美國(guó)試圖搶占6G技術(shù)布局先機(jī)

蘭順正

今年8月，美國(guó)總統(tǒng)特朗普批準(zhǔn)在美國(guó)開展6G試驗(yàn)，他本人也發(fā)推表達(dá)了自己對(duì)6G的期許。此前一年多，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)已經(jīng)決定開放95GHz-3THz（太赫茲）頻段作為試驗(yàn)頻譜，正式啟動(dòng)6G技術(shù)研發(fā)。這表明，在5G移動(dòng)通訊技術(shù)尚未大規(guī)模普及之時(shí)，6G領(lǐng)域的你爭(zhēng)我趕已悄然開始。

基于空間復(fù)用的新一代移動(dòng)通信技術(shù)

6G被稱為第六代移動(dòng)通信技術(shù)，是5G的延伸。相關(guān)資料顯示，與5G相比，6G具有以下新特點(diǎn)：一是顛覆性通信技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在非常高的頻率（毫米波頻帶）上運(yùn)行，6G網(wǎng)絡(luò)將采用更高的頻譜，太赫茲波通信將得到應(yīng)用。二是創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。雖然5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)努力達(dá)到了十分有效的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，但未來(lái)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用還是提出了更高的緊密協(xié)調(diào)的新架構(gòu)要求。因此在不同的通信技術(shù)中，需要考慮網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的分解和虛擬化以及接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)的集成。三是在網(wǎng)絡(luò)中整合智能。將來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)網(wǎng)元——無(wú)論是集中計(jì)算單元還是邊緣的每個(gè)終端——都能集成智能計(jì)算能力。通過(guò)共享用戶間或者運(yùn)營(yíng)商之間的信息，無(wú)監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)將通過(guò)預(yù)測(cè)促進(jìn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)決策。

太赫茲技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)是6G的關(guān)鍵。太赫茲頻段是指100GHz-10THz，是一個(gè)頻率比5G高出許多的頻段。根據(jù)通信原理，頻率越高，傳輸波長(zhǎng)就會(huì)越短，帶寬范圍就越大，那么在一定時(shí)間內(nèi)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量就會(huì)越大。隨著用戶數(shù)和智能設(shè)備數(shù)量的增加，有限的頻譜帶寬就需要服務(wù)更多的終端，這會(huì)導(dǎo)致每個(gè)終端的服務(wù)質(zhì)量嚴(yán)重下降。而解決這一問(wèn)題的可行方法便是開發(fā)新的通信頻段，拓展通信帶寬。從通信1G（0.9GHz）到4G（1.8GHZ以上），使用的無(wú)線電磁波的頻率不斷升高就是這個(gè)道理。6G移動(dòng)通信技術(shù)為了能夠?qū)崿F(xiàn)超高速通信的目標(biāo)，將使用太赫茲（THz）頻段。與5G相比，太赫茲波將使網(wǎng)速提升100多倍。

問(wèn)題在于，雖然太赫茲頻段資源豐富，系統(tǒng)容量大，但是使用高頻率載波的移動(dòng)通信系統(tǒng)要面臨改善覆蓋能力和減少干擾的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)信號(hào)的頻率超過(guò)10GHz時(shí)，其主要的傳播方式就不再是衍射。對(duì)于非視距傳播鏈路來(lái)說(shuō)，反射和散射才是主要的信號(hào)傳播方式。而且頻率越高，傳播損耗越大，覆蓋距離越近，繞射能力越弱，這些因素都會(huì)大大增加信號(hào)覆蓋的難度。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，6G移動(dòng)通信將使用空間復(fù)用技術(shù)。空間復(fù)用技術(shù)又稱MIMO，意思是為極大地提高信道容量，在發(fā)送端和接收端都使用多根天線，在收發(fā)之間構(gòu)成多個(gè)信道的天線系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是具有極高的頻譜利用效率，在對(duì)現(xiàn)有頻譜資源充分利用的基礎(chǔ)上通過(guò)利用空間資源來(lái)獲取可靠性與有效性兩方面增益，在不占用額外帶寬和消耗額外功率的情況下增加信道容量，其代價(jià)是增加了發(fā)送端與接收端的復(fù)雜處理度。據(jù)悉，6G移動(dòng)通信基站可以同時(shí)接入上千個(gè)無(wú)線外部連接，其容量將達(dá)到5G的1000倍。另外MIMO技術(shù)構(gòu)造的多天線陣列會(huì)使大部分發(fā)出的能量聚集在極窄的空間范圍內(nèi)，即天線數(shù)量越多，發(fā)射波束的寬度越窄，各個(gè)用戶終端和不同的波形之間干擾越小，最后利用波束賦形技術(shù)（既通過(guò)復(fù)雜的算法對(duì)波束進(jìn)行管理和控制）便可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行焦點(diǎn)式覆蓋。

