6G：未来通信技术的展望与挑战

sun2300

6G移动通信：未来通信技术的展望与挑战

摘要：
随着5G技术的深入应用与普及，全球通信行业开始将目光投向下一代移动通信技术——6G。本文详细阐述了6G移动通信的基本概念、关键技术、潜在应用场景以及面临的挑战，并对其未来发展进行了展望。通过全面剖析6G移动通信，旨在为相关研究者和从业者提供有价值的参考。


一、引言

随着移动互联网的迅猛发展，人们对通信技术的需求不断提高。5G技术的广泛应用，为各行各业带来了前所未有的变革，然而，随着物联网、人工智能、大数据等技术的快速发展，现有的5G技术已难以满足未来社会的需求。因此，研究和发展6G移动通信技术具有重要的战略意义。

二、6G移动通信概述
   6G是指第六代移动通信技术（6th Generation Mobile Communications），是5G的升级版本。6G在通信速率、延时能耗、覆盖范围、安全性和智能应用等方面拥有更多的优势。6G通信主要技术包括太赫兹技术、地面通信技术、空间复用技术、可见光通信技术等各方面。6G移动通信，作为下一代通信技术，旨在为用户提供更加快速、可靠、智能的通信服务。与5G相比，6G将在传输速率、时延、连接密度等方面实现显著提升，同时，还将实现更加广泛和深入的网络覆盖，以满足未来各种应用场景的需求。
自20世纪80年代第一代模拟通信系统被推出后，基本每隔10年就会有新一代的通信系统被推出。2019年3月，全球首届6G峰会起草了第1份6G白皮书，阐明6G发展的基本方向。2020年11月6日，全球首颗6G试验卫星“电子科技大学号”成功升空，并顺利进入预定轨道。2024年2月26日，美澳日韩英等十国就6G无线通信系统研发的共同原则达成一致并发表联合声明。
6G未来的场景应用价值主要体现在数据的广泛且规模化采集、交互的实时性、获得的便捷性等，从而获得更加精准的数字化模型、更加高价值的运算结果、跨地域跨时间的体验、更加智能化的反馈与服务。截止到2022年7月，全球前20的6G研发机构中如华为、三星、LG等都开始设立相应的研究计划，中国企业实力靠前，华为6G专利申请量全球第一（共申请6G相关专利890件），中兴排名第二（共申请6G相关专利721件），二者是全球6G技术研发的领军企业。

三、6G移动通信的关键技术

6G太赫兹技术，更高的频谱效率与频段拓展
6G移动通信将充分利用更高频段的频谱资源，如毫米波、太赫兹等，以实现更高的数据传输速率。此外，通过采用先进的调制编码技术、多址接入技术等，提高频谱效率，进一步满足高速率通信的需求。
6G太赫兹技术就是亚毫米波技术模式，随着频率的增高，传输波长会随之变短，而对应的带宽范围则会不断扩张，一定时间内通信系统的数据传输量也会从少量变为多量。
6G通信需在5G基础上拓展频谱资源，使用前期未能应用的太赫兹频段。太赫兹波的频谱介于微波与远红外光频谱之间，频率为0.1THz~10THz，波长为30~3000μm。太赫兹通信是Tb/s 级宽带无线接入技术的重要研究方向，具有传输速率高、频谱资源丰富、抗感染能力强和易于实现通信探测一体化等优势，可作为6G空口传输方式的重要补充，在全息通信、微小尺寸通信、超大容量数据回传、短距超高速传输、高精度定位、高分辨率感知等业务场景具有更好的应用价值。

极致的网络覆盖与容量提升
6G将致力于实现全球无缝覆盖，包括偏远地区、深海、太空等。同时，通过采用更先进的网络架构和传输技术，提升网络容量，满足海量设备接入和数据传输的需求。
6G网络空间复用技术
空间复用技术是指在同样的频率资源下，利用不同的时、空、功率、编码等技术实现多用户共享通信资源的技术。在空间复用技术应用的过程中，6G移动通信网络能实现上千个无线外部连接的同时接入处理，并且实际接入的容量也将是5G移动通信技术的1000倍。地面无线和卫星通信集成技术，5G的通信对象集中在陆地地表10km以内高度的有限空间范围，无法实现“空天海地”无缝覆盖的通信愿景，因此，5G并不能真正实现“全球全域”和“万物互联”。
6G地面无线和卫星通信集成技术可以将地面无线和卫星通信进行集成，以达到更高的网络容量、更广泛的覆盖范围和更好的通信服务质量等目的。
空天地海一体化通信技术
6G无线网络将覆盖太空、陆地、海洋、空中等空间，陆地通信系统将与卫星通信系统、海洋通信系统深度融合。
空天地海一体化网络以陆地通信系统为基础，为空基(飞机、无人机、热气球通信网络)、天基(卫星通信网络)、地基(陆地通信网络)、海基(海洋水下通信+近海通信网络+远洋船只／岛屿通信网络)用户活动提供信息保障。通过空天、空地、星间、星地链路将陆海空域内的各种用户和飞行器密集联合在一起。

