摘要：2024年3月，3GPP（制定全球移動通信標(biāo)準(zhǔn)的國際組織）在CT、SA和RAN的第103次全體會議上確定了6G標(biāo)準(zhǔn)化的時間表。3GPP的6G工作將于2024年在Release 19期間開始，這是6G標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中的一個重要里程碑，為后續(xù)的工作奠定了基礎(chǔ)。其中，6G研究方向成為重要研究對象。該文從6G研究的三大方向：太赫茲、智能超表面、通感一體化出發(fā)，分析了它們面臨的挑戰(zhàn)，并針對挑戰(zhàn)提出了可行性建議：6G在功能上應(yīng)允許百花齊放，同時建立平等開放的平臺；在技術(shù)上做到大道至簡，簡化實現(xiàn)方式，降低成本，提高效率，降低實現(xiàn)技術(shù)門檻，推動技術(shù)質(zhì)的飛躍。

關(guān)鍵詞：6G；挑戰(zhàn)；研究方向；簡化；開放

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.020

中圖分類號：TN 929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）09-00-03

Big Challenges for 6G

LI Yongdong

（Rohde & Schwarz （China） Technology Co.， LTD.， Guangzhou 510620， China）

Abstract： In March 2024， the 3GPP （the international organization that sets global standards for mobile communications） set a timetable for 6G standardization at the 103rd plenary meeting of CT， SA and RAN. The 3GPP's 6G work， which will begin in 2024 during Release 19， is an important milestone in the 6G standardization process and sets the stage for subsequent work. Among them， 6G research direction has become an important research object. This paper analyzes the challenges faced by 6G from three major research directions： terahertz， intelligent metassurfacing and synaesthesia integration， and puts forward feasible suggestions for the challenges： 6G should allow a hundred flowers to flourish in function， and establish an equal and open platform; In terms of technology， the road is simple， the realization method is simplified， the cost is reduced， the efficiency is improved， the technical threshold is lowered， and the technological quality is promoted.

Keywords： 6G; challenge; research direction; simplify; open to the public

1 6G通信當(dāng)前的三大方向

1.1 太赫茲

太赫茲波頻率為0.1～10 THz，波長為0.03～3 mm，可穿透紙張、衣服、塑料、木制品等材料，且輻射微弱，因此，太赫茲波很適合安檢界。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，太赫茲波也易被極性分子吸收，且對絕大部分的生物細(xì)胞無電離傷害，因而適合對活體生物或組織進(jìn)行實時檢查。

太赫茲波具有頻率高、傳輸容量大、安全性高、穿透性好等優(yōu)勢，這是微波無法達(dá)到的高度。因此，太赫茲技術(shù)在全息通信、微小尺寸通信、超大容量數(shù)據(jù)回傳、短距超高速傳輸?shù)葓鼍爸杏型玫綉?yīng)用[1]。

太赫茲雖然具有以上優(yōu)勢，但也面臨著一些挑戰(zhàn)。常用的無線傳輸?shù)年幱八ヂ涔綖?/p>

（1）

式中，d為距離；f為頻率；S為修正因子。從式（1）可見，頻率越高，衰落就越大。太赫茲是兆赫茲的106倍，因此，相同的距離衰落將增加120 dB。這遠(yuǎn)比GSM基站的信號覆蓋要小。

（2）

按照麥克斯韋方程，可以得到式（2），因此可得到距離d與參考距離d0的比：d/d0=10（120/20）=106，距離差距有100萬倍，可見覆蓋距離僅為米級。這大大限制了太赫茲的應(yīng)用，僅可用于短距離通信。

1.2 智能超表面

智能超表面技術(shù)（RIS），如一面鏡子，智能反射光線至黑暗處，提升覆蓋區(qū)域。智能超表面可以智能控制眾多反射單元，將空間中彌散的電磁波有效聚集到信號弱的地方，實現(xiàn)更高效和更均勻的信號覆蓋，自動實現(xiàn)自適應(yīng)波束轉(zhuǎn)向[2]。智能超表面面臨如下挑戰(zhàn)：在絕大多數(shù)場景下，無線信號都是有阻擋、有遮蔽的，當(dāng)前智能超表面只能應(yīng)用于信號無遮擋情況。當(dāng)出現(xiàn)遮擋的時候，如何解決？暫時沒有系統(tǒng)、有效的解決方案。

1.3 通感一體化

通感一體化技術(shù)利用同一射頻收發(fā)設(shè)備和相同頻譜同時實現(xiàn)無線通信和雷達(dá)的功能，通過對電磁環(huán)境信息、周圍節(jié)點的空間信息進(jìn)行分析處理，增強(qiáng)通信、感知功能。

在采用了線性調(diào)頻（LFM，Linear Frequency Modulation）、擴(kuò)頻和正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）等技術(shù)后，通感一體化有更高的頻譜利用率和靈活的帶寬資源分配，并同時具有距離和多普勒的高分辨率。

