盧旭俊，鄭建飛，夏 燭

（1.深圳市潤迅電話商務(wù)有限公司杭州分公司，浙江 杭州 311200；2.杭州友聲科技股份有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著社會(huì)需求的新興應(yīng)用增多，5G 或許無法再滿足新型服務(wù)需求，例如下一代全息隱形傳輸需要太比特（Tb/s）級(jí)的數(shù)據(jù)速率和微秒級(jí)的延遲，即使是5G 毫米波頻段（mmW）也無法實(shí)現(xiàn)。此外，從工業(yè)4.0 向工業(yè)X.0 模式的轉(zhuǎn)變，將推動(dòng)連接密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5G 設(shè)計(jì)的106平方公里，且需要對(duì)現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行徹底改造。而解決問題的關(guān)鍵在于6G 或未來超越6G 的通信系統(tǒng)的研究應(yīng)用。ITU-T 公布的官方建議6G 關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）如表1 所示。

表1 從5G 到6G 通信系統(tǒng)演進(jìn)性能指標(biāo)變化

6G 的KPI 主要包含處理與系統(tǒng)吞吐量等系統(tǒng)能力類指標(biāo)、端到端延遲測(cè)量及抖動(dòng)等系統(tǒng)延遲類指標(biāo)、處理與網(wǎng)絡(luò)管理和編排相關(guān)的系統(tǒng)管理類指標(biāo)[1]。要達(dá)到表中的KPI，需要在6G 及未來無線通信的所有領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，使用新的頻譜、增加智能和自動(dòng)化技術(shù)、拓展衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)通信等應(yīng)用，如圖1 所示。

圖1 6G 及超越6G 的無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)

1 6G 系統(tǒng)應(yīng)用

5G 網(wǎng)絡(luò)引入了增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、低時(shí)延高可靠通信和大規(guī)模機(jī)器通信等技術(shù)旨在服務(wù)于各種應(yīng)用，在6G中與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的覆蓋、吞吐量、延遲等性能相關(guān)應(yīng)用會(huì)更加延伸，如圖2 所示。

圖2 6G 系統(tǒng)應(yīng)用拓展

2 太赫茲波段通信

太赫茲（Terahertz）頻段（0.1 THz～10 THz）位于mmW 光譜和紅光光譜之間，由于超寬頻譜資源的可用性，為大量應(yīng)用提供Tb/s 的無線鏈路，如圖3 所示[2]。

圖3 太赫茲頻段為無線通信鏈路提供的可用頻譜資源

2.1 太赫茲波段通信應(yīng)用

與低頻無線網(wǎng)絡(luò)不同，太赫茲波段通信由于其頻段極高具有獨(dú)特的電磁和光子學(xué)特性，除了用于蜂窩系統(tǒng)的Tb/s 級(jí)鏈路外，太赫茲頻段還可用于局域網(wǎng)、個(gè)域網(wǎng)、無線片上網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信等各種應(yīng)用場(chǎng)景，如局域網(wǎng)中形成光纖和太赫茲-光學(xué)鏈路之間的無縫過渡實(shí)現(xiàn)零延遲；數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中替代傳統(tǒng)光電纜有線網(wǎng)絡(luò)連接，降低安裝和重新配置方面的高成本；在衛(wèi)星通信中，利用太赫茲波段更寬的帶寬，容納更多的衛(wèi)星并實(shí)現(xiàn)更高的鏈路性能等。

2.2 太赫茲波段通信面臨的問題

目前，一些基于電子束光刻等技術(shù)能夠制造出帶有數(shù)百個(gè)等離子體天線元件的前端，利用大型天線陣列可以形成主瓣高指向性的陣列輻射方向，將能量集中到所需的方向，擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍。然而，這種高度定向的波束限制了在角域的覆蓋范圍，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)為每個(gè)用戶服務(wù)的能量效率較低，仍存在傳輸距離限制問題[3]。

