图解通信原理与案例分析-30：6G-天地互联、陆海空一体、全空间覆盖的超宽带移动通信系统
前言：
6G 即第六代移动通信，6G 将在5G 的基础上，把陆地移动通信网扩展至天空，构建一个天地互联、陆海空一体、全空间覆盖的超宽带移动通信系统，包括卫星通信网络、无人机通信网络、陆地超密集网络、地下通信网络、海洋通信网络等。目前仍在预研阶段。本文也仅仅是探究性的展望。
目录
第1章 1G/2G/3G/4G/5G发展以及5G没有解决的问题
1.1 蜂窝移动通信技术的发展
1.2 5G还没有解决的问题与痛点
1.3 5G到6G的演进
第2章 6G的目标与愿景
2.1 应用愿景
2.2 技术指标愿景
2.3 6G通信的显著特点
第3章 6G的发展历程
3.1 中国6G的发展历程
3.2 国外6G的发展历程
第4章 6G的关键技术（6G无线热点技术研究白皮书）
4.1 6G超宽带通信系统的网络架构
4.2 6G超宽带通信系统的软件架构
4.3 太赫兹通信技术
4.4 6G 信道仿真技术及射线跟踪
4.5 大带宽与全频谱协作
4.6 轨道角动量调制技术
4.7 宽带太赫兹硬件元器件技术
4.8 太赫兹天线技术
4.9 太赫兹射频技术
4.10 大容量基带数字信号处理技术
参考：
第1章 1G/2G/3G/4G/5G发展以及5G没有解决的问题
1.1 蜂窝移动通信技术的发展
- 1G：第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代。
Nordic移动电话（NMT）就是这样一种标准，应用于Nordic国家、东欧以及俄罗斯。其它还包括美国的高级移动电话系统（AMPS），英国的总访问通信系统（TACS）以及日本的JTAGS，西德的 C-Netz，法国的Radiocom 2000和意大利的RTMI。模拟蜂窝服务在许多地方正被逐步淘汰。
- 2G，第二代手机通信技术，以数字语音传输技术为核心。
一般定义为无法直接传送如电子邮件、软件等信息；只具有通话和一些如时间日期等传送的手机通信技术规格。不过手机短信在它的某些规格中能够被执行。
- 3G是第三代移动通信技术，是指支持高速图片数据传输的蜂窝移动通讯技术。
3G是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的一代移动通信系统，能够同时传送声音、文字、图片、视频数据信息。
- 4G是第四代移动通信技术，是指支持高清视频数据传输的蜂窝移动通讯技术。
4G将分组域与电路域融合，实现了全IP通信，能够同时传送声音、文字、图片、高清视频数据信息。
- 5G是第五代移动通信技术, 是同时支持超高数据速率、超低延时、超大规模数据传输的蜂窝移动通讯技术。
5G将无线通信技术与人工之智能、大数据、云计算相融合。
5G对4G的空口技术进行了优化，速率可达1G, 10G, 20G，
5G还对网络进行了重构，云平台、虚拟网络功能、软件定义网络、业务切片等技术，使得5G的无线网络具备了极大的弹性，以支持各种复杂的业务 。
1.2 5G还没有解决的问题与痛点
- 覆盖
5G的网络覆盖是通过增加大量的基站来实现，基站的部署受到物理空间的限制，还无法真正实现全球覆盖，比如海洋，高山，沙漠等极端环境和无人区。
- 功耗
5G的频谱宽度是4G的5倍以上，5G单站功耗是4G单站的2.5~3.5倍，AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因。目前单站满载功率近3700W，需对现网电源、配套进行提前扩容。
5G设备功耗是摆在运营商面前的一个严峻挑战，也是我们推进5G建设的一个重要障碍。
1.3 5G到6G的演进
（1）频谱的演进
（2）业务的演进
第2章 6G的目标与愿景
2.1 应用愿景
6G是第六代移动通信技术, 将蜂窝无线通信与卫星通信相融合，实现实现真正意义上的全球无缝覆盖和万物互联。
6G网络将是一个地面无线通信与空中卫星通信集成的全连接世界。通过将卫星通信整合到6G移动通信，实现全球无缝覆盖，网络信号能够抵达任何一个偏远的乡村，让深处山区的病人能接受远程医疗，让孩子们能接受远程教育。