通感一體化面臨的挑戰(zhàn)[3]。

（1）理論基礎(chǔ)。融合“通感智算”的6G缺乏信息理論架構(gòu)，無法確保通信同時具有高可靠性、高效性和高精度。在確保通信可靠性、高效性的同時，保證感知的精度，目前通信參數(shù)與感知參數(shù)間相互作用的原理尚無理論支撐。

（2）一體化網(wǎng)元的硬設(shè)計。目前的基站結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常復(fù)雜，若只是簡單地將感知功能“堆砌”到基站上，從成本和效率上考慮都是不合適的。

（3）數(shù)據(jù)處理范式、多接入干擾問題、提升用戶隔離效率、保護(hù)用戶隱私等問題都未解決。

2 6G通信三大方向建議

人類太急于前進(jìn)，因此，在之前的問題尚未解決前，就希望再進(jìn)一步，由此不斷使用繁復(fù)、昂貴的技術(shù)解決“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”問題，使通信技術(shù)日益臃腫和繁復(fù)。先解決存在的問題，或許會發(fā)現(xiàn)或帶來新的技術(shù)革命。因此，6G的研究方向建議如下。

2.1 方向一：百花齊放（功能）

（1）NTN。擴(kuò)展地空一體化通信，地面基站網(wǎng)絡(luò)通過同步、中軌、低軌衛(wèi)星透明傳輸信息到地面站完成NB-NTN，NR-NTN的信息傳輸，解決時延、多普勒偏移等問題，實現(xiàn)無縫通信。

（2）物聯(lián)網(wǎng)。繼續(xù)擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，通過與NB-IOT、eMTC、藍(lán)牙、Wi-Fi、UWB、Lora等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，完成萬物互聯(lián)的目的。

（3）精確定位。融合UWB、藍(lán)牙等技術(shù)，提供精確室外、室內(nèi)定位服務(wù)，當(dāng)定位精度達(dá)到毫米級別時，定位應(yīng)用場景將獲得極大擴(kuò)充：遠(yuǎn)程手術(shù)、遠(yuǎn)程控制、尋底、定位等。

（4）極大吞吐率。提高吞吐率到100 Gbps。吞吐率的提高，可以全面改變使用習(xí)慣和應(yīng)用場景，XR、VR、無人駕駛、AI控制將得到極大推廣及應(yīng)用。

（5）車聯(lián)網(wǎng)。發(fā)展V2X、雷達(dá)、視頻等傳感器融合一起的車聯(lián)網(wǎng)，使無人駕駛、智能調(diào)度將成為可能。

（6）人機(jī)對話。發(fā)展與大腦神經(jīng)對話機(jī)制，植入人腦需要的信息、與人腦信息交流，使人類意識直接控制機(jī)器成為可能。

（7）無人駕駛。無人駕駛的發(fā)展將會引起產(chǎn)業(yè)革命，運輸工具將不再需要人類介入，極大地解放人類。

（8）智慧工廠、智慧城市。智慧城市：無論是公共交通、公共事業(yè)，還是政府運行，效率將極大提高；智能工廠：需要極少人力，生產(chǎn)一致性好、可靠的產(chǎn)品。

2.2 方向二：平等開放（平臺）

（1）定義接口。允許任何網(wǎng)絡(luò)、通信標(biāo)準(zhǔn)、通信方式將按照平臺定義的接口接入，完成不同網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)準(zhǔn)的交互。

（2）允許獨立。為保障各種標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)的利益及互聯(lián)互通，允許它們可以基于平臺獨立出來，平臺不監(jiān)控、控制、介入，以開放的方式引入所有通信方式，獲得積極健康的生態(tài)環(huán)境。

（3）定義申請流程。各個接入網(wǎng)絡(luò)需要明確的使用平臺資源申請流程，可以在定義的流程下申請資源、使用資源、資源信息共享。

（4）平臺允許透明傳輸。平臺希望各式各樣的網(wǎng)絡(luò)接入，保證它們網(wǎng)絡(luò)既可以與平臺交互，也允許其保持獨立，允許這些獨立網(wǎng)絡(luò)利用平臺作為承載者，透明傳輸網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，進(jìn)行信息交互。

（5）平臺分層管理。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連與交互或透明傳輸，需要建立分層管理，才能有效管理傳遞信息。

（6）移動通信架構(gòu)、短距離通信架構(gòu)、傳感器架構(gòu)按同層不同網(wǎng)元方式接入并互通。移動通信一直以來按照集中制管理方式管理網(wǎng)元，位置管理、互操作、長距離覆蓋做得很好；短距離通信在節(jié)電、實現(xiàn)、成本、速率方面做得很好；傳感器各式各樣，滿足不同行業(yè)、不同需求；因此，它們各自有優(yōu)點，也有缺點，當(dāng)它們能夠合為一體時，將互相彌補(bǔ)缺點，可以完成強(qiáng)大功能，具有廣闊前景。