在天線設(shè)計(jì)中尋求更新的解決方案的同時(shí)，其他的挑戰(zhàn)包括與太赫茲波段收發(fā)器設(shè)計(jì)相關(guān)的控制和信號(hào)處理方案。一方面，需要實(shí)時(shí)控制算法，另一方面，需要通信協(xié)議來協(xié)調(diào)發(fā)射器、接收器和反射射線之間的關(guān)系。當(dāng)在移動(dòng)收發(fā)器上使用高度定向波束時(shí)，每個(gè)收發(fā)器的天線陣列的視野有限，無法定位轉(zhuǎn)發(fā)其數(shù)據(jù)的下一跳，就產(chǎn)生了其他相關(guān)問題。因此，太赫茲波段通信需要更新的路由解決方案來有效地發(fā)現(xiàn)和建立鏈路。

3 智能通信環(huán)境

mmW 和太赫茲頻段的癥結(jié)是有限的通信距離，因?yàn)樾〔ㄩL固有的高路徑損耗以及收發(fā)器的發(fā)射功率有限。除了要關(guān)注無線硬件的進(jìn)步以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略，也要利用室內(nèi)外的無線通信環(huán)境，使信號(hào)傳播變得可控?？刂菩盘?hào)在環(huán)境中的傳播本質(zhì)上是控制電磁波與反射物體的相互作用，包括室內(nèi)室外建筑和其他基礎(chǔ)設(shè)施等，常見的功能包括波導(dǎo)向、聚焦、準(zhǔn)直（即對(duì)入射波產(chǎn)生平面波陣列）、偏振、相位移位、全部或部分吸收等，如圖4 所示[4]。

圖4 能操縱電磁波的等離子體反射陣列設(shè)計(jì)

3.1 智能通信環(huán)境基礎(chǔ)

智能環(huán)境是一個(gè)由5 層部分組成的三維結(jié)構(gòu)，每層都有不同的功能，從上到下分別是電磁行為層、傳感和驅(qū)動(dòng)層、屏蔽層、計(jì)算層和通信層，如圖4 所示。電磁行為層是由超表面組成的，具有可調(diào)諧的阻抗來控制電磁波的反射方向。傳感和驅(qū)動(dòng)層由相移電路和碰撞信號(hào)感知傳感器組成。屏蔽層隔離了分層結(jié)構(gòu)的上下部分，從而使可能的干擾最小化。計(jì)算層用于控制相移和處理感應(yīng)到的入射波。通信層連接所有上層，作為中央控制器的網(wǎng)關(guān)，處理所有連接請(qǐng)求、轉(zhuǎn)發(fā)和接收信號(hào)，進(jìn)行上述波函數(shù)控制。

與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)中部署的多天線中繼相比，智能通信環(huán)境具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）因有可控天線陣列的智能表面的廣泛覆蓋而具有更高的空間分集；

（2）因計(jì)算層和通信層直接位于表面層下方，減少了處理時(shí)間；

（3）當(dāng)入射信號(hào)來自不同方向時(shí)，智能表面能夠準(zhǔn)直波并將其反射到所需的方向，提高網(wǎng)絡(luò)路由的靈活性。

3.2 智能環(huán)境的應(yīng)用

（1）信號(hào)傳播增強(qiáng)

從用戶的角度出發(fā)，智能環(huán)境系統(tǒng)服務(wù)于包括移動(dòng)用戶和集群用戶的模式。

傳輸距離:相對(duì)于發(fā)射機(jī)的非視距（Non Line of Sight，NLoS）區(qū)域的用戶，智能環(huán)境系統(tǒng)有望延長傳輸距離，并通過波導(dǎo)或反射到達(dá)以前未覆蓋的區(qū)域。仿真結(jié)果表明，在60 GHz 下覆蓋范圍可以擴(kuò)展到整個(gè)NLoS區(qū)域[5]。