此外，在全球卫星定位系统、电信卫星通信系统、地球图像卫星系统和6G地面蜂窝通信系统、地面互联网系统的联动支持下，地、空全覆盖网络还能帮助人类预测天气、快速应对自然灾害等。
这就是未来的6G，6G通信技术不再是简单的网络容量和传输速率的突破，它更是为了缩小数字鸿沟，实现万物互联这个“终极目标”，这便是6G的意义。
这与埃隆马斯克的星链计划异曲同工。
2.2 技术指标愿景
（1）采用太赫兹（THz）频段通信，网络容量大幅提升。
（2）频谱带宽：可能高达1G以上
（3）峰值传输速度达到 100Gbps – 1Tbps，而5G仅为10Gpbs；
（4）室内定位精度达到10厘米，室外为1米，相比5G提高10倍；
（5）通信时延0.1毫秒，是5G的十分一；
（6）中断机率小于百万分之一，拥有超高可靠性；
（7）连接设备密度达到每立方米过百个，拥有超高密度；
2.3 6G通信的显著特点
（1）空口技术：太赫兹通信
无线资源采用太赫兹频谱
（2）物理载体：高空无线平台（如卫星等）
无线基站由地面向太空拓展，实现天地互联、全球覆盖的卫星、蜂窝移动通信系统。
（3）网络技术：去蜂窝化的软件架构
对传统的蜂窝通信网络架构和软件实现进行革新，采用基于人工智能的软件架构、云计算软件架构、网络切片软件架构、区域链软件架构等新新软件架构。
第3章 6G的发展历程
3.1 中国6G的发展历程
2018年3月9日，工信部部长苗圩表示中国已经着手研究6G。
2019年11月3日，科技部会同发展改革委、教育部、工业和信息化部、中科院、自然科学基金委在北京组织召开6G技术研发工作启动会。会议宣布成立了国家6G技术研发推进工作组、国家6G技术研发总体专家组。
2019年11月20日，2019世界5G大会获悉，中国联通和中国电信已分别展开6G相关技术研究。
2019年11月，2019年全球首份6G白皮书《6G无线智能无处不在的关键驱动与研究挑战》发布。白皮书中指出，6G的大多数性能指标相比5G将提升10到100倍。在6G时代，1秒下载10部同类型高清视频成为可能 。
2019年以来，广东省新一代通信与网络创新研究院联合清华大学、北京邮电大学、北京交通大学、中兴通讯股份有限公司、中国科学院空天信息创新研究院共同开展了 6G 信道仿真、太赫兹通信、轨道角动量等 6G 热点技术研究。
2020年11月，北邮6G项目获得2020年国家重点研发计划“宽带通信与新型网络”重点专项资助
3.2 国外6G的发展历程
2018年，芬兰：Nokia开始研究6G相关技术。
2019年3月15日，美国：联邦通讯委员会（FCC）一致投票通过开放“太赫兹波”频谱的决定，以期其有朝一日被用于6G服务 。
2019年3月24日至26日，芬兰：拉普兰举行关于6G的的国际会议。欧盟、俄罗斯等也正在紧锣密鼓地开展相关工作。
2019年，韩国：三星电子公司和LG电子公司都在设立6G研究中心，
2020年7月14日韩国：三星电子发布了《下一代超连接体验》白皮书。
2020年4月8日，日本：总务省发布了2025年在国内确立6G主要技术的战略目标，希望在2030年实现6G实用化。
2020年，俄罗斯：斯科尔科沃科学技术研究院的科学家们开发了一种技术，并研制出了用于开发俄罗斯第六代通信系统（6G）组件的设备。斯科尔科沃科学技术研究院研制的设备为开发6G系统组件开辟了新的前景，特别是太赫兹到光波段的信号转换器。 第六代领域的研究是在“国家技术倡议”无线通讯技术与物联网能力中心活动框架内进行的。该院在研发过程中依靠的是先进的科学和实验室设施以及与俄罗斯领先公司的生产联系。新设备可允许模拟波长为1.5微米的光辐射，频率为10GHz的电信号。 [12]
2020年12月16日，日本：正在瞄准6G目标，采取多项措施推进6G研发。日本追加预算中，更是拨款用于促进6G研发，试图加大力度推进6G研发，在下一个赛道抢占市场先机。
第4章 6G的关键技术（6G无线热点技术研究白皮书）
4.1 6G超宽带通信系统的网络架构
6G 即第六代移动通信，6G 将在5G 的基础上，把陆地移动通信网扩展至天空，构建一个天地互联、陆海空一体、全空间覆盖的超宽带移动通信系统，包括卫星通信网络、无人机通信网络、陆地超密集网络、地下通信网络、海洋通信网络等。