（7）建立安全機(jī)制及層級管理。既允許各個網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，也允許相互獨立。建立分層的安全機(jī)制顯得尤為重要，需要有完整的管理機(jī)制及層級管理。

2.2.1 典型場景

（1）定位。移動通信室外定位+UWB等室內(nèi)精確定位，可以得到準(zhǔn)確的室內(nèi)精準(zhǔn)定位。

（2）控制。各種網(wǎng)元接入+室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的智能控制，可以精確控制物聯(lián)網(wǎng)的每一個傳感器。

（3）信息收集。只要安全機(jī)制允許，可以調(diào)取每一個細(xì)節(jié)信息。

（4）AI融合。只要有傳感器覆蓋的地方，都可以控制AI工作，如無人駕駛、智能機(jī)器人操作。

2.2.2 解決移動通信瓶頸問題

（1）移動通信受香農(nóng)極限限制，傳輸速率受到限制，但是引入平臺后，傳感器可以通過光纖網(wǎng)絡(luò)接入，傳輸速率可以得以倍數(shù)增長，成為移動通信的延伸和互補(bǔ)。

（2）移動通信網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)的吞吐量自動分擔(dān)，無需人工介入調(diào)配。

（3）當(dāng)移動通信流量溢出時，會自動產(chǎn)生流量物理分布圖，指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)運營商在瓶頸區(qū)域鋪設(shè)光纖，分擔(dān)流量，以免溢出。

2.2.3 解決光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)盲目的問題

（1）自動統(tǒng)計區(qū)域的移動通信吞吐率，預(yù)測超過移動通信處理能力，自動報告網(wǎng)絡(luò)建設(shè)商此區(qū)域需要建設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)商將獲得有效指導(dǎo)。

（2）統(tǒng)計區(qū)域吞吐率分布，產(chǎn)生搭建光纖網(wǎng)路的路由圖。

2.2.4 解決尋的（尋找目標(biāo)物）問題

（1）通過AI識別、衛(wèi)星定位、移動通信搜尋、在線網(wǎng)絡(luò)攝像跟蹤等方式的整體配合，可以快速尋找指定人員、物體。

（2）通過快速尋的，可以高效調(diào)度人員、車輛、飛行器、物流等。

（3）通過快速尋的，可以向目標(biāo)人群有效傳遞公共緊急信息：如地震、海嘯等緊急信息。

（4）通過快速尋的，把被跟蹤人緊急信息：如跌倒、交通事故等情況快速通知家屬。

2.3 大道至簡（實現(xiàn)）

為達(dá)到香農(nóng)極限，通信技術(shù)非常復(fù)雜，需要革新實現(xiàn)方式。目標(biāo)是：

（1）降低實現(xiàn)成本。6G通信如果希望大規(guī)模應(yīng)用，低成本才能推行，研究如何降低實現(xiàn)成本是必由之路。

（2）降低實現(xiàn)功耗。由于復(fù)雜的實現(xiàn)方式，導(dǎo)致5G的實現(xiàn)方案非常耗電，功耗問題解決，可以使基站省電問題得以解決、終端使用不再受限于電池，以及各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用會得到大規(guī)模推廣。

（3）基帶設(shè)計簡單化。幀結(jié)構(gòu)、資源分配算法簡單化；突破OFDM、IFFT架構(gòu)。

（4）射頻設(shè)計。推動2G、3G退網(wǎng)，騰出頻率供6G使用；解決網(wǎng)絡(luò)時延、干擾等問題；建立大統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，兼容各種網(wǎng)絡(luò)接入。

（5）簡化接入、連接、互操作流程。設(shè)計目標(biāo)不以不中斷連接為目標(biāo)，接入、切換簡化；定義必要接口參數(shù)，便于傳送；定義參數(shù)盡可能通用，兼容性強(qiáng)。

3 結(jié)束語

人類對6G有很多美好展望，但是也必須面對巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)：太赫茲頻率太高，最遠(yuǎn)只可傳輸幾十米，只可短距離傳輸；智能超表面暫時只有自由傳輸環(huán)境下的研究成果；“通感智算”一體化接口復(fù)雜繁復(fù)問題很難突破。因此，本文建議6G研究應(yīng)該在以下三大方面開展：繼續(xù)發(fā)展開拓6G新功能應(yīng)用；建立透明、統(tǒng)一、開放、演進(jìn)的6G大平臺，把各類通信服務(wù)、傳感器傳感信息通過開放、統(tǒng)一、分層的接口接入?yún)R總使用。小系統(tǒng)既可開放自我接口，也可封閉通信接口，自由進(jìn)出，這樣，便于統(tǒng)一各種網(wǎng)絡(luò)，延伸各種功能，相互彌補(bǔ)缺項，發(fā)揮優(yōu)勢，成就新場景、新功能；6G簡化基帶、射頻繁復(fù)的實現(xiàn)機(jī)制便于各種標(biāo)準(zhǔn)接入或關(guān)閉，使成本得到減低，技術(shù)上做到大道至簡。

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