
從社會層面而言,6G 技術(shù)將支持更科學精準的決策和動態(tài)實時的事件響應(yīng),提升公共服務(wù)體驗,助力應(yīng)對人口老齡化和貧富差距等社會挑戰(zhàn)。在智慧醫(yī)療領(lǐng)域,6G 網(wǎng)絡(luò)能夠支持高清視頻會診、遠程手術(shù)等復(fù)雜醫(yī)療應(yīng)用,使優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源能夠更便捷地覆蓋偏遠地區(qū),提高醫(yī)療服務(wù)的可及性和公平性,改善全民健康水平;在智能交通領(lǐng)域,6G 可為自動駕駛提供低時延、高可靠的通信保障,實現(xiàn)車輛與車輛(V2V)、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)之間的高效信息交互,減少交通事故,緩解交通擁堵,提升出行安全性和便捷性。
一、6G通信核心技術(shù)?
1、太赫茲通信技術(shù)?
根據(jù)北京研精畢智信息咨詢調(diào)研,太赫茲頻段是指頻率在 0.1THz 至 10THz(波長為 3mm 至 30μm)范圍內(nèi)的電磁波頻段,處于微波與紅外光之間 ,是宏觀電子學向微觀光子學過渡的頻段,也是人類尚未完全認知和利用的頻段,被稱為電磁波頻譜資源中的 “太赫茲空隙”。太赫茲波具有諸多獨特的性質(zhì),使其在 6G 通信中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。?
太赫茲波的高頻率特性是實現(xiàn)高速率通信的關(guān)鍵。其頻率遠高于當前 5G 通信所使用的毫米波頻段,能夠承載更大量的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)香農(nóng)定理,信道容量與帶寬成正比,太赫茲頻段擁有極寬的帶寬資源,理論上可提供高達 100Gbps 甚至 1Tbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率,相比 5G 通信有了質(zhì)的飛躍,能夠滿足未來高清視頻、虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)、擴展現(xiàn)實(XR)等對帶寬要求極高的應(yīng)用場景需求。例如,在 VR/AR 應(yīng)用中,6G 太赫茲通信技術(shù)可實現(xiàn)低延遲的沉浸式交互,用戶佩戴 VR/AR 設(shè)備時,能夠?qū)崟r、流暢地獲取高清的虛擬場景畫面,避免畫面卡頓和延遲,仿佛身臨其境;在高清視頻傳輸方面,可實現(xiàn) 8K 甚至 16K 超高清視頻的秒級下載,為用戶帶來極致的視覺體驗。?
太赫茲波還具有良好的方向性和穿透性。其波長短,使得信號在傳輸過程中能夠形成更窄的波束,具有很強的方向性,這不僅有利于提高信號的傳輸效率,減少信號干擾,還能實現(xiàn)更精確的信號定位和跟蹤。在城市復(fù)雜的通信環(huán)境中,太赫茲通信可以通過精確的波束賦形技術(shù),將信號準確地傳輸?shù)侥繕私邮赵O(shè)備,避免信號在傳輸過程中受到建筑物等障礙物的干擾,提高通信的可靠性。同時,太赫茲波對許多非極性物質(zhì),如塑料、布料、紙張等包裝材料具有較高的穿透性,這一特性使其在安檢、質(zhì)檢等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。在機場安檢中,利用太赫茲波的穿透性,可以檢測行李內(nèi)部的物品,實現(xiàn)對危險物品的快速、準確識別,保障航空安全。?
此外,太赫茲波的光子能量低,不會對生物組織造成電離損傷,具有安全性高的特點 。這使得太赫茲通信在生物醫(yī)學領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,例如可用于生物活體檢測、醫(yī)療診斷等。通過太赫茲波對人體組織進行檢測,可以獲取人體組織的生理信息,實現(xiàn)對疾病的早期診斷和治療,為醫(yī)療健康領(lǐng)域帶來新的技術(shù)手段。?
