2021世界移動通信大會(上海)(MWCS)釋放了前瞻信號:經過2020年5G“加速度”后,2021年5G將持續拉動經濟增長。

古人云:宜未雨而綢繆,毋臨渴而掘井。5G如日中天之時,先知先覺的研究機構已在謀劃未來5G向6G的過渡,探討6G的產業挑戰和機遇。

如果說5G是物聯網(IoT)的爆發時代,6G則將是全球智能化時代,類似全息投影、沉浸式虛擬現實技術等都將得以呈現。

全球5G加速部署

過去的2020年,中國新建60萬個5G基站,總數超過71．8萬個;2021年,中國計劃新建5G基站60萬個,形成“以建促用,以用促建”的良性發展模式。這是工業和信息化部副部長劉烈宏在MWCS上的解讀。

除三大電信運營商外,中國廣電將加入5G網絡建設陣營。中國廣電董事長宋起柱表示,計劃今年啟動700MHz頻段5G網絡規模建設,預計2021年進入快速部署期。

2020年,中國5G手機銷售了1．63億部,5G終端連接數超過2億;2021年,5G用戶數將進入快速增長期,預計5G用戶將超5億。終端產業鏈將受益于網絡的快速部署。

據統計,5G應用的80%在產業端,2021年5G的行業落地在有望提速。華為常務董事、運營商BG總裁丁耘表示,2021年將是5GToB(面向行業)規模的商用元年。例如,華為南方工廠130米長的手機生產線有大約500臺設備接入5G網絡,實現了實時數據交互。智能化產線減少了80%的操作工人數量,整體生產效率提升3倍以上。

全球移動設備供應商協會(GSA)的報告顯示,截至2021年1月,全球61個國家與地區擁有實時5G商業網絡。隨著5G時代的到來,社會數字化變革正在加速。

展望2021年,預計全球5G智能手機出貨量將達到4．5億至5．5億部,到2023年,全球5G連接數更將高達10億,這比在4G時代實現10億連接數的時間整整提前了兩年,由此可見5G普及速度之迅猛。

6G研究開始啟動

圍繞6G的聲音越來越大,世界各地已有很多倡議。研究公司IDTechEx稱,全球有超過10億美元的資金投入到6G研究中。2019年11月,中國科技部會同發改委等幾部委召開6G技術研發工作啟動會,已在對這種可能性進行實驗。

芬蘭、韓國和中國一樣在研究將成為6G核心的太赫茲(THz)電子產品方面尤為活躍。支持芬蘭及其合作伙伴的是超過3．5億美元的歐盟新研究撥款。盡管6G幾乎沒有定論,甚至連頻率都沒有決定,但關于6G的宏偉目標和挑戰,已經引發了科學界的熱議。

已經在進行6G研究的芬蘭奧盧大學的Ari Pouttu教授認為:“一個研究思路或創新有時需要10-15年才能達到成熟的水平,因此現在就開始思考很重要。例如太赫茲通信的挑戰,包括解決這一問題的材料。”

6G路線圖開始呈現

所有研究項目都是開發知識庫、試驗和原型的關鍵。IDTechEx最近的“2021-2041 6G通信市場、設備和材料”報告預測了6G路線圖以及一些挑戰和機遇。

2021-2041 6G路線圖

報告指出,顯而易見,5G服務遠遠超出了移動電話甚至個人電子產品的總體需求,6G的情況將更為如此。物與物的通信可能比人類的通信更為重要。6G基本規范至少應包含傳感、定位、邊緣計算、最高清晰度成像以及通信的需求。對人類來說,6G響應時間似乎是瞬間的,移動設備沒有小區間(cell-to-cell)切換。

6G的一個關鍵參數將是進入太赫茲波段的飛躍——即275GHz到10THz的未分配太赫茲波段,也就是遠紅外波段。根據IDTechEx的說法,這是物理學的“狂野西部”牛仔的領地,那里幾乎不存在任何組件,產生的信號也很微弱。這就是所謂的“太赫茲間隙”。

因此,最初的實驗通常是在較容易的一端——100-300GHz進行。FCC(美國聯邦通信委員會)已經提議在116到246GHz之間的一些頻段正式設置這個“實驗者的游戲區”。6G的推出可能和5G一樣,從一個相對容易的頻率(如275GHz)開始,然后遷移到具有挑戰性的更高頻率(1GHz),以獲得最大的好處。此前的5G是從幾GHz開始,目前正在向幾十GHz過渡。

