2021世界移動通信大會(上海)(MWCS)釋放了前瞻信號:經(jīng)過2020年5G“加速度”后,2021年5G將持續(xù)拉動經(jīng)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(gòu)已在謀劃未來5G向6G的過渡,探討6G的產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)和機遇。

如果說5G是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的爆發(fā)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(xiàn)實技術(shù)等都將得以呈現(xiàn)。

全球5G加速部署

過去的2020年,中國新建60萬個5G基站,總數(shù)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(fā)展模式。這是工業(yè)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(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(wǎng)絡(luò)規(guī)模建設(shè),預(yù)計2021年進(jìn)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(shù)超過2億;2021年,5G用戶數(shù)將進(jìn)入快速增長期,預(yù)計5G用戶將超5億。終端產(chǎn)業(yè)鏈將受益于網(wǎng)絡(luò)的快速部署。

據(jù)統(tǒng)計,5G應(yīng)用的80%在產(chǎn)業(yè)端,2021年5G的行業(yè)落地在有望提速。華為常務(wù)董事、運營商BG總裁丁耘表示,2021年將是5GToB(面向行業(yè))規(guī)模的商用元年。例如,華為南方工廠130米長的手機生產(chǎn)線有大約500臺設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)交互。智能化產(chǎn)線減少了80%的操作工人數(shù)量,整體生產(chǎn)效率提升3倍以上。

全球移動設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(GSA)的報告顯示,截至2021年1月,全球61個國家與地區(qū)擁有實時5G商業(yè)網(wǎng)絡(luò)。隨著5G時代的到來,社會數(shù)字化變革正在加速。

展望2021年,預(yù)計全球5G智能手機出貨量將達(dá)到4．5億至5．5億部,到2023年,全球5G連接數(shù)更將高達(dá)10億,這比在4G時代實現(xiàn)10億連接數(shù)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(fā)改委等幾部委召開6G技術(shù)研發(fā)工作啟動會,已在對這種可能性進(jìn)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(chǎn)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(guān)于6G的宏偉目標(biāo)和挑戰(zhàn),已經(jīng)引發(fā)了科學(xué)界的熱議。

已經(jīng)在進(jìn)行6G研究的芬蘭奧盧大學(xué)的Ari Pouttu教授認(rèn)為:“一個研究思路或創(chuàng)新有時需要10-15年才能達(dá)到成熟的水平,因此現(xiàn)在就開始思考很重要。例如太赫茲通信的挑戰(zhàn),包括解決這一問題的材料。”

6G路線圖開始呈現(xiàn)

所有研究項目都是開發(fā)知識庫、試驗和原型的關(guān)鍵。IDTechEx最近的“2021-2041 6G通信市場、設(shè)備和材料”報告預(yù)測了6G路線圖以及一些挑戰(zhàn)和機遇。

2021-2041 6G路線圖

報告指出,顯而易見,5G服務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了移動電話甚至個人電子產(chǎn)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(guī)范至少應(yīng)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(yīng)時間似乎是瞬間的,移動設(shè)備沒有小區(qū)間(cell-to-cell)切換。

6G的一個關(guān)鍵參數(shù)將是進(jìn)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(yuǎn)紅外波段。根據(jù)IDTechEx的說法,這是物理學(xué)的“狂野西部”牛仔的領(lǐng)地,那里幾乎不存在任何組件,產(chǎn)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(jìn)行。FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)已經(jīng)提議在116到246GHz之間的一些頻段正式設(shè)置這個“實驗者的游戲區(qū)”。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(zhàn)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(yán)重的水平,而且組件也變得非常具有挑戰(zhàn)性。事實上,在大多數(shù)情況下,太赫茲頻率將用于本地層面和衛(wèi)星之間,其余的是自由空間光學(xué)(FSO),因為鋪設(shè)光纖將過于昂貴或不切實際。應(yīng)用也可能包括一些C波段GHz長距離鏈路。6G的挑戰(zhàn)和機遇

毫無疑問,6G將遇到前所未有的挑戰(zhàn),其中一些挑戰(zhàn)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(xué)家無法利用其潛力

需要更高頻率的前端和調(diào)制解調(diào)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(jīng)在空中進(jìn)行了遠(yuǎn)不足5年的試驗。試驗包括無人駕駛飛艇,還有將于2021年發(fā)射的法國/意大利領(lǐng)先的同溫層巴士(Stratobus)。此外,6G還需要數(shù)以萬計的近地軌道低軌衛(wèi)星,歐洲和美國的SpaceX正在部署。這些飛機和衛(wèi)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(gòu)硬件對復(fù)雜集成到單一平臺的限制

實現(xiàn)具有優(yōu)勢的邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能力

3D網(wǎng)絡(luò)的復(fù)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(fā)對材料供應(yīng)商來說意味著新的機遇。將在6G中廣泛應(yīng)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(zhì)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)。

IDTechEx指出,如果沒有一些現(xiàn)在不存在的東西,6G就不可能實現(xiàn),而且可能永遠(yuǎn)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(zhǔn)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(chǔ)設(shè)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(jù)說6G最終將使幾乎所有的東西都直接連接到互聯(lián)網(wǎng)上。6G是混合和虛擬現(xiàn)實,是醫(yī)學(xué)成像和無人車輛的未來。但特斯拉CEO埃隆·馬斯克認(rèn)為,依靠衛(wèi)星傳輸信號的“天網(wǎng)”可以把衛(wèi)星當(dāng)做5G基站實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,不僅延遲可以忽略不計,而且與部署傳統(tǒng)基站相比,成本也低得多。