人工智能与通信的深度融合
6G将充分利用人工智能技术，实现网络资源的智能调度、优化和管理。通过实时分析网络状态和用户行为，智能调整网络参数和策略，提高网络性能和用户体验。此外，人工智能还将应用于6G的安全防护和隐私保护等方面，提升网络的安全性和可靠性。
6G将利用AI、边缘计算、端到端分布式安全和大数据分析等技术，实现从互联IoT设备到互联智能IoT设备的转变。通过AI和IoT的结合，形成一个高度可持续、安全和成本效益高的网络，使供应商能够为各种行业垂直市场提供智能服务。
6G网络在高密度网络、天线阵列和数据量等方面将有全面性的提高，AI技术可贯穿于6G网络的每个环节，加强对网络、业务、用户等多维数据的感知学习，从而高效地实现地面、卫星、终端等设备之间的无缝连接和实时高速切换，并最终实现自主自治网络。
人工智能(AI)技术，通过对网络中的大量数据(网络数据、业务数据、用户数据等)进行分析与学习，进而对传输链路、网络节点的状态或资源进行及时调整，持续优化升级网络自主进化管理(可使用性、可修改性、可维护性、可扩展性等)，从而提升移动通信网络运行效率，明显改善用户业务体验。

终端智能化与多元化
6G时代，智能终端将更加智能化和多元化。随着传感器、处理器等技术的不断进步，智能终端将具备更强的感知、计算和交互能力。同时，6G将支持多种类型的终端接入网络，包括可穿戴设备、智能家居、无人驾驶汽车等，实现万物互联。

四、6G移动通信的潜在应用场景

智慧交通与自动驾驶
6G将为智慧交通和自动驾驶提供强大的通信支持。通过实现车辆与车辆、车辆与基础设施之间的实时信息交互，提高交通效率和安全性。同时，6G还将支持高精度地图和定位技术，为自动驾驶提供更加精准和可靠的导航服务。

远程医疗与健康监测
6G将支持高清视频传输和实时数据分析，为远程医疗提供强有力的技术支撑。医生可以通过远程视频会诊、手术指导等方式，为患者提供更加便捷和高效的医疗服务。同时，6G还将支持健康监测设备的实时数据传输和分析，帮助用户及时了解自身健康状况并进行预防和治疗。生命科学基于太赫兹技术要点，将应用在人体局部成像、疾病医疗诊断、实时性跟踪人体特征等领域中，从而提高医疗发展水平。天文观测，基于技术要点实现以宇宙背景为核心的数据信息汇总管理。

基于全息通信的扩展现实技术（XR）
未来的全息通信将打通虚拟与真实场景的界限，实现人、物及环境的3D动态交互，通过自然逼真的视觉还原使用户体现身临其境的极致体验。交互式全息技术要求要有极高的传输能力和空间三维显示能力。另外，全息通信也将给6G移动通信系统带来高吞吐量、高可靠性和低时延要求。6G时代全息通信将广泛应用于文化娱乐、教育医疗、社会生产等众多领域。

工业互联网与智能制造
6G将助力工业互联网的发展，实现设备间的实时通信和协同工作。通过实现设备间的数据共享和智能分析，提高生产效率和质量。同时，6G还将支持工业自动化的深入应用，推动制造业向智能化、绿色化方向发展。
互联网机器人和自主系统，互联机器人和自主系统，包括无人机配送系统、无人驾驶汽车、无人机机群、自主机器人等，将成为6G时代最重要的应用之一。2030年以后，世界上将有数以亿计接入6G网络的自动驾驶车辆，每一辆车都将配备许多传感器，包括摄像机、里程计、扫描仪和雷达等。6G网络将有助于互联网机器人和自主系统的部署，运输和物流都将变得更为高效。
智能工厂
利用6G超高速率、超可靠、超低时延和海量连接数等特性，可以对工厂车间内的机械车床、原材料、半成品、产品等生产要素实时监测采集，利用AI和边缘计算技术，实时下达指令，提升制造的效率和精度，真正做到智能制造。
智慧城市与智能生活
6G将为智慧城市的建设提供强大的通信基础。通过实现城市各领域的智能化管理和服务，提高城市治理水平和居民生活质量。同时，6G还将支持智能家居、智能安防等应用的深入发展，让人们的生活更加便捷和舒适。