在 6G 通信中,太赫茲通信技術(shù)的應(yīng)用場景十分廣泛。在高速無線接入方面,可作為基站與用戶設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路,為用戶提供超高速的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù);在衛(wèi)星通信領(lǐng)域,太赫茲通信能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星與地面站之間的大容量數(shù)據(jù)傳輸,提高衛(wèi)星通信的效率和容量,支持更多的衛(wèi)星應(yīng)用,如高清衛(wèi)星圖像傳輸、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等;在室內(nèi)通信場景中,太赫茲通信可用于構(gòu)建高速的室內(nèi)局域網(wǎng),實現(xiàn)智能家居設(shè)備之間的高速互聯(lián),以及支持室內(nèi)的 VR/AR 等沉浸式應(yīng)用。?
2、人工智能與通信融合技術(shù)?
隨著人工智能(AI)技術(shù)的飛速發(fā)展,將其與 6G 通信技術(shù)深度融合已成為未來通信發(fā)展的重要趨勢。AI 在 6G 通信中的應(yīng)用貫穿了網(wǎng)絡(luò)的各個層面,從物理層到網(wǎng)絡(luò)層,為提升 6G 網(wǎng)絡(luò)性能、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理、降低功耗等方面提供了強大的技術(shù)支持。?
在網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方面,AI 可通過對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析,實現(xiàn)智能的資源分配和調(diào)度。6G 網(wǎng)絡(luò)需要支持海量的設(shè)備連接和多樣化的業(yè)務(wù)需求,不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)資源的需求差異巨大,如高清視頻業(yè)務(wù)需要大量的帶寬資源,而物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信則對時延和連接數(shù)有較高要求。AI 算法能夠根據(jù)實時的業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)負載情況,動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源分配,將帶寬、功率等資源合理地分配給不同的用戶和業(yè)務(wù),提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率,保障各類業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。在網(wǎng)絡(luò)擁塞時,AI 可以快速識別擁塞區(qū)域和擁塞業(yè)務(wù),通過調(diào)整資源分配策略,優(yōu)先保障關(guān)鍵業(yè)務(wù)的通信需求,緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞,提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。?
在波束管理方面,AI 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的波束賦形和跟蹤。6G 通信采用了大規(guī)模天線陣列技術(shù),通過波束賦形可以將信號能量集中在特定方向,提高信號強度和覆蓋范圍。然而,在復(fù)雜的通信環(huán)境中,信號容易受到多徑效應(yīng)、遮擋等因素的影響,導(dǎo)致波束指向不準確,通信質(zhì)量下降。AI 可以利用機器學習算法,對信道狀態(tài)信息進行實時分析和預(yù)測,根據(jù)環(huán)境變化動態(tài)地調(diào)整波束方向和形狀,實現(xiàn)波束的智能跟蹤和優(yōu)化,確保信號始終能夠準確地傳輸?shù)侥繕擞脩粼O(shè)備,提高通信的可靠性和穩(wěn)定性。例如,通過深度學習算法對大量的信道數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練,建立信道模型,從而實現(xiàn)對信道狀態(tài)的準確預(yù)測和波束的自適應(yīng)調(diào)整。?
在電路設(shè)計方面,AI 為 6G 通信設(shè)備的電路設(shè)計帶來了創(chuàng)新思路。傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法往往依賴于工程師的經(jīng)驗和反復(fù)的試驗,設(shè)計周期長,成本高。而 AI 可以通過自動化設(shè)計工具,利用優(yōu)化算法和機器學習模型,快速生成滿足性能要求的電路設(shè)計方案。AI 還能夠?qū)﹄娐愤M行智能優(yōu)化,提高電路的性能和可靠性,降低功耗。通過強化學習算法,讓 AI 系統(tǒng)在不斷的試驗和反饋中優(yōu)化電路參數(shù),實現(xiàn)電路性能的最大化。這不僅可以縮短電路設(shè)計的周期,降低設(shè)計成本,還能提高電路的性能和可靠性,為 6G 通信設(shè)備的小型化、低功耗和高性能發(fā)展提供支持。?
