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5G剛剛商用,6G競賽就已正式開打!

  芯智訊  2019-11-08 00:00:00   林子
在5G核心標準上,只有約1/3是由中國主導,期待6G研究更上一層樓

波斯波利斯遗址 www.byucji.com.cn 本文來自微信公眾號“芯智訊”(ID:icsmart),世界經理人經授權轉載。

116日消息,國家科技部會同國家發展改革委、教育部、工業和信息化部、中科院、自然科學基金委在北京組織召開了6G技術研發工作啟動會。

據了解,會議宣布成立國家6G技術研發推進工作組和總體專家組,其中,推進工作組由相關政府部門組成,職責是推動6G技術研發工作實施;總體專家組由來自高校、科研院所和企業共37位專家組成,主要負責提出6G技術研究布局建議與技術論證,為重大決策提供咨詢與建議。

科技部表示,6G技術研發推進工作組和總體專家組的成立,標志著我國6G技術研發工作正式啟動。

科技部副部長王曦當天指出,目前全球6G技術研究仍處于探索起步階段,技術路線尚不明確,關鍵指標和應用場景還未有統一的定義。在國家發展的關鍵時期,要高度重視、統籌布局、高效推進、開放創新。

今天(117日),5G芯片供應商紫光展銳也宣布,已啟動6G相關技術的預研和儲備,對太赫茲通信、軌道角動量、甚大規模天線系統、甚高通量編解碼、天地一體通信網等潛在6G關鍵技術進行了探索,并制定了6G技術原型研發推進規劃。

而在此之前的9月份,國內領先的5G技術供應商華為創始人任正非在接受外媒采訪就透露,華為早已開始了對于6G研究,華為的6G技術“也是領先世界的”。另外,今年6月,華為也曾向加拿大媒體確認,其已經開始在加拿大渥太華的實驗室進行6G網絡研發。

雖然,目前5G才剛剛開始商用,但是圍繞著6G技術及標準的主導權的爭奪已經正式開始。

一、什么是6G?

5G不同,6G將著力解決海陸空天覆蓋等地域受限的問題,包括整合衛星通信,以便實現全球的無縫覆蓋。同時,6G還將向更高頻段擴展以獲取更大傳輸帶寬如毫米波、太赫茲、可見光等,以滿足流量、連接數急劇增長的需求。預計單終端峰值速率指標可以達到100Gbps以上,設備連接的密度可能會增長到每立方米數百個設備。

由學術界和工業界在不同的論壇提出的一般的6G目標

根據一些領先的供應商已經發布了6G要求的初始草案顯示,6G的各項關鍵指標,相比5G要提高10-100倍。

此外,6G還將進一步增強 IT+CT+DT 的跨界融合,結合人工智能、大數據、云計算、區塊鏈、新電池技術與量子信息等多項關鍵技術突破,不斷推動通信技術變革。

目前 6G 仍處于研究啟動階段,具體的需求及技術方向仍不明朗,中美日韓競爭依然激烈,誰搶占先機誰就將獲得更大的話語權。預計中美貿糾紛會加劇 6G 標準爭奪的激烈程度,當然也不排除為了進一步國產替代、自主可控,最終全球會衍生出多套 6G 標準。

按照 6G 目前 2030 年商用的計劃,預計 5G 生命周期至少能夠維持 10 年,5G 是承上啟下的一代通信技術,將個人通信進一步拓展到行業應用及物-物的通信,而 6G 將會進一步促進通信與行業應用及地域拓展的深度融合。通信技術的不斷升級有效帶動經濟發展,未來通信技術創新勢不可擋。

二、6G 需求核心驅動—海陸空天一體化

1、5G 三大基礎場景對應三大應用需求

(1) eMBBEnhance Mobile Broadband),增強型移動寬帶。核心:Gbps 級的傳輸速率,滿足高清視頻、AR/VR 等大帶寬需求。

(2) uRLLCUltra Reliable & Low Latency Communication),低時延、高可靠通信。核心:1ms 的空口間時延,滿足車聯網、無人駕駛、遠程醫療等低時延、高可靠需求。

(3) mMTCMassive Machine Type Communication),海量物聯網連接。核心:100 萬個/平方公里的連接密度,滿足物聯網、智慧城市等海量接入需求。

2、5G 非通信技術終點,覆蓋地域仍受限

目前全球移動通信服務的人口覆蓋率約為 70%,但受制于經濟成本,技術等因素,僅覆蓋了 20%的陸地面積、小于 6%的地球表面積。以我國為例,5G 時代仍會有 80%以上的陸地面積、95%以上的海洋面積無移動網絡信號。