干擾緩解:由于多用戶場(chǎng)景不可避免地存在干擾問題，此應(yīng)用中，每個(gè)智能環(huán)境單元專用于單個(gè)用戶，因此大部分干擾將駐留在端到端鏈路的無線部分。

可靠性:主要包括用高定向天線消除干擾形成排除區(qū)域，為合法用戶分配密鑰，使竊取者截獲的數(shù)據(jù)無法解碼。因此，智能環(huán)境中的專用鏈路具有固有的安全性。

（2）物理層的安全性增強(qiáng)

用戶和服務(wù)提供商之間的數(shù)據(jù)交換越頻繁，個(gè)人數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)就越高。6G 網(wǎng)絡(luò)不僅繼承現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)保密措施，還要提供與新使能技術(shù)相關(guān)的增強(qiáng)物理層安全性?，F(xiàn)有的可重構(gòu)智能表面解決方案采用反射陣列，無法有效區(qū)分目標(biāo)用戶和惡意攻擊者。

智能環(huán)境具有識(shí)別用戶位置的能力，并與系統(tǒng)控制器交換這些信息以驗(yàn)證用戶的真實(shí)性。只有確定的用戶才能獲得來自發(fā)送方的信號(hào)流，而未經(jīng)授權(quán)的用戶連接請(qǐng)求將被禁止嘗試訪問或與發(fā)送者建立鏈接，可實(shí)現(xiàn)良好的信道保密性。

3.3 智能通信環(huán)境面臨的問題

使智能環(huán)境成為一種面向市場(chǎng)的解決方案，還面臨一些問題：

實(shí)際應(yīng)用中，智能環(huán)境將被涂覆在天花板面或建筑立面等表面上，需要既適合特定安裝區(qū)域又滿足連接要求的尺寸。同時(shí)，隨著系統(tǒng)中內(nèi)置更多反射元件和射頻鏈，對(duì)于信號(hào)處理電路，能耗也將增加。因此，在為用戶提供所需的性能前提下，如何實(shí)現(xiàn)整體尺寸和能源消耗的平衡且又經(jīng)濟(jì)的解決方案，是個(gè)難點(diǎn)。

（2）與現(xiàn)有方案的兼容性

目前的Wi-Fi 接入點(diǎn)有成熟的協(xié)議棧來感知信道并與用戶建立鏈路。為了使智能環(huán)境能夠幫助提高室內(nèi)信號(hào)覆蓋，需要兼容IEEE 802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化

在反射陣列、超表面、頻率選擇表面等方面，如何標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備架構(gòu)、最大發(fā)射功率和通信協(xié)議等目前沒有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于建立統(tǒng)一的框架異常重要。

（4）智能資源分配

以最優(yōu)方式分配空間、時(shí)間和頻域的資源，在用傳統(tǒng)優(yōu)化方法無法找到封閉式解決資源方案的復(fù)雜場(chǎng)景下，需結(jié)合人工智能中的先進(jìn)算法幫助部署智能通信環(huán)境，特別是存在復(fù)雜的表面布局或結(jié)構(gòu)時(shí)。

隨后，為滿足消費(fèi)者對(duì)健康優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的需求，中國綠色食品協(xié)會(huì)分別在綠色食品生產(chǎn)中引進(jìn)和推廣了“果園生草覆蓋技術(shù)”及“酵素菌技術(shù)”。前者對(duì)減少化肥及化學(xué)除莠劑的施用量、改善果園生態(tài)環(huán)境、提高果品質(zhì)量與產(chǎn)量發(fā)揮了積極作用；后者在提高果蔬產(chǎn)量，改善口味、口感等方面取得了明顯效果。

4 人工智能

目前的無線網(wǎng)絡(luò)采用分層結(jié)構(gòu)，每層提供幾種主要功能，但人工智能（Artificial intelligence，AI）相關(guān)算法的應(yīng)用正在彌合各層之間的區(qū)別，從而全局優(yōu)化整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的性能。如圖5 所示，人工智能可應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)的每一層。在網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行流量聚類，進(jìn)一步使網(wǎng)絡(luò)資源適應(yīng)各種場(chǎng)景。在物理層和MAC 層（PHY/MAC Layer）深度學(xué)習(xí)可優(yōu)化功率分配、調(diào)制和編碼方案等資源分配策略。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)算法還能輔助信道估計(jì)和多用戶檢測(cè)[6]。