在功耗降低方面,AI 技術(shù)能夠幫助 6G 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)智能的功耗管理。6G 網(wǎng)絡(luò)中的基站和設(shè)備數(shù)量眾多,功耗問題成為制約其發(fā)展的重要因素之一。AI 可以通過對網(wǎng)絡(luò)流量和用戶行為的分析,預(yù)測網(wǎng)絡(luò)負載的變化情況,根據(jù)實際需求動態(tài)地調(diào)整基站和設(shè)備的工作狀態(tài),實現(xiàn)節(jié)能降耗。在夜間或網(wǎng)絡(luò)流量較低的時段,AI 可以自動調(diào)整基站的發(fā)射功率,關(guān)閉部分不必要的設(shè)備或模塊,降低網(wǎng)絡(luò)的整體功耗;當網(wǎng)絡(luò)流量增加時,再及時調(diào)整設(shè)備狀態(tài),保障網(wǎng)絡(luò)的正常運行。通過這種智能的功耗管理方式,6G 網(wǎng)絡(luò)能夠在滿足用戶通信需求的同時,有效地降低能源消耗,實現(xiàn)綠色通信。?
3、通感一體化技術(shù)?
通感一體化技術(shù)是 6G 通信的關(guān)鍵技術(shù)之一,它將通信與感知功能深度融合,使通信系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,還具備對周圍環(huán)境的感知能力,為未來智能交通、智能安防、智能家居等領(lǐng)域帶來了全新的應(yīng)用體驗和發(fā)展機遇。?
通信與感知融合的原理基于兩者在信號處理和傳輸上的相似性。在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中,信號主要用于攜帶信息進行傳輸,而在感知系統(tǒng)中,信號則用于獲取目標物體的位置、形狀、速度等信息。通感一體化技術(shù)通過共享硬件資源和信號處理算法,實現(xiàn)了通信與感知功能的有機結(jié)合。在同一頻段上,利用通信信號的反射、散射等特性,獲取周圍環(huán)境的信息,實現(xiàn)對目標物體的感知;同時,感知信息又可以輔助通信系統(tǒng)進行信道估計、波束賦形等操作,提高通信系統(tǒng)的性能。?
在智能交通領(lǐng)域,通感一體化技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。在車聯(lián)網(wǎng)中,車輛可以通過通信信號感知周圍車輛的位置、速度和行駛方向等信息,實現(xiàn)車輛之間的智能協(xié)作和安全駕駛。當車輛檢測到前方車輛突然減速或變道時,能夠及時調(diào)整自身的行駛速度和方向,避免發(fā)生碰撞事故;在智能交通管理系統(tǒng)中,通過路邊基站的通感一體化設(shè)備,可以實時監(jiān)測道路交通流量、車輛行駛狀態(tài)等信息,為交通信號控制、道路規(guī)劃等提供數(shù)據(jù)支持,優(yōu)化交通流量,緩解交通擁堵。?
在環(huán)境監(jiān)測方面,通感一體化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和分析。通過分布在不同區(qū)域的通感一體化設(shè)備,可以感知大氣中的污染物濃度、溫濕度、風速等環(huán)境信息,并將這些信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心,實現(xiàn)對環(huán)境的全面監(jiān)測和預(yù)警。在發(fā)生自然災(zāi)害時,如地震、洪水等,通感一體化設(shè)備還可以快速感知災(zāi)區(qū)的情況,為救援工作提供重要的信息支持。?
在智能家居領(lǐng)域,通感一體化技術(shù)為用戶帶來了更加智能、便捷的生活體驗。智能家居設(shè)備可以通過通信信號感知用戶的位置、行為習慣等信息,自動調(diào)整家居設(shè)備的工作狀態(tài)。當用戶回家時,智能門鎖可以通過感知用戶的身份信息自動解鎖,燈光、空調(diào)等設(shè)備可以根據(jù)用戶的習慣自動開啟和調(diào)節(jié);在用戶離開家后,設(shè)備可以自動進入節(jié)能模式,實現(xiàn)家居的智能化管理。?
4、分布式 MIMO 技術(shù)?
