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6G新頻譜探索

6G將要用到的新頻譜、優(yōu)勢、所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)、解決挑戰(zhàn)的研究方向等如何？

下面我們來解析歐盟6G旗艦項目Hexa-X、歐盟5G-PPP SELFNET項目、德國聯(lián)邦教育和研究部（BMBF）TACNET4.0項目的相關(guān)研究成果。

6G蜂窩網(wǎng)絡(luò)將提供良好的異構(gòu)無線接入技術(shù)（RAT）能力，其中具有低射頻的傳統(tǒng)RAT和視距（LOS）相關(guān)RAT（太赫茲、VLC頻段和OWC頻段）可以共存。

THz、VLC和OWC可以在分層RAN架構(gòu)（例如微微小區(qū)）中構(gòu)建一個新的層，其中具有不同RAT的異構(gòu)小區(qū)相互重疊。

其形態(tài)類似于在5G網(wǎng)絡(luò)中引入毫米波。

一、毫米波

毫米波技術(shù)已由5G新空口部分地引入，并被認(rèn)為仍是未來6G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

與在6GHz以下工作的傳統(tǒng)射頻技術(shù)相比，毫米波6G將通過高達(dá)300 GHz的新載波頻率顯著拓寬可用帶寬。

正如香農(nóng)定理所揭示的那樣，如此巨大的新帶寬將極大提升無線電信道容量并滿足未來新興應(yīng)用對更高數(shù)據(jù)速率的迫在眉睫的渴望。

同時，更短的波長也使得天線尺寸更小。

這不僅提高了設(shè)備的便攜性和集成度，還可以增加天線陣列的尺寸，從而縮小波束，有利于檢測雷達(dá)和物理層安全等特定應(yīng)用。

此外，大氣和分子吸收在整個毫米波頻段的不同頻率上表現(xiàn)出高度不同的特性，為各種用例提供潛力。

一方面，在35GHz、94GHz、140GHz、220GHz等一些特殊頻段可以觀察到低衰減，使得在這些頻率下進(jìn)行長距離對等通信成為可能；另一方面，在某些“衰減峰值”頻段（例如60 GHz、120 GHz和180 GHz）處會出現(xiàn)嚴(yán)重的傳播損耗，這可以被具有嚴(yán)格安全要求的短距離隱蔽網(wǎng)絡(luò)所利用。

目前，毫米波領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要集中于在室內(nèi)使用的60 GHz頻段，例如ECMA-387、IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11ad。

毫米波技術(shù)也帶來了新的挑戰(zhàn)。

首先，毫米波頻段的寬帶寬和高傳輸功率會導(dǎo)致嚴(yán)重的非線性信號失真，這對集成電路提出了比射頻器件更高的技術(shù)要求。

同時，由于毫米波的有效傳輸范圍（特別是在60 GHz頻段）受到大氣和分子吸收的嚴(yán)重限制，毫米波信道通常以LOS路徑為主。

這個主要的缺點在這個短波長處的較差衍射進(jìn)一步放大，在車輛、行人甚至用戶自身人體等小規(guī)模障礙物密集存在的場景中，這會導(dǎo)致強(qiáng)烈的阻塞損耗。

高傳播損耗和LOS依賴性也顯著提高了信道狀態(tài)對移動性的敏感性，即衰落的影響比射頻頻段中的影響要強(qiáng)得多。

因此，對出色的移動性管理的需求變得空前高漲。

此外，在密集鏈路共存的場景下，尤其是在室內(nèi)環(huán)境中，不同接入點之間的干擾會很大，因此需要研發(fā)高效的干擾管理方法。

二、太赫茲通信

盡管目前有豐富的頻譜冗余，但毫米波幾乎不足以解決未來十年日益增長的帶寬不足問題。

展望6G時代，工作在更高頻率（如太赫茲或光頻段）的無線技術(shù)有望在下一代RAN中發(fā)揮重要作用，提供極高的帶寬。

與毫米波類似，太赫茲波也存在高路徑損耗，因此高度依賴定向天線和LOS信道，僅能提供非常有限的覆蓋范圍。

但是，當(dāng)有令人滿意的LOS鏈路可用時，高載頻帶來的帶寬明顯高于任何傳統(tǒng)技術(shù)，這使得同時提供吞吐量、時延和可靠性方面的超高性能成為可能。

此外，與工作在較低頻率的毫米波系統(tǒng)和工作在較高頻段的無線光學(xué)系統(tǒng)相比，太赫茲通信系統(tǒng)對大氣效應(yīng)不敏感，從而可簡化波束賦型和波束跟蹤的任務(wù)。

除了針對特定用例（例如室內(nèi)通信和無線回傳）的主流射頻技術(shù)之外，太赫茲通信被塑造成一個很好的補(bǔ)充解決方案以及具有極端服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求的未來網(wǎng)絡(luò)物理應(yīng)用的競爭選擇（例如實時VR/AR）。