圖5 人工智能在無線系統(tǒng)不同層的應(yīng)用

4.1 無線網(wǎng)絡(luò)中的人工智能

傳統(tǒng)物理層建模是面向模型的，而在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，由于系統(tǒng)內(nèi)部的非線性和不可控干擾等因素，基于模型的解決方案在復(fù)雜環(huán)境中的適用性不足。

人工智能已在各種物理層技術(shù)中證明了其全面適用性。在信道估計(jì)和符號(hào)檢測(cè)中，基于深度學(xué)習(xí)的符號(hào)檢測(cè)算法可以在降低復(fù)雜性的情況下提供魯棒的結(jié)果，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的算法學(xué)習(xí)證明了在功率放大器非線性、I/Q 不平衡和硬件損傷引起的量化誤差的影響下，信道估計(jì)精度得到提高[7]。

在無線網(wǎng)絡(luò)的其他基本層中，豐富的數(shù)據(jù)集存在使基于機(jī)器學(xué)習(xí)的解決方案具有適用性。如在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)中，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)了更節(jié)能的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方案；在汽車行業(yè)中，自動(dòng)駕駛已成現(xiàn)實(shí)。人工智能算法以各種方式應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)編碼器用于預(yù)測(cè)交通流量、Q-learning 用于智能資源管理等。在太空物聯(lián)網(wǎng)中，衛(wèi)星間和地對(duì)星鏈路的多頻段通信能力，可基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的資源分配策略，實(shí)現(xiàn)立方體衛(wèi)星在沒有地面人為干預(yù)的情況下仍保持連接[8]。

4.2 人工智能未來面臨的問題

在5G 標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)期，人工智能算法被設(shè)計(jì)可以幫助完成如識(shí)別網(wǎng)絡(luò)異常、分配網(wǎng)絡(luò)資源、執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理等任務(wù)，這些也將在6G 中以更具體的方式實(shí)現(xiàn)。在帶來面向數(shù)據(jù)方法的模式轉(zhuǎn)變時(shí)，仍有問題需要解決：

（1）對(duì)于調(diào)制編碼方案設(shè)計(jì)、信道估計(jì)和資源分配等無線網(wǎng)絡(luò)中的一般性問題，最佳算法尚未統(tǒng)一；

（2）有限的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集不利于所提出的分類或回歸算法的測(cè)試和驗(yàn)證；

（3）因所選數(shù)據(jù)集、假設(shè)、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等方面的差異，缺乏一種有效的方法來對(duì)所有提出的解決方案進(jìn)行公平比較。

5 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化

網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作在控制平面引入了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能，在管理平面引入了管理數(shù)據(jù)分析服務(wù)，以增強(qiáng)3GPP Releases15 及以后版本中的數(shù)據(jù)收集和分析功能。這兩個(gè)功能構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)中基于服務(wù)架構(gòu)的關(guān)鍵部分，凸顯了網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的重要性。網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的關(guān)鍵應(yīng)用主要涉及軟件定義的可編程數(shù)據(jù)平面、自動(dòng)化服務(wù)分解和編排[9]。

5.1 軟件定義的可編程數(shù)據(jù)平面

數(shù)據(jù)平面可編程性定義為允許數(shù)據(jù)平面設(shè)備（如交換機(jī)）向控制平面公開其數(shù)據(jù)包處理邏輯的特性，以便在需要時(shí)完全重新配置控制平面。例如控制器應(yīng)能根據(jù)需要無縫地修改數(shù)據(jù)包解析和處理管道，添加對(duì)新協(xié)議的支持，并修改現(xiàn)有協(xié)議。