分布式 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)是 6G 通信中的一項關(guān)鍵技術(shù),它通過將多個天線分布在不同的地理位置,實現(xiàn)信號的協(xié)同傳輸和接收,從而有效提升信號覆蓋范圍和系統(tǒng)容量,滿足 6G 網(wǎng)絡(luò)對高速率、大容量通信的需求。?
分布式 MIMO 技術(shù)的原理基于多天線系統(tǒng)的空間分集和復(fù)用增益。在傳統(tǒng)的集中式 MIMO 系統(tǒng)中,多個天線集中部署在基站端,雖然能夠在一定程度上提高頻譜效率和系統(tǒng)容量,但在信號覆蓋范圍和抗干擾能力方面存在一定的局限性。而分布式 MIMO 技術(shù)將天線分散部署在不同的位置,形成分布式天線陣列,這些天線可以同時與用戶設(shè)備進行通信,通過信號的協(xié)同處理,實現(xiàn)空間分集和復(fù)用增益的最大化。不同位置的天線接收到的信號具有不同的衰落特性,通過對這些信號進行合并處理,可以提高信號的可靠性,降低誤碼率;通過空間復(fù)用技術(shù),多個天線可以同時傳輸不同的數(shù)據(jù)流,從而提高系統(tǒng)的傳輸速率和容量。?
在 6G 網(wǎng)絡(luò)中,分布式 MIMO 技術(shù)具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。它能夠有效擴大信號覆蓋范圍,解決傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的信號盲區(qū)問題。在城市復(fù)雜的通信環(huán)境中,建筑物、地形等因素會對信號傳播產(chǎn)生阻擋和干擾,導(dǎo)致部分區(qū)域信號覆蓋不佳。分布式 MIMO 技術(shù)通過在不同位置部署天線,能夠從多個方向?qū)π盘栠M行傳輸和接收,繞過障礙物,實現(xiàn)對信號盲區(qū)的有效覆蓋,確保用戶在任何位置都能獲得穩(wěn)定、高質(zhì)量的通信服務(wù)。?
分布式 MIMO 技術(shù)可以提高系統(tǒng)的容量和頻譜效率。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,未來將有海量的設(shè)備接入 6G 網(wǎng)絡(luò),對系統(tǒng)容量和頻譜效率提出了更高的要求。分布式 MIMO 技術(shù)通過空間復(fù)用技術(shù),能夠在相同的時間和頻率資源上傳輸更多的數(shù)據(jù),提高頻譜效率;同時,多個天線的協(xié)同工作可以增加系統(tǒng)的容量,滿足大量設(shè)備同時通信的需求。在高密度的城市區(qū)域或大型場館等場景中,分布式 MIMO 技術(shù)能夠為眾多用戶提供高速、穩(wěn)定的通信服務(wù),保障用戶的通信體驗。?
分布式 MIMO 技術(shù)還具有較強的抗干擾能力。在復(fù)雜的通信環(huán)境中,信號容易受到其他信號的干擾,影響通信質(zhì)量。分布式 MIMO 技術(shù)通過對多個天線接收到的信號進行聯(lián)合處理,能夠有效地抑制干擾信號,提高信號的信噪比,保障通信的可靠性。在干擾較強的工業(yè)環(huán)境或無線通信頻段擁擠的區(qū)域,分布式 MIMO 技術(shù)能夠發(fā)揮其抗干擾優(yōu)勢,確保通信系統(tǒng)的正常運行。?
二、技術(shù)難點與突破方向?
據(jù)研精畢智信息咨詢發(fā)布的研究報告指出,盡管 6G 通信技術(shù)展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景,但在關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用過程中,仍面臨著諸多技術(shù)難點,需要不斷探索突破方向。?