此外，高載波頻率還使得天線的尺寸更小以實現(xiàn)更高的集成度。

預(yù)計在單個太赫茲6G基站中可以嵌入超過10000根天線，并且提供數(shù)百個超窄波束，從而克服高傳播損耗，同時實現(xiàn)極高的流量容量和海量連接，從而構(gòu)成其在超大規(guī)模機(jī)器類型通信中的應(yīng)用，例如萬物互聯(lián)（IoE）。

盡管如此，雖然太赫茲在許多方面優(yōu)于毫米波，但太赫茲6G也面臨著更大的技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是在實現(xiàn)基本硬件電路（包括天線、放大器和調(diào)制器）方面。

特別是，長期以來，用集成電路將基帶信號有效地調(diào)制到這種高頻載波上一直是太赫茲技術(shù)實際部署的最關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

為了解決這個問題，一些研究機(jī)構(gòu)在過去的十年中做出了巨大的努力，其中主要涉及混頻的固態(tài)太赫茲系統(tǒng)。

最近，在太赫茲系統(tǒng)中應(yīng)用空間直接調(diào)制以便將基帶信號直接調(diào)制到太赫茲頻段（而無需任何中頻）開始受到研究者的關(guān)注。

三、可見光通信（VLC）

VLC工作在400 THz到800 THz的頻率范圍內(nèi)。

與使用較低太赫茲范圍內(nèi)的射頻技術(shù)不同，VLC依賴照明源——尤其是發(fā)光二極管（LED以及圖像傳感器或光電二極管陣列來實現(xiàn)收發(fā)器。

使用這些收發(fā)器，可以輕松地以低功耗（100毫瓦 10Mbps至100Mbps）實現(xiàn)高帶寬，而不會產(chǎn)生電磁或無線電干擾。

主流LED的良好功率效率、長壽命（長達(dá)10年）和低成本，以及可以使用非授權(quán)頻段，使VLC成為對電池壽命和頻譜使用成本敏感的用例的有吸引力的解決方案，例如大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。

此外，VLC在一些非地面場景（例如航空航天和水下。這些可能是未來6G生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分）中也表現(xiàn)出比RF技術(shù)更好的傳播性能。

與RF相比，VLC中的MIMO增益非常脆弱（尤其是在室內(nèi)場景中）。

這源于傳播路徑之間的高相干性，即低空間分集。

雖然這種相干性可以通過使用間隔LED陣列以某種方式降低，但MIMO-VLC也受到接收器設(shè)計和實施的挑戰(zhàn)：非成像接收器對它們與發(fā)射器的空間對齊極為敏感，而成像接收器在成本上不適用。

因此，盡管十年來學(xué)術(shù)界不斷努力，但迄今為止還沒有將MIMO方法標(biāo)準(zhǔn)化到IEEE 802.15.7的主流VLC物理層。因此，VLC中的波束賦型與基于MIMO的射頻波束賦型不同，它是通過一種稱為空間光調(diào)制器（SLM）的特殊光學(xué)設(shè)備來實現(xiàn)的。

與毫米波和太赫茲技術(shù)類似，VLC也依賴于LOS信道，因為它既沒有穿透能力，也沒有足夠的衍射來繞過常見類型的障礙物。

同時，由于擔(dān)心相鄰小區(qū)干擾和幾乎無處不在的環(huán)境光噪聲，VLC系統(tǒng)通常需要具有窄波束的定向天線。

這些事實使得VLC系統(tǒng)對用戶的位置和移動性高度敏感，從而對波束跟蹤提出了很高的要求。另一方面，這個特性也使得VLC可以在某些使用場景中發(fā)揮優(yōu)勢，例如更好的室內(nèi)定位精度和更低的車載通信干擾。

VLC的另一個關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)源于對可見光譜的開放和不受監(jiān)管（更具體地說是“無法監(jiān)管”），與傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)相比，這意味著更高的安全風(fēng)險，對VLC系統(tǒng)提出更嚴(yán)格的安全要求。

對此，物理層安全作為一種有前途的解決方案已被廣泛研究。

四、光無線通信（OWC）

OWC是指使用紅外線（IR）、可見光或紫外線（UV）作為傳輸介質(zhì)的無線通信。

對于在射頻頻段上運(yùn)行的傳統(tǒng)無線通信來說，它是一種很有前途的補(bǔ)充技術(shù)。

在可見波段工作的OWC系統(tǒng)通常被稱為VLC，它最近引起了很多關(guān)注，并在上文第3部分中單獨討論。

無需全球通信監(jiān)管機(jī)構(gòu)的許可，光頻段就可以提供幾乎無限的帶寬。

由于光發(fā)射器和檢測器的可用性，它可以用于以低成本實現(xiàn)高速接入。

由于紅外線和紫外線波具有與可見光相似的行為，因此可以顯著限制安全風(fēng)險和干擾，并且可以消除無線電輻射對人體健康的潛在影響。

預(yù)計在智能交通系統(tǒng)中的車載通信、飛機(jī)乘客照明、對電磁干擾敏感的醫(yī)療機(jī)器等部署場景中具有明顯優(yōu)勢。

盡管OWC具有上述優(yōu)勢，但它也受到環(huán)境光噪聲、大氣損耗、LED非線性、多路徑色散和指向錯誤等缺陷的影響。

在OWC中，使用LED或激光二極管（LD）在發(fā)射器處將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，而接收器則使用光電二極管（PD）將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

