龘常州 未来技术革命之6G
中国学常州卷经济册产业篇
安 文
6G创造互联未来
上次科技革命，引导人类由农耕时代进入工业社会，标志是以航母为代表的海洋赛道；而6G代表的空天赛道，将引领世界由工业社会进入信息时代。6G，即第六代移动通信标准，或第六代移动通信技术，潜在应用场景可分为全覆盖多样化智能连接应用、高保真扩展现实类应用和智能化行业类应用三类，可促进产业互联网、物联网的发展，各国正在展开激烈竞争。2024年4月23日，3GPP项目协调小组（PCG）第52次会议正式批准6G LOGO。2024年5月，日本多家电信公司联合宣布开发出世界上首个高速6G无线设备。在全球6G专利排行方面，中国以40.3%的6G专利申请量占比高居榜首，估计2030年前后，6G将在中国实现商用。
6G网络是一个地面无线与卫星通信集成，将卫星通信整合到6G移动通信，实现全球无缝覆盖的全连接世界。6G的数据传输速率可能达到5G的50倍，时延缩短到5G的十分之一，在峰值速率、时延、流量密度、连接数密度、移动性、频谱效率、定位能力等方面远优于5G。在全球卫星定位系统、电信卫星系统、地球图像卫星系统和6G地面网络的联动支持下，地空全覆盖网络能帮助人类预测天气、快速应对自然灾害，网络信号能抵达任何一个偏远乡村，让深处山区的病人能接受远程医疗，让孩子们接受远程教育，这就是6G未来。因此，6G通信技术不再是简单的网络容量和传输速率的突破，更是缩小数字鸿沟，实现万物互联这个“终极目标”的方式，这便是6G的意义。
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，科技部会同发改委、教育部、工业和信息化部、中科院、自然科学基金委在京组织召开6G技术研发工作启动会，宣布成立国家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，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，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。指出6G的大多数性能指标相比5G将提升10到100倍。6G时代1秒下载10部同类型高清视频成为可能。2019年以来，广东新一代通信与网络创新研究院（粤通院）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。2021年4月12日，华为轮值董事长徐直军在华为全球分析师大会上表示，6G将在2030年左右推向市场，华为也将发布6G白皮书，告诉各行各业6G是什么。2021年9月17日，北京市政府新闻办“两区”建设一周年成效新闻发布会宣布，北京将超前布局6G未来网络，打造引领全球数字经济高地。2021年11月16日，工信部发布《“十四五”信息通信行业发展规划》（以下简称《规划》），将开展6G基础理论及关键技术研发列为移动通信核心技术演进和产业推进工程，提出构建6G愿景、典型应用场景和关键能力指标体系，鼓励企业深入开展6G潜在技术研究，形成一批6G核心研究成果。2022年1月4日，紫金山实验室副主任、首席科学家尤肖虎教授发布国际领先水平重大原创成果——360-430GHz太赫兹100/200Gbps实时无线传输通信实验系统，创造出目前世界上公开报道的太赫兹实时无线通信的最高实时传输纪录。2022年3月8日，工信部部长肖亚庆表示：2022年力争5G基站超200万座，提前谋划部署6G发展，为下一代通信技术6G的发展提前谋划，提前做好部署。2022年3月22日，由未来移动通信论坛和紫金山实验室主办的第二届“全球6G技术大会”以线上全球多地远程互动的方式召开。2022年5月，中国科学技术大学左成杰教授团队在6G滤波器领域取得重要进展：在铌酸锂压电薄膜上设计并实现了高品质因数（Q值）超过100000的高频微机电系统谐振器。2022年6月21日，在“2022科技周暨移动信息产业链创新大会”上，中国移动发布了“6G网络架构技术白皮书”，是业界首次发布6G网络的系统化架构设计，体现了中国移动6G网络架构团队的最新成果。2022年6月，中兴通讯已启动6G关键技术研究会，以开放的心态与全球伙伴在遵循国际通行规则的各组织中建设性地合作。2022年8月，阿联酋电信公司与华为一起完成了其首次6GHz频谱试验。2023年1月11日，全国工业和信息化工作会议提出：2023年要全面推进6G技术研发。2月12日，第二届智能超表面技术论坛透露，一种6G相关技术已在杭州亚运场馆测试。2023年3月1日和6月4日，中国工业和信息化部部长金壮龙表示，将全面推进6G等下一代互联网技术，加快布局人形机器人、元宇宙、量子科技等前沿领域。 2023年4月，二院25所在北京完成国内首次太赫兹轨道角动量的实时无线传输通信实验，利用高精度螺旋相位板天线在110GHz频段实现4种不同波束模态，通过4模态合成在10GHz的传输带宽上完成100Gbps无线实时传输，最大限度提升了带宽利用率，为中国6G通信技术发展提供重要保障和支撑。