競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開始

未來(lái)，6G技術(shù)將帶來(lái)很多改變。在高山、海洋等偏遠(yuǎn)地區(qū)，傳統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)難以提供有效覆蓋，而利用船載基站、無(wú)人機(jī)平臺(tái)、低空平臺(tái)、高空平臺(tái)、衛(wèi)星等可以進(jìn)行協(xié)同補(bǔ)充覆蓋和提供補(bǔ)充數(shù)據(jù)服務(wù)，6G能夠解決陸地蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)造成的數(shù)據(jù)鴻溝難題。具體而言，在遭遇自然災(zāi)害或戰(zhàn)爭(zhēng)，原有通信基礎(chǔ)設(shè)施遭到毀壞，而應(yīng)急通信車等又無(wú)法發(fā)揮作用時(shí)，6G技術(shù)可以通過(guò)無(wú)人機(jī)、地面關(guān)口站和地面基站等基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建應(yīng)急通信能力。其中，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載虛擬基站、自配置多跳通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)間協(xié)同通信，除具有無(wú)線接入功能外，無(wú)人機(jī)還可掛載傳感設(shè)備和攝像頭，及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。在海洋通信中，傳統(tǒng)海洋通信手段主要分為基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的岸基通信、基于海洋衛(wèi)星系統(tǒng)的通信和基于中高頻的上通信，三者融合程度低，互通性差，且大多僅關(guān)注通信資源，未充分挖掘計(jì)算和處理資源帶來(lái)的性能增益。而6G可基于岸基、水域和空域的一體化協(xié)同組網(wǎng)，通過(guò)通信、計(jì)算資源的靈活按需編排，有效支撐各類海洋業(yè)務(wù)。

同時(shí)，6G將提供1T的極值傳輸速率，用戶平均體驗(yàn)速率將達(dá)10G，再結(jié)合增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)以及全息超高清視頻等技術(shù)，可以將身處不同地方的人的3D全息影像傳送到同一位置，使用戶如面對(duì)面坐在一起一樣交流溝通。在6G網(wǎng)絡(luò)中，精準(zhǔn)醫(yī)療將在人類的重大疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、早期篩查、靶向治療等方面發(fā)揮重要作用，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療健康服務(wù)由“以治療為主”向“以預(yù)防為主”的轉(zhuǎn)化。而6G時(shí)代的教育不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多人遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)交互授課，還可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)一智能化因材施教。

6G對(duì)于構(gòu)建智能社會(huì)也意義重大。未來(lái)工業(yè)設(shè)備控制、異常監(jiān)控告警、機(jī)器臂操控等智能無(wú)人設(shè)備的運(yùn)行都需要極低時(shí)延和超高可靠無(wú)線通信能力。以無(wú)人車為例，未來(lái)的無(wú)人駕駛車輛都將配備許多傳感器，包括相機(jī)、激光掃描儀等，相關(guān)算法必須快速融合來(lái)自多個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)，判斷周邊人員、動(dòng)物或建筑物的信息，以快速控制車輛、避免碰撞或人員受傷，因此用6G技術(shù)搭建的超高可靠、極低時(shí)延無(wú)線網(wǎng)絡(luò)就顯得必不可少。

基于6G的巨大潛力，相關(guān)國(guó)家在5G初露頭角之時(shí)，就已開始對(duì)6G提前布局。2019年3月19日，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）決定開放面向未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的“太赫茲”頻譜，用于創(chuàng)新者開展6G技術(shù)試驗(yàn)。同年11月3日，中國(guó)宣布成立國(guó)家6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組和總體專家組，標(biāo)志著中國(guó)6G技術(shù)研發(fā)工作正式啟動(dòng)。在2020年1月，日本組織了一大批的相關(guān)人員召開6G研究會(huì)，對(duì)6G的成本預(yù)算、性能目標(biāo)進(jìn)行了嚴(yán)密的確認(rèn)。4月日本對(duì)外公布了6G戰(zhàn)略計(jì)劃，根據(jù)規(guī)劃日本將在2030年啟用6G技術(shù)。而韓國(guó)三星電子在今年7月也發(fā)布了《下一代超鏈接體驗(yàn)》6G白皮書，內(nèi)容涵蓋了三星技術(shù)研發(fā)、社會(huì)趨勢(shì)分析、新服務(wù)、候選技術(shù)及預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間表。白皮書系統(tǒng)闡述了三星6G時(shí)代的愿景，即“將‘下一代超鏈接體驗(yàn)帶入生活的每一個(gè)角落”。

美國(guó)對(duì)于6G寄予厚望，希望能以此擺脫在5G領(lǐng)域落后于中國(guó)的局面。美方認(rèn)為，5G所需要的那種地表大規(guī)?；芰Σ皇敲绹?guó)的強(qiáng)項(xiàng)，而6G的特點(diǎn)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)組建互聯(lián)網(wǎng)，基建工作大多在太空完成，主要是衛(wèi)星發(fā)射和部署工作，這與美國(guó)航天強(qiáng)國(guó)的地位吻合。另外，SpaceX公司的“星鏈”計(jì)劃也為美國(guó)直接過(guò)渡到6G提供了額外的信心。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）在今年4月26日批準(zhǔn)的方案，“星鏈”計(jì)劃將在高度為550公里和340公里的軌道面上分別部署4409顆和7518顆衛(wèi)星，總數(shù)高達(dá)11927顆。馬斯克表示，SpaceX計(jì)劃加快部署“星鏈”，其生產(chǎn)和發(fā)射速度將從每年1000顆衛(wèi)星提高到2000顆衛(wèi)星。如果SpaceX能夠堅(jiān)持這一計(jì)劃，那么兩年內(nèi)“星鏈”衛(wèi)星數(shù)量將超過(guò)其他在軌衛(wèi)星之和。

（作者為遠(yuǎn)望智庫(kù)特約研究員、察哈爾學(xué)會(huì)研究員、中國(guó)指揮與控制學(xué)會(huì)會(huì)員）