6G无线热点技术研究白皮书.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.70M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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1. 引言

2. 6G信道仿真技术的发展

2.1 面向6G的高性能射线跟踪仿真技术

2.2 面向6G应用场景与关键技术的射线跟踪信道仿真

2.3 高性能射线跟踪信道仿真技术的未来发展趋势

3. 6G宽带系统综述

3.1 基于用户需求的内生智能虚拟随愿网络

3.2 “空-天-陆-海”全维度网络架构与实现

3.3 人工智能算力与移动通信的结合

3.4 大带宽与全频谱协作

3.5 6G空口技术

4. 轨道角动量技术

5. 宽带太赫兹器件的发展

6. 6G太赫兹无线通信平台的构想

6.1大容量基带处理技术的分析

6.2 太赫兹射频技术

6.3 太赫兹天线技术

7. 6G太赫兹无线平台新波形的研究

7.1 候选太赫兹新波形研究

图7-1 太赫兹信号候选新波形时域数据的基本符号结构

7.2 新型调制方式研究

7.3 波束管理研究

8. 86G核心技术研究的未来展望

8.1 空天地一体化

8.2 太赫兹通信技术

8.3 电磁波轨道角动量技术

8.4 智能反射表面技术

8.5 可见光通信照明定位融合方向

8.6 区块链与无线网络融合方向

鸣谢

6G 无线热点技术研究白皮书（2020 年）广东省新一代通信与网络创新研究院清华大学，北京邮电大学，北京交通大学中国联合网络通信有限公司，中兴通讯股份有限公司中国科学院空天信息创新研究院 2020 年 9 月 1

目录 1. 引言 ........................................................................................................................................3 2. 6G 信道仿真技术的发展 .........................................................................................................4 2.1 面向 6G 的高性能射线跟踪仿真技术 .................................................................................4 2.2 面向 6G 应用场景与关键技术的射线跟踪信道仿真 ...........................................................6 2.3 高性能射线跟踪信道仿真技术的未来发展趋势 ..................................................................8 3. 6G 宽带系统综述 ....................................................................................................................8 3.1 基于用户需求的内生智能虚拟随愿网络.............................................................................8 3.2 “空-天-陆-海”全维度网络架构与实现 .............................................................................9 3.3 人工智能算力与移动通信的结合 ..................................................................................... 11 3.4 大带宽与全频谱协作 ....................................................................................................... 11 3.5 6G 空口技术 .................................................................................................................... 12 4. 轨道角动量技术 ................................................................................................................... 13 5. 宽带太赫兹器件的发展 ........................................................................................................ 16 6. 6G 太赫兹无线通信平台的构想 ........................................................................................... 19 6.1 大容量基带处理技术的分析 ............................................................................................ 19 6.2 太赫兹射频技术 .............................................................................................................. 20 6.3 太赫兹天线技术 .............................................................................................................. 21 7. 6G 太赫兹无线平台新波形的研究 ........................................................................................ 21 7.1 候选太赫兹新波形研究 ................................................................................................... 22 7.2 新型调制方式研究 .......................................................................................................... 23 7.3 波束管理研究 ................................................................................................................. 23 8. 86G 核心技术研究的未来展望 ............................................................................................. 24 8.1 空天地一体化 ................................................................................................................. 24 8.2 太赫兹通信技术 .............................................................................................................. 25 8.3 电磁波轨道角动量技术 ................................................................................................... 26 8.4 智能反射表面技术 .......................................................................................................... 27 8.5 可见光通信照明定位融合方向 ........................................................................................ 28 8.6 区块链与无线网络融合方向 ............................................................................................ 29 鸣谢 .......................................................................................................................................... 30 2

1. 引言信息通信业是构建国家信息基础设施，提供网络和信息服务，全面支撑经济社会发展的战略性、基础性和先导性行业。随着互联网、物联网、云计算、大数据等技术加快发展，信息通信业内涵不断丰富，从传统电信服务、互联网服务延伸到物联网服务等新业态。当前，万物互联、信息互通，互联网日益成为人们生产和生活的基础和平台，极大提高了人们对世界的认知能力。目前，5G 在世界范围内开始进行商用，业务范围和生态圈基本成熟，需要我们同步前瞻未来信息社会的通信需求，启动 6G 移动通信系统概念与技术研究。 6G 技术对数据传输速率、连接数量、时延等一系列指标有着较高要求，6G 时代将会在现有的场景上扩展到更广泛的层面和空间，真正实现空天地海全覆盖的网络，实现任意设备之间的信息传输，即真正进入万物互联时代。在 6G 研究领域，国际通信技术研发机构相继提出了多种实现 6G 的技术路线，但这些方案都处于概念阶段，能否落实还需验证。较具代表型的技术路线有：韩国 SK 集团信息通信技术中心曾在 2018 年提出了“太赫兹＋去蜂窝化结构＋高空无线平台（如卫星等）”的 6G 技术方案，不仅应用太赫兹通信技术，还要彻底变革现有的移动通信蜂窝架构，并建立空天地一体的通信网络。三星研究院新设了一个"下一代通信研究中心"，配合 5G 商用化服务的扩张，加强移动通信先导技术和标准方面研究组织的功能和作用。美国贝尔实验室也提出了“太赫兹＋网络切片”的技术路线。这些方案在技术细节上都需要长时间试验验证。目前随着各国及产业界 6G 研究的推进，6G 通信的愿景，场景和基本指标已经有了新的进展。相比于现行的 5G 通信，6G 通信网络将与云计算、大数据和人工智能进一步集成。为解决未来高度智能、高度数字化和高度信息化社会对无线传输的需求，6G 无线网络在无线连接的维度，广度都将有巨大的提升，支持诸如超大带宽视频传输，超低延时工业物联网，空天地一体互联等诸多场景。为支持上述愿景和应用，6G 通信系统的性能要求必须实现如 1Tbps 超大峰值速率和 1Gbps 超大用户体验速率，超低延时 0.1ms 和高移速通信，超高频谱利用率等。本白皮书将 6G 无线通信中各热点技术的应用和发展进行梳理。广东省新一代通信与网络创新研究院于 2019 年开始联合清华大学、北京邮电大学、北京交通大学、中国科学院空天信息创新研究院、中兴通讯股份有限公 3