2023年6月27日，工信部发布新版《中华人民共和国无线电频率划分规定》，率先在全球将6425-7125MHz全部或部分频段划分用于IMT（国际移动通信，含5G/6G）系统。2023年9月，中关村泛联移动通信技术创新应用研究院与无线移动通信全国重点实验室（中国信科）等机构联合举办6G协同创新研讨会。6G网络架构、超维度天线等6G创新成果在研讨会上陆续发布。2023年12月5日，中国6G推进组首次对外发布了6G核心方案，预计2025年将在中国进行6G标准化制定，2030年左右实现商用。2024年1月，工业和信息化部等七部门发布关于推动未来产业创新发展的实施意见，提出：前瞻布局6G、卫星互联网、手机直连卫星等关键技术研究，构建高速泛在、集成互联、智能绿色、安全高效的新型数字基础设施。引导重大科技基础设施服务未来产业，深化设施、设备和数据共享，加速前沿技术转化应用。推进新一代信息技术向交通、能源、水利等传统基础设施融合赋能，发展公路数字经济，加快基础设施数字化转型。2月3日，搭载中国移动星载基站和核心网设备的两颗天地一体低轨试验卫星成功发射入轨。其中，“‘星核’验证星”搭载业界首个采用6G理念设计，具备在轨业务能力的星载核心网系统，是全球首颗6G架构验证星。3月26日，市场监管总局会同中央网信办、国家发展改革委等18部门联合印发《贯彻实施〈国家标准化发展纲要〉行动计划（2024—2025年）》（以下简称《行动计划》），就2024年至2025年贯彻实施《国家标准化发展纲要》提出具体任务，开展6G、区块链、分布式数字身份分发等核心标准研究。7月，中国率先搭建了国际首个通信与智能融合的6G外场试验网，实现了6G主要场景下通信性能的全面提升。
国外，“多国迈向‘梦想技术’的步伐正在加速。2018年，芬兰开始研究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，以期其被用于6G服务。3月24日至26日，芬兰拉普兰举行6G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。三星电子公司和LG电子公司都在2019年设立6G研究中心，2020年7月14日三星电子发布了《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。同年，斯科尔科沃科学技术研究院科学家们开发了用于俄罗斯第六代通信系统（6G）组件的设备，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。该院研发过程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。2020年12月16日消息，日本正瞄准6G目标，采取多项措施推进6G研发。日本追加预算更拨款用于促进6G研发，试图加大力度推进6G研发，在下个赛道抢占市场先机。2021年8月，韩国LG电子成功进行了6G太赫兹频段的无线信号传输测试，测试的距离超过了100米。2022年7月，俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究院(SKOLTECH)和无线电研究所(FSBI NIIR)准备联合研发6G网络技术，将涉及从原型到量产型的开发以及网络通信安全等。2022年10月12日，日本名古屋大学等研究团队利用铁路沿线信息，进行了都市内6G通信网的研究尝试。2022年11月22日爱立信宣布，未来10年内将在英国投资数千万英镑用于6G网络研究，研究领域将包括网络弹性和安全、人工智能、认知网络和能源效率。2023年11月，韩国宣布将投入4404亿韩元研发6G通信技术，用于研发包括无线通信、移动核心网络、6G无线网络、6G系统及6G标准化相关的技术。2023年12月3日，马克・古尔曼在X平台发布推文称，苹果公司6G研究正在升温，将聘请更多工程师研究6G。2024年2月26日，2024年世界移动通信大会（MWC）期间，美国、澳大利亚、加拿大、捷克共和国、芬兰、法国、日本、韩国、瑞典和英国政府，就6G无线通信系统研发的共同原则达成一致，十国结成“6G同盟”，与中国抢夺“主导权”。2024年3月23日报道，韩国政府准备通过加大对SK电讯、韩国电信（KT）和LG U+等三大移动通信公司投资，以迎接“6G时代”。今年世界移动通信大会上，美国、英国、澳大利亚、加拿大、韩国和瑞典等十国发表联合声明，称就6G无线通信系统的研究和发展达成“共同原则”。