至于上限,最終的太赫茲頻率不太可能高于1THz,因為在那之后,光束的大氣衰減會上升到嚴重的水平,而且組件也變得非常具有挑戰性。事實上,在大多數情況下,太赫茲頻率將用于本地層面和衛星之間,其余的是自由空間光學(FSO),因為鋪設光纖將過于昂貴或不切實際。應用也可能包括一些C波段GHz長距離鏈路。6G的挑戰和機遇

毫無疑問,6G將遇到前所未有的挑戰,其中一些挑戰也可能成為機遇:

太赫茲在光頻譜中位于微波和紅外線之間,但由于其能量低,科學家無法利用其潛力

需要更高頻率的前端和調制解調器芯片,可供選擇的有GaAs、GaN、InP、SiGe、全耗盡絕緣體上硅(FD-SOI)CMOS

前程/回程方面,高容量連接和高空太陽能無人機可在陽光下飛行5年,中國、德國/法國、英國和美國已經在空中進行了遠不足5年的試驗。試驗包括無人駕駛飛艇,還有將于2021年發射的法國/意大利領先的同溫層巴士(Stratobus)。此外,6G還需要數以萬計的近地軌道低軌衛星,歐洲和美國的SpaceX正在部署。這些飛機和衛星都不是專門用于6G的,但它們對6G必不可少

需要解決的其他問題包括:

異構硬件對復雜集成到單一平臺的限制

實現具有優勢的邊緣網絡設備的能力

3D網絡的復雜資源管理

頻譜和干擾管理

解決太赫茲大氣吸收問題

太赫茲波束管理

物理層安全

太赫茲建模

成本控制

6G的研發對材料供應商來說意味著新的機遇。將在6G中廣泛應用的材料包括石墨烯和超材料(超級電容器、熱平衡、HEMT晶體管、天線、超表面)以及許多不同的3-5化合物(HEMT晶體管、THz二極管、襯底、能量收集、太陽能飛機等)。

不以為然的質疑

與6G熱情相反,相反的觀點也很多。有人說,5G已被證明如此昂貴,可能永遠不會全面部署,而那些需要更多功能的人可以從5G的更高頻率版本中獲得,而不需要更多的標準。

IDTechEx指出,如果沒有一些現在不存在的東西,6G就不可能實現,而且可能永遠也買不起。因為太赫茲光束窄、弱,不走圓角,幾乎任何東西都能阻止它,所以需要智能表面,即使是在私人住宅里,也必須有無處不在的通道。

所謂智能曲面有許多名稱:“超曲面”、“智能反射曲面(IRS)”、“軟件可編程超曲面(SPM)”等。它們由有源太赫茲元件和超材料組成,排列成可單獨編程的“瓷磚”。它們必須重定向、放大、準直、偏振,同時以其他方式操縱太赫茲光束。

IDTechEx表示,還有其他問題,比如6G需要大量的基礎設施,而圍繞始終在線連接需求的一些思考是否明智也有疑問。據說6G最終將使幾乎所有的東西都直接連接到互聯網上。6G是混合和虛擬現實,是醫學成像和無人車輛的未來。但特斯拉CEO埃隆·馬斯克認為,依靠衛星傳輸信號的“天網”可以把衛星當做5G基站實現數據傳輸,不僅延遲可以忽略不計,而且與部署傳統基站相比,成本也低得多。

探索6G毫米波無線網絡技術

法國研究機構CEA-Leti認為,毫米波(mmWave)頻段無線通信(20GHz到300GHz)有望成為6G無線系統的關鍵使能技術,因為巨大的可用帶寬可以容納超高數據速率通信。他們正在探索6G毫米波技術超過5G的數據傳輸能力。在毫米波段范圍,CEA Leti正在研究D波段——140GHz的新頻譜,它可能在6G無線通信中發揮主要作用。

亞太赫茲波段無線連接相關性能指標設想方案

CEA-Leti認為,在D波段5G以上無線連接技術中,一些潛在應用和實現這些應用需要在場景需求和構建6G路線圖的硅技術限制之間進行權衡。CEA-Leti科學家Jean Baptiste Dore說:“使用D波段無線通信的挑戰包括隨著頻率平方增加的自由空間波傳播損耗,所以必須使用高增益天線進行補償。這意味著天線的方向性和對準將受到嚴格限制。”