为了完成覆盖全球全地形的全维度通信系统，
（1）地球卫星网络以及飞机、无人机、飞艇等空中飞行设备组成的“空天”网络也将融合进来。
（2）6G 开发的太赫兹频段，在太空不存在吸收损耗的问题，具有传输速度快和传输距离远的优点，主要应用于卫星间通信，
（3）卫星辅助的无线通信可以提供更大的覆盖范围并解决高速移动终端的覆盖问题。
（4）低轨道卫星通信可以实现较低的传输时延，同时卫星通信融合也能解决全维度网络架构对大量空中移动节点（例如无人机、平流层飞艇等）的管理问题。
（5）卫星融合最简单的方式是：卫星网络作为地面基站和核心网的回传或者作为地面有线回传的备份。
此外，学界还提出了Non-3GPP 接入和3GPP RAT 接入两种方式。
（1）前者将卫星接入到6G 核心网，和地面移动网络共用核心网；这种方式，卫星依然是传统的卫星通信，不是3GPP的无线接入网。
（2）而后者是卫星网络和地面网络的深度融合方式，将卫星作为一种特殊的6G 基站接入到6G核心网。此时，卫星就是3GPP的无线接入网。
随着太赫兹相关研究的推进和技术进步，太赫兹波段在卫星通信上的应用也将更加成熟可靠
海洋通信网络：
包括海上无线通信系统、海洋卫星通信系统和基于陆地蜂窝网络的岸基移动通信系统，它能够保障近海、远海和远洋的船舶海岸、船舶-船舶的日常通信，而深海远洋通信子网也将纳入水下/深海通信。
水下无线通信的载体主要有三种：
声波、电磁波和光波，基于三种载体的通信方式各具利弊，将两种甚至多种通信方式结合起来是当下的研究热点。
4.2 6G超宽带通信系统的软件架构
它将对传统的蜂窝通信网络架构和软件实现进行革新，采用基于人工智能的软件架构、云计算软件架构、网络切片软件架构、区域链软件架构等新新软件架构。
（1）人工智能的软件架构
- 机器学习模式在通信界的应用：
利用人工智能和机器学习进行物理层端到端优化和联合优化是学界的研究热点，现在人工智能框架强项是针对图像、视频、文本和语音数据，直接把这些框架拿来解决通信领域数据，匹配效果无法达到最优。
- 去中心化AI 通信：
6G 的“海量物联”时代，在陆地、海洋和天空中都会有大量的互联终端设备，利用这些数以亿计的传感器的实时感知与智能计算能力，支持多终端共享AI算力，智能终端设备侧AI 也必将从单设备、多设备正式走向分布式和去中心化模式，为6G 的异构、多终端实时感知计算提供了有力的支持。
（2）区块链与无线网络融合技术
区块链是一种技术体系，由归属权各异的分布式数据库组成，并按照时间顺序，将数据区块以链式结构进行组织，并以密码学算法保证区块链上数据及行为记录的公开、安全、可追溯且不可篡改。
区块链能够为6G 网络提供面向机器、代码的网络信任，提升6G 网络频谱、设备、数据等资源利用效率的同时，实现资源动态高效共享与实时结算，如6G网络运营商间共建共享、运营商与垂直行业频谱动态共享、6G 天地一体网络星地频谱共享、宏微基站协同、终端/设备租赁/共享、数据共享、数字身份认证、数字资产、大规模物联网设备/数据可信租赁共享。
区块链作为一种基于分布式数据库发展起来的技术体系，必然面临存储效率低下、吞吐性能受限于链上节点数量等核心问题，再加上源自互联网思维早期推广阶段的推波助澜，成百上千的异构“烟囱式”区块链导致区块链底层技术平台呈现割据状态，为数据同步、监控管理等方方面面引入了新的难题。
4.3 太赫兹通信技术
（1）频谱
太赫兹辐射是0.1~10THz的电磁辐射
从频率上看， 在无线电波和光波之间， 进一步讲，毫米波和红外线之间；
从能量上看， 在电子和光子之间
（2）动机
- 频谱资源稀缺
在无线通信发展百余年后的今天，军事通信领域500MHz～5GHz频段资源已日趋稀缺。
未来量子通信技术虽值得憧憬，但目前仍有些遥不可及。
而太赫兹这一曾被“遗忘”的波段，集成了微波通信与光通信的优点：具有传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好等诸多特性，在军事通信应用上的前景诱人，已成为各国挖掘开发的热点。
- 带宽容量大