6G将使用太赫兹（THz）频段，6G网络的“致密化”程度也将达到前所未有的水平。届时，我们周围将充满小基站。太赫兹频段是指100GHz-10THz，是一个频率比5G高出许多的频段。从通信1G（0.9GHz）到4G（1.8GHZ以上），无线电磁波的频率在不断升高。因为频率越高，允许分配的带宽范围越大，单位时间内所能传递的数据量就越大，也就是通常说的“网速变快了”。频段向高处发展的另一个主要原因在于，低频段的资源有限。就像一条公路，即便再宽阔，所容纳车量也是有限的。当路不够用时，车辆会阻塞无法畅行，此时就需要考虑开发另一条路。频谱资源也是如此，随着用户数和智能设备数量的增加，有限的频谱带宽就需要服务更多的终端，会导致每个终端的服务质量严重下降。而解决这一问题的可行的方法便是开发新的通信频段，拓展通信带宽。中国三大运营商的4G主力频段位于1.8GHz-2.7GHz之间的一部分频段，而国际电信标准组织定义的5G的主流频段是3GHz-6GHz，属于毫米波频段。到了6G，将迈入频率更高的太赫兹频段，这时也将进入亚毫米波的频段。中国科学院国家天文台研究员苟利军说：“太赫兹在天文中被称为亚毫米，这类天文台的站点一般很高且很干燥 ，比如南极，还有智利的acatama沙漠。”
那么，为什么说到了6G时代网络“致密化”，我们的周围会充满小基站？这就涉及到了基站的覆盖范围问题，也就是基站信号的传输距离问题。一般而言，影响基站覆盖范围的因素较多，如信号的频率、基站的发射功率、基站的高度、移动端的高度等。就信号的频率而言，频率越高则波长越短，信号的绕射能力（也称衍射，在电磁波传播过程中遇到障碍物，这个障碍物的尺寸与电磁波的波长接近时，电磁波可以从该物体的边缘绕射过去。绕射可以帮助进行阴绕射可以帮助进行阴影区域的覆盖）就越差，损耗也就越大。这种损耗并且会随着传输距离增加而增加，基站所能覆盖到的范围会随之降低。6G信号频率已经在太赫兹级别，而这个频率已经接近分子转动能级的光谱了，很易被空气中的水分子吸收掉，所以在空间中传播的距离不像5G信号那么远，因此需要更多的基站“接力”。5G使用的频段要高于4G，在不考虑其他因素的情况下，5G基站的覆盖范围自然要比4G的小。到了频段更高的6G，基站的覆盖范围会更小。因此，5G的基站密度要比4G高很多，而在6G时代，基站密集度将无以复加。
空间复用技术
6G将使用“空间复用技术”，6G基站将可同时接入数百个甚至数千个无线连接，其容量将可达5G基站的1000倍。前面说到6G将使用太赫兹频段，这种高频段频率资源虽然丰富，系统容量大。但使用高频率载波的移动通信系统要面临改善覆盖和减少干扰的严峻挑战。当信号的频率超过10GHz时，其主要传播方式就不再是衍射。对非视距传播链路来说，反射和散射才是主要的信号传播方式。同时，频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近，绕射能力越弱。这些因素都会大大增加信号覆盖的难度。不止是6G，处于毫米波段的5G也是如此。而5G则是通过Massive MIMO和波束赋形这两个关键技术来解决此类问题的。我们手机信号连接的是运营商基站，更准确一点，是基站上的天线。Massive MIMO技术说起来简单，其实就是通过增加发射天线和接收天线的数量，即设计一个多天线阵列，来补偿高频路径上的损耗。在MIMO多副天线的配置下可以提高传输数据数量，而用到的便是空间复用技术。在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去。由于发射端与接收端的天线阵列之间的空域子信道足够不同，接收机能够区分出这些并行的子数据流，而不需付出额外的频率或者时间资源。这种技术的好处就是，它能够在不占用额外带宽、消耗额外发射功率的情况下增加信道容量，提高频谱利用率。不过，MIMO的多天线阵列会使大部分发射能量聚集在一个非常窄的区域。也就是说，天线数量越多，波束宽度越窄。这点的好处在于，不同的波束之间、不同的用户之间的干扰会较少，因为不同的波束都有各自的聚焦区域，这些区域都非常小，彼此之间不怎么有交集。但也带来了另外一个问题：基站发出的窄波束不是360度全方向的，该如何保证波束能覆盖到基站周围任意一个方向上的用户？这时便是波束赋形技术大显神通的时候了。简单说，波束赋形技术就是通过复杂的算法对波束进行管理和控制，使之变得像“聚光灯”一样。这些“聚光灯”可找到手机都聚集在哪里，然后更为聚焦地对其进行信号覆盖。5G采用的是MIMO技术提高频谱利用率。而6G所处的频段更高，MIMO未来的进一步发展很有可能为6G提供关键的技术支持。
技术关键指标：
1、峰值传输速度达到 100Gbps – 1Tbps，而5G仅为10Gbps；2、室内定位精度达到10厘米，室外为1米，相比5G提高10倍；3、通信时延0.1毫秒，是5G的十分一；4、中断机率小于百万分之一，拥有超高可靠性；5、连接设备密度达到每立方米过百个，拥有超高密度；6、采用太赫兹（THz）频段通信，网络容量大幅提升。
“6G网络的速度将比5G快100倍，几乎能达每秒1TB，这意味着下载一部电影可在1秒内完成，无人驾驶、无人机的操控都将非常自如，用户甚至感觉不到任何时延。”南京航空航天大学电子信息工程学院常务副院长吴启晖说。专家认为，将来6G会被用于空间通信、智能交互、触觉互联网、情感和触觉交流、多感官混合现实、机器间协同、全自动交通等场景。6G需要重点考虑的是，如何将两条不同发展轨道的技术融为一体。最彻底的融合模式是全面融合，即从组网到空口，完全实现无感对接。简单的形式是网络各自独立发展，通过多模终端完成多系统支持。