5.2 自動(dòng)化服務(wù)分解和編排

當(dāng)前3GPP 網(wǎng)絡(luò)規(guī)范切片實(shí)例化和部署過程是模板驅(qū)動(dòng)的，需要手動(dòng)配置。隨著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)復(fù)雜性的增加，創(chuàng)建和維護(hù)模板的工作將成為操作負(fù)擔(dān)。

超越傳統(tǒng)的模板驅(qū)動(dòng)模型，為網(wǎng)絡(luò)切片提出自動(dòng)化服務(wù)分解和編排的應(yīng)用方案，如圖6 所示。用戶向服務(wù)提供商請(qǐng)求通信服務(wù)，服務(wù)商實(shí)例化網(wǎng)絡(luò)切片，并將其部署到由虛擬基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)提供商擁有的基礎(chǔ)設(shè)施上，以交付所請(qǐng)求的服務(wù)。作為切片自動(dòng)化工作的流程，客戶提供了與延遲、吞吐量等相關(guān)的高級(jí)需求，并自動(dòng)將請(qǐng)求分解成虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（Virtual Network Functions，VNFs）的一個(gè)組成轉(zhuǎn)發(fā)，服務(wù)到VNFs 轉(zhuǎn)發(fā)的映射不是基于模板，而是利用深度學(xué)習(xí)來提取服務(wù)需求并構(gòu)造相應(yīng)的VNFs 轉(zhuǎn)發(fā)。生成的特定于服務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)還包含組成VNFs 的資源需求，允許將其無縫部署到底層基礎(chǔ)設(shè)施，一旦部署了該服務(wù)，就會(huì)使用持續(xù)監(jiān)控和實(shí)時(shí)遙測(cè)技術(shù)來確保作業(yè)的最佳狀態(tài)[10]。

圖6 自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切片框架

6 環(huán)境反向散射通信

隨著室內(nèi)外蜂窩覆蓋范圍越來越廣，射頻信號(hào)可作為無線電鏈路二次利用的資源，無需額外的功率，這種技術(shù)系統(tǒng)被稱為環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)可以收集電視塔、基站以及接入點(diǎn)輻射周圍連續(xù)的電磁波，使用簡單的電路進(jìn)行調(diào)制后反射到接收器。環(huán)境反向散射收發(fā)器不需要專用的頻譜帶運(yùn)行，也不需要復(fù)雜的電子元件（如模數(shù)轉(zhuǎn)換器）來處理信號(hào)。

6.1 反向散射通信工作機(jī)制

通常，反向散射通信系統(tǒng)將撞擊到反向散射發(fā)射機(jī)的信號(hào)沿信號(hào)原點(diǎn)方向反射，由于不是完美的鏡面反射，信號(hào)會(huì)在環(huán)境的一定角度范圍內(nèi)散射，在該范圍內(nèi)的反向散射通信接收器可以接收信號(hào)。反向散射通信在架構(gòu)方面分3 種：單基、雙基和環(huán)境反向散射通信。

單基反向散射通信系統(tǒng)是射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）應(yīng)用中最常用的反向散射通信方式，結(jié)構(gòu)最簡單，僅由一個(gè)反向散射發(fā)射器和一個(gè)讀取器組成，該讀取器具有射頻信號(hào)源和帶有改變操作模式開關(guān)的反向散射接收器。一旦接收器發(fā)出請(qǐng)求，射頻源激活反向散射發(fā)射器，然后發(fā)射器調(diào)制并將撞擊到它的電磁波反射回接收器，如圖7(a)所示[11]。單基反向散射通信架構(gòu)的缺點(diǎn)是由于開關(guān)機(jī)制，讀取器不能執(zhí)行全雙工通信，且信號(hào)從讀取器發(fā)送到發(fā)射器然后反射回讀取器時(shí)伴有往返路徑損失。