5G網絡覆蓋

3. 海陸空天一體化為 6G 新增需求,擴展頻段+覆蓋成就泛在移動通信

1)、6G 需求(5G 增強):流量、連接數急劇增長,跨界融合是關鍵

2030 年,通信用戶流量與連接數將急劇增長,預計 2030 年我國流量增長約 100+倍,AR/VR/MR、裸眼 3D、8K UHD 等現有應用需求維度更為多元與深入。預計 2030 年全球物聯設備接近 1 千億,中國超過200 億。

中國移動數據流量

同時 6G 可以增強 IT+CT+DT 的跨界融合,需結合人工智能、大數據、云計算、區塊鏈與量子信息形成關鍵技術突破和能力儲備,使設備具備通信、計算、導航、感知等多種能力。

2)、6G 新增需求:海陸空天一體化,頻段+覆蓋不斷擴展

相對于 5G 的不同,6G 將著力解決海陸空天覆蓋等地域受限的問題,包括整合衛星通信,以便實現全球的無線覆蓋。

6G新增需求

同時,6G 還將向更高頻段擴展以獲取更大傳輸帶寬如毫米波、太赫茲、可見光等,進一步滿足業務發展需求。

三、6G八大關鍵技術,促使通信技術升級

1、機器學習與AI加強

網絡的復雜性、連接設備的數量“劇增”,將導致網絡從經驗中自我學習、自我優化、自我進化并靈活地提供各類新服務。

6G時代人與機器將和諧地互聯、共存,全新的未來業務類型可能是智能體之間的智能互聯。除了媒體數據、傳感數據、控制數據等傳統數據外,AI驅動的“智慧傳輸”將會是占據6G網絡的全新數據類型,智能體間將能分享和傳遞AI信息,形成真正意義上的“智慧互聯”時代。

2、靈活頻譜共享提升效能

傳統專用頻譜分配方式使得頻譜資源分配已滿但利用率低下,導致移動通信系統面臨頻譜需求高但頻譜資源嚴重短缺的矛盾。ITU-RWP5D頻率需求報告指出,2020年全球和中國的頻譜資源缺口為上千兆赫茲。

頻譜資源

基于情景的、每秒級別的動態頻率分配,將更為高效地使用較低頻段中的寶貴無線電頻譜。AI、區塊鏈等技術的綜合應用有助于動態頻譜分配及頻譜使用效率的提高。

3、新電池與無線能量傳輸提升性能

更高速率的數據傳輸、更龐大的連接數量和更廣泛的范圍覆蓋,必然會帶來能耗和成本的提升,這也使得高能效、低成本的系統化解決方案成為了推動6G的關鍵要求。

6G時代,我們可能需要固態電池、石墨烯電池等新電池技術,具備更高能量、更低成本、更長續航里程、更便于攜帶等特性。無線能量傳輸在一定條件下可能是延長電池使用壽命、避免頻繁充電的可行方法。

4、自由空間光通信有待突破

光學自由空間通信是在室內場景中實現Tbps數據速率的關鍵推動力,也是用于高速接口的解決方案,是6G的可行技術。隨著所謂的太赫茲(THz)差距不斷縮小,電子和光學器件為超高速接口和可見光通信帶來了互補的機會。這是6G領域中與特定但廉價的光學組件和系統解決方案進行短距離鏈接的機會。

光學自由空間通信將使得6G時代的室內外無線通信場景具備高數據速率,因此需要釋放可見光的低頻段無線電頻譜以用于大范圍使用。

5、太赫茲(THz)通信與Sub-太赫茲(Sub-THz)通信規模應用

對于未來的網絡,6G將需要更寬的無線電帶寬,但只能在THzSub-THz頻段找到。該頻譜的利用帶來了許多挑戰,但也帶來了機遇。因此,盡管6G還將利用較低頻率上的所有現有和未來頻帶作為移動蜂窩大面積覆蓋的推動力,但無線電硬件研究將主要集中在該頻譜領域。超高效的短距離連接解決方案將是6G的關鍵,而6G是未來更高頻段可以發揮作用的領域。

不過,分子吸收對路徑損耗具有重大影響,尤其是在距離較長時(在高達400GHz的頻率下約為1…10dB/km)。但是,對于本地連接而言,與自由空間損耗相比,影響仍然很小,并且可以將THz無線電頻譜劃分為500GHz以上的大氣吸收峰之間的有利頻譜窗口。除技術界限外,在對無線電頻譜進行分類時,還應考慮各種材料的滲透和表面的反射。