探索6G毫米波無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

法國研究機構(gòu)CEA-Leti認(rèn)為,毫米波(mmWave)頻段無線通信(20GHz到300GHz)有望成為6G無線系統(tǒng)的關(guān)鍵使能技術(shù),因為巨大的可用帶寬可以容納超高數(shù)據(jù)速率通信。他們正在探索6G毫米波技術(shù)超過5G的數(shù)據(jù)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(fā)揮主要作用。

亞太赫茲波段無線連接相關(guān)性能指標(biāo)設(shè)想方案

CEA-Leti認(rèn)為,在D波段5G以上無線連接技術(shù)中,一些潛在應(yīng)用和實現(xiàn)這些應(yīng)用需要在場景需求和構(gòu)建6G路線圖的硅技術(shù)限制之間進(jìn)行權(quán)衡。CEA-Leti科學(xué)家Jean Baptiste Dore說:“使用D波段無線通信的挑戰(zhàn)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(jìn)行補償。這意味著天線的方向性和對準(zhǔn)將受到嚴(yán)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(yīng)對這一挑戰(zhàn),CEA-Leti正在設(shè)計一種超越現(xiàn)有技術(shù)的高方向性和電子可操縱天線。

用光線跟蹤工具預(yù)測用于亞太赫茲無線性能評估的街道內(nèi)回程傳播

由于CMOS技術(shù)無法生產(chǎn)出能夠提供亞太赫茲應(yīng)用所需的最大晶體管頻率的器件,CEA Leti正在研究優(yōu)化的RF電路設(shè)計,為這些應(yīng)用提供創(chuàng)新的架構(gòu),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(jīng)證明了使用空間復(fù)用和簡單的RF架構(gòu)可以達(dá)到多Gbps的吞吐量。通過所提出的混合信號、模擬和數(shù)字,晶體管所需的功率被限制在微瓦級別,這使得CMOS技術(shù)成為可能。

CEA Leti的6G的關(guān)鍵使能技術(shù)的設(shè)計已經(jīng)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(jié)構(gòu)和天線系統(tǒng)以及高性能數(shù)字處理,也包括研究系統(tǒng)級芯片(SoC)和/或系統(tǒng)級封裝(SiP)的異構(gòu)集成。

歐盟解囊開發(fā)6G愿景

最近,一項旨在開發(fā)和定義下一代6G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)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(chuàng)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。現(xiàn)在,關(guān)鍵是要在“旗艦”項目的聯(lián)合研究中釋放大腦,以保持B5G(超5G)/6G時代的全球行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位。

以諾基亞為首的25個行業(yè)和學(xué)術(shù)合作伙伴參與Hexa-X項目,開發(fā)基本6G技術(shù),并為集成關(guān)鍵6G使能技術(shù)的智能結(jié)構(gòu)定義新的架構(gòu)。面對2030年及以后歐洲和世界將面臨巨大的增長和可持續(xù)性機遇和挑戰(zhàn);歐洲希望積極解決綠色協(xié)議效率、數(shù)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(jié)構(gòu),包括互聯(lián)智能、網(wǎng)絡(luò)、可持續(xù)性、全球服務(wù)覆蓋、終極體驗和可信賴性。

Hexa-X項目的目標(biāo)包括開發(fā)以下領(lǐng)域的關(guān)鍵使能技術(shù):

全新高頻無線電接入技術(shù)和高分辨率定位和傳感

通過人工智能(AI)驅(qū)動的空中接口和未來網(wǎng)絡(luò)治理實現(xiàn)互聯(lián)智能

用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分解和動態(tài)可靠性的6G架構(gòu)使能技術(shù)

諾基亞貝爾實驗室(Nokia Bell Labs)接入和設(shè)備研究主管Peter Vetter表示,“盡管隨著新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布,5G領(lǐng)域仍有很多創(chuàng)新,但我們的研究實驗室已經(jīng)在探索6G。在6G時代,我們將看到不僅能將人與機器聯(lián)系起來,還能將人與數(shù)字世界聯(lián)系起來的應(yīng)用。這種安全的私人連接可以用于預(yù)防性醫(yī)療保健,甚至可以創(chuàng)建一個具有第六感的6G網(wǎng)絡(luò),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(yù)測我們的需求,從而提高我們的生產(chǎn)效率。”

諾基亞預(yù)計,按照典型的10年一代的周期,6G系統(tǒng)將在2030年實現(xiàn)商業(yè)化。在超越5G的情況下,人類智能將通過與網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字技術(shù)緊密耦合和無縫交織而得到增強。隨著人工智能的進(jìn)步,機器可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(yè)機器轉(zhuǎn)變?yōu)槌扇旱亩嘤猛緳C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(yīng)該成為未來網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分。

人類未來的基礎(chǔ)

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

應(yīng)用方面的機遇包括:生物醫(yī)學(xué)和安全領(lǐng)域的成像;自動構(gòu)建復(fù)雜室內(nèi)環(huán)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(shù)據(jù)源,引導(dǎo)和預(yù)測人類數(shù)字生態(tài)系統(tǒng);使一臺設(shè)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。