圖7 反向散射通信系統(tǒng)說明

雙基反向散射通信架構(gòu)中，射頻源和接收機(jī)是分離的，如圖7(b)所示，在空間域中提供了更高的靈活性。與單基反向散射方案相比，多個(gè)射頻源和反向散射發(fā)射器放置良好，服務(wù)范圍可以顯著擴(kuò)展，但雙基反向散射通信系統(tǒng)在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的成本高，因?yàn)樾枰漕l源和發(fā)射機(jī)放置良好才能達(dá)到預(yù)期的性能，而且這種條件大多很難滿足，特別是在如室內(nèi)或密集的市區(qū)等復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中。

不同于單基、雙基，環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)的設(shè)備是由發(fā)射器和接收器組成的，不需要專用射頻源來專供服務(wù)，可以顯著減少基礎(chǔ)設(shè)施和維護(hù)支出，所以環(huán)境反向散射通信為6G 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器提供了最節(jié)能的應(yīng)用解決方案。

6.2 環(huán)境反向散射通信中面臨的問題

（1）頻譜和能源效率

隨機(jī)部署的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備利用環(huán)境反向散射鏈路來實(shí)現(xiàn)良好的吞吐量，并且保持?jǐn)U展的傳輸距離，即使單個(gè)反向散射通信設(shè)備表現(xiàn)出良好的能源性能，由大量的此類設(shè)備組成的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可能仍然需要在系統(tǒng)層面上優(yōu)化能效。

（2）協(xié)議設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)大多用于特定的應(yīng)用目的，與其他無線通信系統(tǒng)缺乏良好的兼容性。協(xié)議設(shè)計(jì)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境反向散射通信的關(guān)鍵操作和管理如數(shù)據(jù)包大小、路由協(xié)議等方面尤其重要。

7 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Space Things，IoST）是一個(gè)泛在的信息物理系統(tǒng)，涵蓋地面、空中和太空，可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)和偵察、空間回傳和整體數(shù)據(jù)集成。如圖8 所示，IoST 由構(gòu)成地面段的地面站、客戶場(chǎng)所和地面感知設(shè)備，以及構(gòu)成空間段的立方體衛(wèi)星（CubeSats）、無人機(jī)和近地感知設(shè)備等組成。地面對(duì)衛(wèi)星鏈路將IoST 樞紐與立方體衛(wèi)星連接起來以交換請(qǐng)求和數(shù)據(jù)，衛(wèi)星間鏈路將信息中繼到位于同一軌道和相鄰軌道的相鄰立方體衛(wèi)星。另外，無人機(jī)之間以及傳感器和立方體衛(wèi)星之間建立鏈接，形成本地化數(shù)據(jù)聚合層。

立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)包括一個(gè)全新的通信子系統(tǒng)，可在各種頻帶中無縫運(yùn)行，存在的多波段收發(fā)器和天線能夠支持微波、mmW 和太赫茲波段的無線通信。通過這種獨(dú)特的立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)，有可能實(shí)現(xiàn)超過100 Gb/s 的數(shù)據(jù)速率。

IoST 包含了跨越地球和太空的龐大基礎(chǔ)設(shè)施，超越了傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的彎管性質(zhì)，簡化網(wǎng)絡(luò)管理，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。類似于基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，IoST 可以提供立方體衛(wèi)星即服務(wù)（CubeSats-as-a-Service，CaaS），通過使用SDN 可實(shí)現(xiàn)亞秒級(jí)的端到端延遲。在網(wǎng)絡(luò)管理領(lǐng)域，IoST 引入了虛擬信道狀態(tài)信息CSI，用于聯(lián)合優(yōu)化物理鏈路資源分配，以克服與高延遲空間段相關(guān)的問題[12]。

