或無線電干擾。

主流LED的良好功率效率、長壽命（長達10年）和低成本，以及可以使用非授權頻段，使VLC成為對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)網和無線傳感器網絡（WSN）。

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

與RF相比，VLC中的MIMO增益非常脆弱（尤其是在室內場景中）。

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使用間隔LED陣列以某種方式降低，但MIMO-VLC也受到接收器設計和實施的挑戰(zhàn)：非成像接收器對它們與發(fā)射器的空間對齊極為敏感，而成像接收器在成本上不適用。

因此，盡管十年來學術界不斷努力，但迄今為止還沒有將MIMO方法標準化到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，它是通過一種稱為空間光調制器（SLM）的特殊光學設備來實現(xiàn)的。

與毫米波和太赫茲技術類似，VLC也依賴于LOS信道，因為它既沒有穿透能力，也沒有足夠的衍射來繞過常見類型的障礙物。

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

這些事實使得VLC系統(tǒng)對用戶的位置和移動性高度敏感，從而對波束跟蹤提出了很高的要求。另一方面，這個特性也使得VLC可以在某些使用場景中發(fā)揮優(yōu)勢，例如更好的室內定位精度和更低的車載通信干擾。

VLC的另一個關鍵技術挑戰(zhàn)源于對可見光譜的開放和不受監(jiān)管（更具體地說是“無法監(jiān)管”），與傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)相比，這意味著更高的安全風險，對VLC系統(tǒng)提出更嚴格的安全要求。

對此，物理層安全作為一種有前途的解決方案已被廣泛研究。

四、光無線通信（OWC）

OWC是指使用紅外線（IR）、可見光或紫外線（UV）作為傳輸介質的無線通信。

對于在射頻頻段上運行的傳統(tǒng)無線通信來說，它是一種很有前途的補充技術。

在可見波段工作的OWC系統(tǒng)通常被稱為VLC，它最近引起了很多關注，并在上文第3部分中單獨討論。

無需全球通信監(jiān)管機構的許可，光頻段就可以提供幾乎無限的帶寬。

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

由于紅外線和紫外線波具有與可見光相似的行為，因此可以顯著限制安全風險和干擾，并且可以消除無線電輻射對人體健康的潛在影響。

預計在智能交通系統(tǒng)中的車載通信、飛機乘客照明、對電磁干擾敏感的醫(yī)療機器等部署場景中具有明顯優(yōu)勢。

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

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

通過廣泛使用的方案，如開關鍵控或脈沖位置調制，以及先進的多載波方案（如OFDM），可簡單地調制光脈沖的強度來傳遞信息，以獲得更高的傳輸速率。

為了在單個光接入點支持多個用戶，OWC不僅可以應用典型的時分、頻分、碼分多址等電復用技術，還可以應用波分多址等光復用技術。

光學MIMO技術也在OWC中實施，其中應用了多個LED和多個PD---就像在RF頻帶中運行的典型MIMO系統(tǒng)一樣。

應用圖像傳感器檢測光脈沖的光學系統(tǒng)也被稱為光學相機系統(tǒng)。圖像傳感器可以將光信號轉換為電信號，由于內置攝像頭的智能手機的廣泛普及，它具有“更容易實現(xiàn)”這一優(yōu)點。

另一方面，地面點對點OWC也被稱為自由空間光通信（FSO）。

在發(fā)射器處使用高功率高集中激光束，F(xiàn)SO系統(tǒng)可以實現(xiàn)高數據速率，即每波長10 Gbps，遠距離傳輸（長達10000公里）。

它為地面網絡中的回傳瓶頸提供了一種經濟高效的解決方案，實現(xiàn)了空間、空中和地面平臺之間的交叉鏈接，并促進了新興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)射器和檢測器取得了最新進展，OWC有望提供廣泛的覆蓋范圍和高安全性。

五、6G動態(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6G帶寬繁榮的愿景還有第二種方法——通過DSM提高無線電資源利用率。

有關DSM的想法可以追溯到IEEE 802.11中應用的著名的會話前偵聽（LBT）協(xié)議，該協(xié)議在基于競爭的頻譜訪問控制中平等地對待所有用戶。

在免授權的工業(yè)、科學和醫(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，在授權頻譜方面，“受監(jiān)管接入”導致的頻譜利用不足，比頻譜的物理稀缺性更重要。

這一事實引起了學術界對具有異構RAT和不同優(yōu)先級以訪問許可/未許可頻段的各種系統(tǒng)之間類似LBT的動態(tài)頻譜共享領域的強烈研究興趣。

在軟件定義無線電技術的成功發(fā)展的激勵下，這些研究工作催生了認知無線電（CR）技術，并在本世紀的第一個十年迅速成熟。

自LTE時代以來，研究授權蜂窩系統(tǒng)和非授權ISM頻段技術共存下的DSM已成為無線網絡領域的一個熱門課題。

對于未來的6G系統(tǒng)，對DSM的需求變得前所未有的迫切。

一方面，無線接入ISM頻段（尤其是IEEE 802.11頻段）幾乎成為當今主流蜂窩終端的標準功能，成為在用戶密集場景下提供更大網絡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（尤其是可見光頻譜），預計6G系統(tǒng)在其頻譜的未許可部分將受到無處不在的干擾。

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

因此，6G系統(tǒng)必須能夠根據瞬時情況動態(tài)來認知地選擇最合適的工作頻段。

6G DSM面臨著許多技術挑戰(zhàn)。

在硬件實現(xiàn)上，6G新頻譜的廣泛性導致設計具有動態(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頻段上進行快速高效的頻譜感知，從而實現(xiàn)在線無線電環(huán)境認知和頻譜接入的及時適應。

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需要通過對信息物理層上下文信息的感知來進一步完成，以獲得對通信環(huán)境（包括地形場景、通信模式、當地法規(guī)等）的更深入的理解。

這導致了上下文感知的各個方面（從數據供應到數據所有權）的挑戰(zhàn)。

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