太赫茲通信技術(shù)在信號傳輸和器件研發(fā)方面存在挑戰(zhàn)。太赫茲波在大氣中傳輸時,信號衰減嚴重,尤其是在潮濕環(huán)境下,水分子對太赫茲波的吸收會導(dǎo)致信號強度急劇下降,這限制了太赫茲通信的傳輸距離和覆蓋范圍。太赫茲頻段的器件研發(fā)難度較大,目前缺乏高效、低成本的太赫茲源和探測器。傳統(tǒng)的電子器件在太赫茲頻段的性能受到限制,難以滿足 6G 通信對高速率、低功耗的要求;而基于光子學的太赫茲器件雖然性能較好,但存在成本高、集成度低等問題。為突破這些難點,研究方向主要集中在新型信號調(diào)制解調(diào)技術(shù)和器件材料的研發(fā)上。在信號調(diào)制解調(diào)方面,探索采用多進制調(diào)制、正交頻分復(fù)用(OFDM)等技術(shù),提高信號的抗干擾能力和傳輸效率;在器件材料方面,研究新型的半導(dǎo)體材料、超材料等,以降低器件成本,提高器件性能和集成度。開發(fā)基于石墨烯等新型材料的太赫茲器件,利用其優(yōu)異的電學性能和高載流子遷移率,有望實現(xiàn)高性能、低成本的太赫茲源和探測器。?
人工智能在 6G 通信中的應(yīng)用面臨模型訓(xùn)練和驗證的難題。6G 通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大,數(shù)據(jù)量巨大,需要訓(xùn)練復(fù)雜的 AI 模型來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和管理。然而,大規(guī)模的模型訓(xùn)練需要消耗大量的計算資源和時間,且在實際應(yīng)用中,模型的準確性和可靠性還需要進一步驗證。不同的通信場景和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對 AI 模型的要求不同,如何使模型具有更好的泛化能力,適應(yīng)復(fù)雜多變的通信環(huán)境,也是需要解決的問題。針對這些難點,未來的突破方向包括發(fā)展分布式計算和聯(lián)邦學習技術(shù),實現(xiàn)模型的分布式訓(xùn)練,降低計算資源需求和訓(xùn)練時間;建立完善的模型驗證和評估體系,通過大量的實際數(shù)據(jù)和仿真實驗,驗證模型的性能和可靠性;采用遷移學習、強化學習等技術(shù),提高模型的泛化能力,使其能夠快速適應(yīng)不同的通信場景和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。?
通感一體化技術(shù)在信號處理和干擾協(xié)調(diào)方面存在技術(shù)瓶頸。通感一體化系統(tǒng)中,通信和感知信號共用頻譜資源,信號處理復(fù)雜度高,如何實現(xiàn)通信和感知功能的高效協(xié)同,避免信號之間的干擾,是亟待解決的問題。在復(fù)雜的通信環(huán)境中,存在多種干擾源,如其他通信系統(tǒng)的干擾、環(huán)境噪聲等,如何有效地協(xié)調(diào)通感一體化系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的干擾,保障通信和感知的準確性,也是一大挑戰(zhàn)。為解決這些問題,研究重點在于開發(fā)先進的信號處理算法和干擾協(xié)調(diào)機制。在信號處理算法方面,研究多目標優(yōu)化算法,實現(xiàn)通信和感知性能的同時優(yōu)化;在干擾協(xié)調(diào)機制方面,探索基于認知無線電的干擾感知和避讓技術(shù),使通感一體化系統(tǒng)能夠?qū)崟r感知周圍的干擾情況,并自動調(diào)整信號傳輸參數(shù),避免干擾。?
分布式 MIMO 技術(shù)在天線部署和同步技術(shù)上存在困難。分布式 MIMO 系統(tǒng)中,天線分布在不同位置,天線之間的距離較遠,這給天線的部署和安裝帶來了挑戰(zhàn),需要考慮地理環(huán)境、電磁兼容性等因素。多個天線之間的同步問題也至關(guān)重要,同步誤差會導(dǎo)致信號傳輸質(zhì)量下降,影響系統(tǒng)性能。為克服這些難點,需要研究智能天線部署算法,根據(jù)地理環(huán)境、用戶分布等因素,優(yōu)化天線的部署位置和數(shù)量,提高系統(tǒng)性能;開發(fā)高精度的同步技術(shù),如基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的同步技術(shù)、基于時間戳的同步技術(shù)等,確保多個天線之間的精確同步。
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