8 無蜂窩大規(guī)模MIMO 通信

為了有效消除小區(qū)邊界用戶造成的小區(qū)間干擾，基于分布式MIMO 通信和協(xié)調(diào)多點(diǎn)（CoMP）通信，提出了無蜂窩大規(guī)模MIMO 通信的方案。該方案中，原本密集排列的大量的基站天線陣列以小于10 個(gè)天線單元的少量集形式分布在同一區(qū)域內(nèi)，仍服務(wù)相似數(shù)量的用戶[13]。如圖9 所示,與傳統(tǒng)的大規(guī)模MIMO 通信系統(tǒng)相比，無蜂窩通信系統(tǒng)放寬了小區(qū)邊界的限制，而不是將每個(gè)用戶終端都關(guān)聯(lián)到一個(gè)具有大量天線單元的小區(qū)，能顯著減少甚至消除小區(qū)間的干擾。沒有單元邊界，所有的基站子系統(tǒng)BSs 可以以協(xié)調(diào)的方式同時(shí)為用戶服務(wù)，在協(xié)作過程中，無蜂窩的大規(guī)模MIMO 基站能通過前端鏈路相互共享發(fā)送給用戶的數(shù)據(jù)。

圖9 傳統(tǒng)大規(guī)模MIMO 與無蜂窩大規(guī)模MIMO 對(duì)比

8.1 無蜂窩MIMO 的信道特性

BSs 可使用其本地CSI 來獲得良好的性能，避免與所有BSs 共享全局信道條件，本地CSI 可以通過TDD 方式在上行信道中進(jìn)行估計(jì)，然后根據(jù)獲取到的信道信息在BSs 處進(jìn)行預(yù)編碼，再進(jìn)行下行信道的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)射功率和預(yù)編碼矢量可以根據(jù)用戶與基站的地理距離來確定。理論上在無蜂窩大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)中，當(dāng)天線單元的數(shù)量接近無窮大時(shí)，如AP 數(shù)量密度約為1 000/km2，包括小區(qū)間干擾、小規(guī)模衰落等在內(nèi)的對(duì)抗性信道效應(yīng)將會(huì)消失[14]。

8.2 無蜂窩MIMO 面臨的問題

由于無蜂窩大規(guī)模MIMO 通信是一個(gè)新的領(lǐng)域，其中的協(xié)調(diào)和優(yōu)化問題將嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和未來的部署。

（1）用戶調(diào)度

盡管對(duì)信道特性有了深入了解，但現(xiàn)有技術(shù)無法考慮涉及具有超大量用戶服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。這種情況下，為用戶提供服務(wù)的AP 數(shù)量可能有一個(gè)上限，以便維持可接受的平均吞吐量水平。目前的研究中用戶將在同一頻率資源塊下同時(shí)獲得服務(wù)，但是當(dāng)用戶數(shù)量增長到一定閾值時(shí)，用戶無法同時(shí)獲得服務(wù)時(shí)也要考慮一種能夠?qū)崿F(xiàn)公平性的調(diào)度方案。

（2）AP 的位置優(yōu)化

蜂窩網(wǎng)絡(luò)的部署嚴(yán)重依賴蜂窩結(jié)構(gòu)地理上分離的BSs，這些BSs 在CoMP 方案下為蜂窩邊緣用戶提供服務(wù)，通過調(diào)度克服蜂窩間干擾，以提高整體系統(tǒng)效率。在無蜂窩的大規(guī)模MIMO 中，由于沒有小區(qū)邊界的概念問題，系統(tǒng)性能與AP 位置、隨機(jī)散射點(diǎn)和用戶的性能要求需進(jìn)行深入優(yōu)化。

9 結(jié)論

6G 及未來通信系統(tǒng)將在很大程度上推動(dòng)無線通信的高質(zhì)量拓展，本文通過分析研究6G 通信系統(tǒng)的應(yīng)用和使之成功的關(guān)鍵使能技術(shù)，詳細(xì)地介紹之間細(xì)微差別和與之相關(guān)面臨的挑戰(zhàn)，希望能提供對(duì)于無線通信下一個(gè)前沿領(lǐng)域的分析見解，也期望在實(shí)現(xiàn)設(shè)想的未來無線通信中發(fā)揮重要的作用。