通過廣泛使用的方案，如開關(guān)鍵控或脈沖位置調(diào)制，以及先進(jìn)的多載波方案（如OFDM），可簡單地調(diào)制光脈沖的強(qiáng)度來傳遞信息，以獲得更高的傳輸速率。

為了在單個光接入點支持多個用戶，OWC不僅可以應(yīng)用典型的時分、頻分、碼分多址等電復(fù)用技術(shù)，還可以應(yīng)用波分多址等光復(fù)用技術(shù)。

光學(xué)MIMO技術(shù)也在OWC中實施，其中應(yīng)用了多個LED和多個PD---就像在RF頻帶中運(yùn)行的典型MIMO系統(tǒng)一樣。

應(yīng)用圖像傳感器檢測光脈沖的光學(xué)系統(tǒng)也被稱為光學(xué)相機(jī)系統(tǒng)。圖像傳感器可以將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由于內(nèi)置攝像頭的智能手機(jī)的廣泛普及，它具有“更容易實現(xiàn)”這一優(yōu)點。

另一方面，地面點對點OWC也被稱為自由空間光通信（FSO）。

在發(fā)射器處使用高功率高集中激光束，F(xiàn)SO系統(tǒng)可以實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，即每波長10 Gbps，遠(yuǎn)距離傳輸（長達(dá)10000公里）。

它為地面網(wǎng)絡(luò)中的回傳瓶頸提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，實現(xiàn)了空間、空中和地面平臺之間的交叉鏈接，并促進(jìn)了新興LEO衛(wèi)星星座的高容量星間鏈路。

此外，由于用于非視距紫外通信的固態(tài)光發(fā)射器和檢測器取得了最新進(jìn)展，OWC有望提供廣泛的覆蓋范圍和高安全性。

五、6G動態(tài)頻譜管理（DSM）

除了在更高頻率上不斷挖掘未使用的頻譜之外，業(yè)界對6G帶寬繁榮的愿景還有第二種方法——通過DSM提高無線電資源利用率。

有關(guān)DSM的想法可以追溯到IEEE 802.11中應(yīng)用的著名的會話前偵聽（LBT）協(xié)議，該協(xié)議在基于競爭的頻譜訪問控制中平等地對待所有用戶。

在免授權(quán)的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段，LBT在碰撞和干擾控制方面取得了巨大成功。

同時，在授權(quán)頻譜方面，“受監(jiān)管接入”導(dǎo)致的頻譜利用不足，比頻譜的物理稀缺性更重要。

這一事實引起了學(xué)術(shù)界對具有異構(gòu)RAT和不同優(yōu)先級以訪問許可/未許可頻段的各種系統(tǒng)之間類似LBT的動態(tài)頻譜共享領(lǐng)域的強(qiáng)烈研究興趣。

在軟件定義無線電技術(shù)的成功發(fā)展的激勵下，這些研究工作催生了認(rèn)知無線電（CR）技術(shù)，并在本世紀(jì)的第一個十年迅速成熟。

自LTE時代以來，研究授權(quán)蜂窩系統(tǒng)和非授權(quán)ISM頻段技術(shù)共存下的DSM已成為無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的一個熱門課題。

對于未來的6G系統(tǒng)，對DSM的需求變得前所未有的迫切。

一方面，無線接入ISM頻段（尤其是IEEE 802.11頻段）幾乎成為當(dāng)今主流蜂窩終端的標(biāo)準(zhǔn)功能，成為在用戶密集場景下提供更大網(wǎng)絡(luò)容量的通用解決方案。

另一方面，由于不可能將6G新頻譜的寬頻帶保留給許可使用（尤其是可見光頻譜），預(yù)計6G系統(tǒng)在其頻譜的未許可部分將受到無處不在的干擾。

其他系統(tǒng)和環(huán)境噪聲是高度動態(tài)的和環(huán)境相關(guān)。

因此，6G系統(tǒng)必須能夠根據(jù)瞬時情況動態(tài)來認(rèn)知地選擇最合適的工作頻段。

6G DSM面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

在硬件實現(xiàn)上，6G新頻譜的廣泛性導(dǎo)致設(shè)計具有動態(tài)全頻譜感知能力的收發(fā)器存在困難。

6G前端必須能夠在超寬的6G頻段上進(jìn)行快速高效的頻譜感知，從而實現(xiàn)在線無線電環(huán)境認(rèn)知和頻譜接入的及時適應(yīng)。

在系統(tǒng)層面，為了提高DSM的效率和安全性，基于頻譜感知的物理層CR需要通過對信息物理層上下文信息的感知來進(jìn)一步完成，以獲得對通信環(huán)境（包括地形場景、通信模式、當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)等）的更深入的理解。

這導(dǎo)致了上下文感知的各個方面（從數(shù)據(jù)供應(yīng)到數(shù)據(jù)所有權(quán)）的挑戰(zhàn)。

以上信息由英利檢測（Teslab）整理發(fā)布，如有出入請及時指正，歡迎一起討論，我們一直在關(guān)注其發(fā)展，如有引用也請注明出處。

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