太赫兹的频段比现有微波通信要高出1～4个数量级，这也就意味着它可以承载更大的信息量，轻松解决目前现场实时视频传输受制于带宽的问题，满足大数据传输速率的通信要求。
（3）难点
- 技术空白：在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究。
- 信号衰减大，传输距离短：太赫兹在空气中传播时很容易被水分所吸收，信号衰减严重。当然传输距离短，也可实现隐蔽的近距离通信，不容被窃听。
4.4 6G 信道仿真技术及射线跟踪
6G信道仿真面临的困境：
（1）6G 采用太赫兹电磁波，其传播特性更接近于光（射线），传统的基于无线电波和微波的信道仿真不太适合于太赫兹电磁波。
（2）太赫兹对传播环境和移动性高度敏感，而波束赋形等太赫兹大规模多天线甚至是超大规模多天线技术对信道空间分辨率的要求又极高。
（3）太赫兹动态信道测量难度巨大，昂贵复杂。
（4）仅仅依靠测量，在太赫兹频段已无法获得全面且精细的信道空、时、频信息。
作为确定性信道建模方法的代表，射线跟踪（Ray-tracing, RT）于上世纪90年代开始用于无线通信的研究。它能够准确地考虑到电磁波的各种传播途径，包括直射、反射、绕射、透射等，并能考虑到影响电波传播的各种因素，从而针对不同具体场景做准确的预测。
基于射线跟踪的确定性信道建模方法可以提供准确的功率、时延、角度、极化等信道信息，适用于不同频段的时变多输入多输出信道的仿真、预测与建模。
4.5 大带宽与全频谱协作
在6G 系统当中室内和室外连接的峰值数据速率最高将可达1 Tbps。并且保证95%用户位置的用户体验数据速率预计将达到1 Gbps。
为了支持极高的峰值速率，支持的最大接入带宽必须大幅增加。
毫米波频段可支持高达10 GHz的带宽，
太赫兹和可见光频段可达100 GHz，
因此激光、可见光通信和太赫兹通信的全频谱协作是6G 研究的主题。
4.6 轨道角动量调制技术
电磁波轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）是区别于电磁波电场强度的另一个重要物理量。
具有OAM 的电磁波又称“涡旋电磁波”，其相位面沿着传播方向呈现螺旋状，已经不是平面电磁波。
电磁波轨道角动量提供了除频率、相位、空间之外的另一个维度，给人们提供了一个新的视角去认识和利用电磁波。
整数倍OAM 模态数的电磁波之间相互正交，在同一个频点可以通过OAM复用传输多路正交信号，从而提高频谱效率，增加信道容量。
“OAM 复用传输获得频谱效率的大幅提高”是目前OAM 电磁波应用于通信领域最大的关注点，也是未来无线通信，特别是大规模无线中继传输的重要发展方向。
具有不同模态数的电磁涡旋波间相互正交,因此在无线传输过程中,可以在同一载波上将信息加载到具有不同轨道角动量的电磁波上,实现大数据量的传输,这种OAM 电磁波复用技术可有效提高频谱利用率。
4.7 宽带太赫兹硬件元器件技术
- 太赫兹频段的混频器/调制器
- 太赫兹信号功率放大器
- 太赫兹发射接收电路
- 太赫兹高增益天线
- 太赫兹大规模阵列天线和MIMO 天线技术
- 太赫兹通信相关的关键器件材料工艺（磷化铟、锗硅CMOS、COMS、石墨烯、无损太赫兹材料等）
- 太赫兹通信的器件微散热技术
- 太赫兹通信的抗干扰技术
4.8 太赫兹天线技术
（1）天线的形式：太赫兹天线由于工作频段极高，所对应的辐射单元物理尺寸极小。0.1THz 标准偶极子天线的长度大概在1.5mm 左右。因此太赫兹天线的加工和制作有很高的难度，这极大的限制了可使用的太赫兹天线的形式。
（2）天线增益：由于太赫兹频段的电磁波在空气中衰减要比毫米波大上许多，太赫兹通信需要高天线增益来补偿极大的信号传输损耗，因此高增益的太赫兹天线设备至关重要。
- 反射面天线技术是实现高增益太赫兹天线的主要手段，然而这种技术难以实现灵活的波束成形，限制了太赫兹频段下多用户复杂通信的实现
- 相控阵列天线增大太赫兹天线灵活性
4.9 太赫兹射频技术
太赫兹通信原型系统的链路调制方式目前主要有两种不同架构：
（1）光电结合的方案
利用光学外差法产生频率为两束光频率之差的太赫兹信号，该类方案的优点是传输速率高，缺点是发射功率低，系统体积大，能耗高，适用于地面短距离高速通信方面，较难用于远距离通信。