司等优势资源，共同开展“6G 热点候选技术原理研究与验证”项目的研究。后来，中国联合网络通信有限公司和本研究团队基于项目的研究成果，对 6G 无线通信的新技术的现状和后续发展方向及产业化能力延续评估并提出思考，进一步推动 6G 无线通信的研究和产业化发展，为 6G 未来的研究提供有力支撑。 2. 6G 信道仿真技术的发展第六代移动通信技术（6G）将在第五代移动通信技术（5G）的基础上继续深化移动互联，不断扩展万物互联的边界和范围，提供全球覆盖，最终实现万物互联。6G 将在 5G 的基础上从陆地移动通信网路扩展至空天地海一体化通信网络，包括卫星通信网络、无人机通信网络、陆地超密集网络、地下通信网络、海洋通信网络等。为了满足超高传输速率和超高连接密度的应用需求，包括毫米波、太赫兹在内的全频谱和信号高效传输新方法将被充分探索和挖掘。为了满足人与人、物与人、物与物的角度出发，未来 6G 将带来超能交通、智能交互、通感互联网、全息无线电等全新的应用场景。因此，为了支持 6G 更为多元的应用、更加精致的技术需求，为了 6G 更为有效的设计、部署和评估，准确的信道信息变得至关重要。 2.1 面向 6G 的高性能射线跟踪仿真技术作为确定性信道建模方法的代表，射线跟踪（Ray-tracing, RT）于上世纪 90 年代开始用于无线通信的研究。它能够准确地考虑到电磁波的各种传播途径，包括直射、反射、绕射、透射等，并能考虑到影响电波传播的各种因素，从而针对不同具体场景做准确的预测。但它受限于计算复杂度和计算能力，应用复杂度较高。近年来，射线跟踪技术在 5G 已得到越来越多的关注和认可，在愈发精细化、智能化的 6G 也将得到进一步的应用，其深层原因有三: ①为 6G 提供大带宽的太赫兹电磁波，其传播特性更接近于光（射线），因此以光学为理论基础的射线跟踪与太赫兹的物理本质更加自洽。②一方面太赫兹对传播环境和移动性高度敏感，而波束赋形等太赫兹大规模多天线甚至是超大规模多天线技术对信道空间分辨率的要求又极高；另一方面，太赫兹动态信道测量难度巨大，昂贵复杂。这使得仅仅依靠测量，在太赫兹频段已无法获得全面且精细的信道空、时、频信息。射线跟踪则不存在此类限制，利用被测量验证的射线跟踪器，可以充分探索信道 4

多径的时延和角度特征。③随着空间搜索算法、硬件设备和高性能计算的发展，大型复杂动态场景、大量采样点的高效射线跟踪仿真已成为可能。因此，在数据驱动的时代，利用准确、高效的射线跟踪仿真，可以突破测量的局限，获得更多维度的信道特性。基于射线跟踪的确定性信道建模方法可以提供准确的功率、时延、角度、极化等信道信息，适用于不同频段的时变多输入多输出信道的仿真、预测与建模。然而在实际中，计算复杂度和可用性一直是制约射线跟踪技术广泛应用的瓶颈。为此，项目成员单位北京交通大学将射线跟踪内核部署在高性能平台上，利用分布式计算功能进行云化，构建了高性能射线跟踪仿真平台— —CloudRT （http://www.raytracer.cloud/），并和粤通院在一些基础和应用方面合作。在准确性方面，超宽带动态射线跟踪信道仿真器，在 6 GHz 以下频段已经得到了大量的测量数据验证，也通过了大量的室内外、车联网、轨道交通等场景的毫米波与太赫兹频段测量数据的校准与验证。在高效性方面，项目团队成员将射线跟踪仿真器部署到高性能计算平台，其系统架构如图 2-1 所示，该平台由 96 个计算节点组成，共有 1600 个 CPU 核心、10 个 NVIDIA Tesla GPU 核心、1 个管理节点和 1 个网络服务器；射线跟踪引擎被部署于计算节点上从而实现并行计算处理。图 2-1 CloudRT 的硬件结构与组网 CloudRT 由数据存储服务器、高性能计算服务器以及用户终端组成，它们全部通过网络连接，以进行数据与命令传输，该平台由 5 层组成，如图 2-2 所示。 5