光譜窗口,自由空間損失和水汽吸收的影響距離為10米

下圖給出了可用于5G6G的頻帶的基本特性。應注意的是,從30GHz開始進入THz區域時,自由空間損耗的增加非常小。如果天線面積保持恒定,則通過增加天線增益來補償自由空間損耗。而不是自由空間的損失,較高頻率的缺點是RF硬件的復雜性和并行性增加,并且波束寬度減小,這在移動應用中產生了信號采集和波束跟蹤的問題。

當前許多物聯網場景都受范圍,成本和電池限制,無法輕易擴展到更高的頻率。相反,諸如傳輸全息視頻之類的數據速率密集型方案要求帶寬即使在當前的毫米波頻譜中也不可用。需要根據子帶的吸收和反射特性來安排THz頻譜的頻譜利用,以優化通信和其他應用的使用和重用。具體而言,在支持多種應用的方案中,必須通過仔細的頻率規劃來防止諧波產物的重疊。由于弱信號檢測中的靈敏度是關鍵瓶頸之一,因此在頻率調節中應優先考慮采取預防措施。

太赫茲通信是一個跨學科、跨專業的復合型技術領域,不僅需要通信技術的發展和突破,還需要高性能器件做支撐,尤其是大功率GaN太赫茲二極管的制備、大功率太赫茲固態電子放大器、高效率太赫茲倍頻器混頻器、高速高效的太赫茲調制器、高靈敏太赫茲相干接收器、太赫茲高速基帶等方向。

6、大量使用多天線系統

當把THz、Sub-THz、可見光的頻譜新增用于6G時代的移動通信系統之后,將需要運營商們能夠利用多射線傳播的多個天線系統,以獲得更大的吞吐量,并用于精確定位以及無線能量傳輸。6G時代,基于超材料的大規模陣列天線的小型化與集成化將更為重要。

7、面向“大規模無線網絡”接入方案

預計在6G時代,每平方米范圍內平均會有超過10個無線終端設備,因此需要新的接入機制來以高效及可擴展的方式處理大量非正交用戶數據。非正交多址接入技術(NOMA)將在6G時代蓬勃發展,在非正交多址系統中引入極化編碼,從廣義極化的觀點出發,優化信道計劃分解方案。

8、網絡安全不斷突破

6G時代可能將非個人設備用于個人通信,這將對生物認證和隱私帶來諸多新的挑戰。所以6G時代將需要采取全新的無線安全方案以使得相關通信系統能夠應對由量子計算機發起的攻擊。

四、5G第一梯隊—中美日韓,6G時代競爭更為激烈

2018716-27日,ITU-T第十三研究組全會召開,決定成立“網絡2030”焦點組,面向2030-2040年的未來網絡架構、需求、能力于用例,保持后向兼容,支持當前以及未來新應用。2019325日,在IEEE的發起之下,全球第一屆6G無線峰會在芬蘭召開,邀請了工業界和學術界發表對于6G之最新見解和創新,探討實現6G愿景需要應對的理論和實踐挑戰。2019520-24日,IEEE2019年國際通信會議(ICC2019)召開,大會主題為“EnpoweringIntelligentCommunications(賦能通信)”?;嶸現詼嘧壹耙的諶聳慷?span>6G時代如何實現智能通信的賦能展開了深入探討。

1、5G時代,中美日韓處于第一梯隊

CITAAnalysisMason的數據顯示,在目前5G時代,中國在全球主要國家的5G競賽中處于領先地位,與中國同處第一梯隊位置的還有韓國、美國和日本。

5G時代

lplytics統計,截至今年615日,在全球5G標準必要專利當中,中國廠商的5G標準必要專利(SEP)占比高達36%,韓國占25%,美國和芬蘭各占13%,瑞典占9%。而在企業公司的5G標準必要專利上,華為成了行業“領頭羊”,其5G標準必要專利申請量為2160項,占比18%,領先第二名的諾基亞600余項(諾基亞為1516項)。

2、6G硝煙再起,強者恒強

中國:目前國內IMT2020新技術工作組已開始開展6G的總體研究,科技部2018-2019重點專項中11項與6G相關,信通院等單位牽頭負責《后5G/6G系統愿景與需求研究》。2019426日,毫米波太赫茲產業發展聯盟在京成立,該聯盟由信通院與產業界、科研院所等相關企業和專家共同籌建,旨在加快我國毫米波太赫茲產業發展,提升我國在通信領域的技術水平與產業化能力。同時由國家發改委、工信部、科技部共同支持舉辦的未來移動通信論壇(“Future論壇”)已發布《ApeekBeyond5G》等36G相關白皮書。ITU-T啟動的FGNET2030研究,中國運營商也深度參與。2019116日,6G技術研發工作啟動會召開,國家6G技術研發推進工作組和總體專家組正式成立。