（2）太赫兹通信链路是与微波无线链路类似的全固态电子链路，
利用混频器将基带或中频调制信号上变频搬频到太赫兹频段，该类方案采用全电子学的链路器件，优点是射频前端易集成和小型化，功耗较低，缺点是发射功率和工作能效也较低。
（3）智能反射表面技术
智能反射表面技术是通过控制在无线传播环境中部署的亚波长人工合成超材料的电磁特性，使电磁波入射超材料时，能够获得预期的反射信号或透射信号，以达到控制信号的幅度、频率、相位、极化特性，实现干扰协调（吸波与全反射）、波束形成与信号补盲（入射信号与反射信号可以不满足镜像关系）、非线性频谱搬移（谐波）、简化射频（射频功能向材料层下移）、生成OAM 信号（产生正交信号）、解决高频信号绕射传播、无线供电、低成本相控阵等6G 应用价值。当前在该技术方向的研究难点在于超材料的制造工艺、超材料与有源器件的结合、超材料与天线结合、多维调控耦合等问题。
（4）可见光通信照明+定位融合技术
可见光通信照明定位融合技术是指：利用可见光发光二极管（LED）高速切换的特性，通过LED 照明、显示等设备将受信息调制的电信号转换成光信号进行传输，再通过光电二极管等光电转换器将接收到的光信号转换为电信号，最终解调得到信息，同时实现照明、定位和通信三种功能的技术。
4.10 大容量基带数字信号处理技术
（1）超高的信号带宽处理：动则几个GHz 的带宽，对基带平台的数模转换需求，数字IQ 传输需求，物理层的处理技术，都形成了硬件设计和器件技术的压力。
（2）弹性的基带处理架构：为了满足全频段的多场景的挑战，具有弹性的基带处理架构是一个较合适的选择。
- 处理带宽和采样精度的灵活性：针对调制和解调变化或者自适应性，以及物理工作带宽的自适应性，显然兼具多域能力的需求也是在未来研究的一个重点工作；
- 数字接口的能力适配性：这方面的研究重点是如何在满足最大能力的基础上，降低代价，可以在接口多适配和多速率，以及节能方面进行研究，推动该极高速接口的发展和标准、器件研究；
- 基带处理的资源池化能力：作为需满足各种空口需求的物理层处理，需要从应用场景，采用的6G 热点技术进行匹配计算能力，选取最经济的方式实现基带算法的处理，
（4）高频器基带器件
（5）太赫兹通信的空口技术
5G NR 采用CP-OFDM 和DFT-s-OFDM 作为上行/下行链路的波形。
与LTE 和5G NR 空口技术相比，太赫兹通信具有丰富的频谱资源，拥有超大带宽的资源优势，但是现阶段太赫兹通信也面临着一些挑战，包括：
器件功耗大、采样带宽受限、PA 非线性大效率低、相位噪声高、路损大等。
为了克服这些挑战，太赫兹通信除了依赖于高频器件的研究发展及性能提升之外，也需要通过空口技术的有效设计来保证和实现。
因此，太赫兹通信的空口技术在设计基带波形、帧结构和参数集、调制编码、波束管理等技术时要综合考虑硬件链路的非线性特性。
（6）新型调制方式
- FTN(faster-than-Nyquist)
- SEFDM(spectrally efficient frequency division multiplexing)，
（7）波束管理技术
相对于传统移动通信频段，太赫兹频段的路损衰减很大。
然而，得益于太赫兹频段单位面积可以容纳更多天线的特点，可以通过波束的方式来克服路损衰减大的不利因素。
波束管理主要分为如下关键技术：
- 波束训练：
太赫兹波束数目多,主要解决的问题是如何以较低的训练开销、延迟及复杂度, 快速找到满足传输条件的波束链路，解决方案可考虑如何充分利用空域的稀疏性。
- 波束跟踪：
太赫兹波束窄，容易发生切换，主要解决的问题是随着终端的移动，准确快速地对使用的波束链路进行调整、切换，解决方案可考虑与人工智能结合。
- 波束恢复:
太赫兹信号绕射能力弱,容易发生阻塞, 主要解决的问题是当原有波束链路失效时，收发可以快速重建新的波束链路进行通信，解决方案可考虑多个节点之间的协作传输。
参考：
《6G无线热点技术研究白皮书》https://download.csdn.net/download/HiWangWenBing/13993614