這些限制包括阻礙亞太赫茲(sub-THz)波傳播的物理障礙,這些障礙可以被墻壁、樹木甚至窗戶阻擋或強烈衰減。即使在清晰的傳播路徑中,也需要高增益天線。為了應對這一挑戰,CEA-Leti正在設計一種超越現有技術的高方向性和電子可操縱天線。

用光線跟蹤工具預測用于亞太赫茲無線性能評估的街道內回程傳播

由于CMOS技術無法生產出能夠提供亞太赫茲應用所需的最大晶體管頻率的器件,CEA Leti正在研究優化的RF電路設計,為這些應用提供創新的架構,以及新的材料和器件,以解決D波段頻率和更高頻率的問題,包括用于信道綁定的低噪聲放大器和可編程高階倍頻器。

對于器件到器件的通信,他們已經證明了使用空間復用和簡單的RF架構可以達到多Gbps的吞吐量。通過所提出的混合信號、模擬和數字,晶體管所需的功率被限制在微瓦級別,這使得CMOS技術成為可能。

CEA Leti的6G的關鍵使能技術的設計已經開始,包括研究用于亞太赫茲波段的新材料和器件、增強RF CMOS結構和天線系統以及高性能數字處理,也包括研究系統級芯片(SoC)和/或系統級封裝(SiP)的異構集成。

歐盟解囊開發6G愿景

最近,一項旨在開發和定義下一代6G無線網絡架構、技術和愿景的研究項目Hexa-X旗艦獲得了歐盟(EU)地平線2020研究與創新計劃(Horizon 2020 research and innovation program)近1200萬歐元的資助。

幾十年來,歐洲一直是無線網絡技術的領導者?，F在,關鍵是要在“旗艦”項目的聯合研究中釋放大腦,以保持B5G(超5G)/6G時代的全球行業領導地位。

以諾基亞為首的25個行業和學術合作伙伴參與Hexa-X項目,開發基本6G技術,并為集成關鍵6G使能技術的智能結構定義新的架構。面對2030年及以后歐洲和世界將面臨巨大的增長和可持續性機遇和挑戰;歐洲希望積極解決綠色協議效率、數字包容和健康與安全保障等問題。

Hexa-X愿景需要一個X-enabler結構,包括互聯智能、網絡、可持續性、全球服務覆蓋、終極體驗和可信賴性。

Hexa-X項目的目標包括開發以下領域的關鍵使能技術:

全新高頻無線電接入技術和高分辨率定位和傳感

通過人工智能(AI)驅動的空中接口和未來網絡治理實現互聯智能

用于實現網絡分解和動態可靠性的6G架構使能技術

諾基亞貝爾實驗室(Nokia Bell Labs)接入和設備研究主管Peter Vetter表示,“盡管隨著新標準的發布,5G領域仍有很多創新,但我們的研究實驗室已經在探索6G。在6G時代,我們將看到不僅能將人與機器聯系起來,還能將人與數字世界聯系起來的應用。這種安全的私人連接可以用于預防性醫療保健,甚至可以創建一個具有第六感的6G網絡,直觀地理解我們的意圖,使我們與物理世界的互動更加有效,并預測我們的需求,從而提高我們的生產效率。”

諾基亞預計,按照典型的10年一代的周期,6G系統將在2030年實現商業化。在超越5G的情況下,人類智能將通過與網絡和數字技術緊密耦合和無縫交織而得到增強。隨著人工智能的進步,機器可以將數據轉化為推理和決策,幫助人類在物理世界中更好地理解和行動。隨著今天的家用和工業機器轉變為成群的多用途機器人和無人機,從任何地方控制它們的新的人機觸覺和思維接口應該成為未來網絡的一個組成部分。

人類未來的基礎

今天的一些研究不僅在確定6G定位和傳感系統的關鍵技術促成因素,而且還將確定新的應用和服務機會。這些使能技術與高頻范圍(尤其是100GHz以上)的新RF頻譜相對應;引入智能反射面將使網絡運營商能夠塑造和控制環境的電磁響應;先進的波束空間處理可以跟蹤用戶和對象,并繪制環境地圖;AI廣泛應用可以利用前所未有的數據和計算資源來解決無線系統中的基本問題;信號處理的進步將支持新的融合通信和雷達應用。

應用方面的機遇包括:生物醫學和安全領域的成像;自動構建復雜室內環境地圖的定位和繪圖;對人和物體的被動感知;將位置信息用作大數據源,引導和預測人類數字生態系統;使一臺設備具有傳感、定位和通信三重功能;最后,利用位置信息提高6G連接解決方案的安全性和信任度。