图 2-2 CloudRT 的数据流 2.2 面向 6G 应用场景与关键技术的射线跟踪信道仿真本项目团队研发的高精度高效率的信道仿真技术（CloudRT 平台）现已成功在多种应用场景中得到应用，并得到学术界和工业界的共同认可，也将在面向下一代无线通信应用场景中发挥广泛的作用。（1）在信道建模以及推进国际标准化工作上，提供信道数据支撑基于数字地图的混合信道模型的研发，与实测结果相结合提出 6G 通信标准信道模型。如和日本 NICT、NTT DoCoMo 联合完成了 300 GHz 频段的下载站场景信道建模，被 IEEE 802.3d-2017 采纳，成为首个面向 6G 的太赫兹通信标准信道模型。（2）在实际通信系统链路级和系统级仿真方面，提供准确的信道模型，为实际通信系统的设计与优化提供信道基础信息。图 2-3 为 CloudRT 支持了韩国电子通信研究院（ETRI）在 25 GHz 频段实现的增强移动热点网络（MHN-E）链路级软件演示。如图 2-4 所示，在平昌冬奥会上，CloudRT 支持的 MHN-E 原型机成功在 60 公里时速下实现了 5 Gbps 车地传输速率。如图 2-5 所示，CloudRT 为太赫兹智慧铁路、无人机通信、工业物联网、车联网、空天车地组网等 5G 及 6G 的前沿研究提供着高精度的信道信息。（3）高性能射线跟踪平台 CloudRT 可突破算力瓶颈，为全息无线电通信系统设计与评估提供理论依据。智能全息无线电技术是 6G 候选热点技术之一，利用电流片（Current Sheet）的超宽带紧耦合天线阵列（Tightly Coupled Array, TCA），实现连续孔径的天线阵接收和测量信号波连续的波前相位。从信道建模的角度而言，只要能对 TCA 的每一个天线振子对应的多径信道进行准确地表征，将每一个天线振子对应的信道冲激响应（Channel Impulse Response, CIR）进行联合处理，即可得到全息无线电链路的整体信道。然而，由于要实现连续孔径有源天线阵列， 6

TCA 的天线振子数目巨大，而且需要考虑天线振子之间的互耦效应，这使得计算复杂度面临计算效率的瓶颈。利用 CloudRT 平台，则可以有效突破算力瓶颈，准确表征 TCA 接收信号的连续相位变化，生成准确的全息无线电信道信息。图 2-3 基于 CloudRT 的 25 GHz 频段 MHN-E 通信系统链路级软件演示图 2-4 基于 CloudRT 生成的信道设计的 MHN-E 原型机，在平昌冬奥会演示（mRU 为毫米波路边发射单元，mTE 为毫米波接收终端）图 2-5 CloudRT 所支持的各类 5G 及 6G 的前沿研究 7

2.3 高性能射线跟踪信道仿真技术的未来发展趋势射线跟踪技术成为推动不仅是当前 5G 更是未来 6G 发展的关键技术。如图 2-6 所示，未来，高性能射线跟踪平台将向着场景重建智能化、传播机理模型自适应以及增加链路级和系统级仿真功能的方向发展，为 6G 的研发从电波传播与信道的仿真、建模一直到系统级的性能评估形成统一的整体，支撑以太赫兹、全息通信、空天地一体化等为代表的关键技术和应用场景，实现 6G 智慧未来愿景。图 2-6 以高性能云射线跟踪平台为基础的未来研究方向，助力 6G 智慧未来愿景的实现 3. 6G 宽带系统综述 6G 宽带通信系统将把应用场景从物理空间推动到虚拟空间，在宏观上将实现满足全球无缝覆盖的“空-天-陆-海”融合通信网络，在微观上满足不同个体的个性化需求，提供“随时随地随心”的通信体验，不仅解决了偏远地区和无人区的通信问题，还能以类人思维服务于每位客户，实现智慧连接、深度连接、全息连接和泛在连接。而建立这样的系统，需要海量异构网络的接入和全频谱融合协作，要把人工智能日益增强的算力更好地应用到通信系统，以物理层全新的空口技术甚至轨道角动量的革命性突破，来满足 6G 应用场景对超低时延、超大带宽、超大容量和极高可靠性、确定性的要求。 3.1 基于用户需求的内生智能虚拟随愿网络未来垂直应用的新场景将是智能体交互和虚实空间互动，其中智能体包括可以独立完成推理决策的实体（如机器人、无人机、无人汽车等），虚拟空间指对 8

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