美國:6G的研發推進以政府資助高校的模式為主,重點研發“融合太赫茲通信與傳感”的項目。近期,美國聯邦通訊委員會已經正式投票決定將太赫磁波開放給6G技術試驗使用。

日本:6G的研究工作以國內最大電信運營商NTTDoCoMo為主體,主攻太赫茲、軌道角動量等方向。

韓國:主要由三星負責6G技術預研。據韓國亞洲日報64日報道,三星電子已經成立了新一代通信研究中心,由6G研究組等先導解決組和標準研究組構成。

歐盟:歐盟2017年成立由德國、希臘、芬蘭、葡萄牙、英國等跨國TERRANOVA計劃,明確提出研發超高速太赫茲創新無線通信技術。歐洲電信標準化協會(ETSI)也逐步開展6G基礎技術的研究項目及其他研發方向的征詢工作。

跨區域的合作:近日,索尼、英特爾和NTT(日本電話電報公司)宣布,它們將合作開發6G移動網絡技術。

3、規劃:R20后標準滿足6G需求,面向2030年商用

當下6G研究剛剛開始,預計2030年實現商用。

6G目前的主要進度:依據5G發展的實際情況,一方面分析現有系統的不足,另一方面分析未來的潛在業務需求,從而總結出未來移動通信系統的特征,設計未來移動網絡需求愿景,并進一步探討頻率需求、技術和運營挑戰、潛在創新機會等問題,并指出5G階段不能滿足從而需要進一步發展的6G需求。預計6G的眾多需求將于R20以后的標準版本加以滿足,2030年實現商用。

6G規劃

小結:

目前6G仍處于研究啟動階段,雖然未來具體的需求及技術方向仍不明朗,但是這并不影響各國、各大通信企業提前研究和布局。與之前的5G一樣,在標準正式確定的多年之前,業界圍繞關鍵技術方向和專利的布局早已展開。

以展銳為例,其在201412月正式啟動5G研發,組建了5G團隊。但是,直到3年半之后,20186月,首個國際5G標準才正式凍結。相比之下,高通、華為等廠商的5G研發啟動時間更早。

同樣,對于6G研發來說,需要一邊開展5G研發,一邊參與6G標準制定和對于6G標準進行預判,采用雙向解讀的討論形式,幫助研發團隊正確的理解6G標準,最終推動標準向有利于自己的方向發展。說白了,只有在6G領域擁有足夠強的技術實力和專利布局,才能夠有話語權,才能主導全球6G標準。而各國、各個通信大廠的紛紛啟動6G研發,也正是為爭奪未來6G標準的主導權。

雖然目前中國已經在5G領域取得了領先的優勢,甚至在一定程度上超越了美國,特別是在5G商用方面。但是,不可忽視的是,在5G核心標準上,只有約1/3是由中國主導的。

此外,在6G領域,美國方面有著一定的先發優勢,特別是在衛星通信技術方面。且不說美國政府在衛星通信技術上領先性,即便是美國商業航空技術公司也是不容小覷。

埃隆·馬斯克的SpaceX公司的“星鏈計劃”,就準備在2025年之前,發射12000顆衛星,組成一個覆蓋地球無死角的“WiFi”。而在SpaceX之前,美國OneWeb公司的“星座互聯網衛星系統”也計劃發射900顆衛星,其中有720顆衛星將被發射到1200km軌道以提供全球互聯網連接,使得用戶不論何時身處何處,都能接收到OneWeb衛星提供的無線信號。此外,亞馬遜的貝索斯也計劃利用衛星組網,計劃是將3236顆網絡衛星送入太空,提供互聯網服務。

相比之下,中國目前的優勢主要還是在于地面基站的廣泛覆蓋。此前有數據顯示,雖然中國與美國領土差不多,但是中國建了500多萬個信號基站,而美國只有20萬個。而對于6G來說,要解決海陸空天覆蓋等地域受限的問題,不僅要整合地面通信,也需要整合衛星通信。因此,中國從政府層面加緊提前啟動6G的正式研發也是非常的明智的。

從目前的情況綜合來看,未來的6G的爭奪主角必然將是中美。而到下一個十年,20306G商用之時,中美兩個超級大國之間的格局也或將出現新的變化。

資料來源:國泰君安、36kr

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