久久精品精选,精品九九视频,www久久只有这里有精品,亚洲熟女乱色综合一区
    分享

    6G關鍵技術及其面臨的挑戰

     ChinaAET 2024-04-23 發布于北京
    作者:
    盧旭俊1,鄭建飛1,夏燭2
    作者單位:
    1.深圳市潤迅電話商務有限公司杭州分公司,浙江 杭州 311200;
    2.杭州友聲科技股份有限公司,浙江 杭州 310000。
    摘要:
    6G及未來的通信系統網絡將滿足一個世界性完全連接的要求,革命性的技術方案預計將推動快速增長的智能設備和服務應用。針對實現6G互聯互通目標的重大技術應用進行深入的相關主題研究,包括在太赫茲波段與更廣泛的網絡操作實現通信、智能通信環境、人工智能、網絡自動化、環境反向散射通信、用立方體衛星和無人機實現的衛星物聯網、無蜂窩大規模MIMO通信等,并討論技術應用可能面臨的問題挑戰。

    0 引言
    隨著社會需求的新興應用增多,5G或許無法再滿足新型服務需求,例如下一代全息隱形傳輸需要太比特(Tb/s)級的數據速率和微秒級的延遲,即使是5G毫米波頻段(mmW)也無法實現。此外,從工業4.0向工業X.0模式的轉變,將推動連接密度遠遠超過5G設計的106平方公里,且需要對現網進行徹底改造。而解決問題的關鍵在于6G或未來超越6G的通信系統的研究應用。ITU-T公布的官方建議6G關鍵性能指標(KPI)如表1所示。
    6G的KPI主要包含處理與系統吞吐量等系統能力類指標、端到端延遲測量及抖動等系統延遲類指標、處理與網絡管理和編排相關的系統管理類指標[1]。要達到表中的KPI,需要在6G及未來無線通信的所有領域實現突破,使用新的頻譜、增加智能和自動化技術、拓展衛星物聯網通信等應用,如圖1所示。

    1 6G系統應用
    5G網絡引入了增強型移動寬帶、低時延高可靠通信和大規模機器通信等技術旨在服務于各種應用,在6G中與網絡系統的覆蓋、吞吐量、延遲等性能相關應用會更加延伸,如圖2所示。
    2 太赫茲波段通信
    太赫茲(Terahertz)頻段(0.1 THz~10 THz)位于mmW光譜和紅光光譜之間,由于超寬頻譜資源的可用性,為大量應用提供Tb/s的無線鏈路,如圖3所示[2]。
    2.1 太赫茲波段通信應用
    與低頻無線網絡不同,太赫茲波段通信由于其頻段極高具有獨特的電磁和光子學特性,除了用于蜂窩系統的Tb/s級鏈路外,太赫茲頻段還可用于局域網、個域網、無線片上網絡、衛星通信等各種應用場景,如局域網中形成光纖和太赫茲-光學鏈路之間的無縫過渡實現零延遲;數據中心網絡中替代傳統光電纜有線網絡連接,降低安裝和重新配置方面的高成本;在衛星通信中,利用太赫茲波段更寬的帶寬,容納更多的衛星并實現更高的鏈路性能等。

    2.2 太赫茲波段通信面臨的問題
    目前,一些基于電子束光刻等技術能夠制造出帶有數百個等離子體天線元件的前端,利用大型天線陣列可以形成主瓣高指向性的陣列輻射方向,將能量集中到所需的方向,擴大信號的覆蓋范圍。然而,這種高度定向的波束限制了在角域的覆蓋范圍,導致發射機為每個用戶服務的能量效率較低,仍存在傳輸距離限制問題[3]。
    在天線設計中尋求更新的解決方案的同時,其他的挑戰包括與太赫茲波段收發器設計相關的控制和信號處理方案。一方面,需要實時控制算法,另一方面,需要通信協議來協調發射器、接收器和反射射線之間的關系。當在移動收發器上使用高度定向波束時,每個收發器的天線陣列的視野有限,無法定位轉發其數據的下一跳,就產生了其他相關問題。因此,太赫茲波段通信需要更新的路由解決方案來有效地發現和建立鏈路。
    3 智能通信環境
    mmW和太赫茲頻段的癥結是有限的通信距離,因為小波長固有的高路徑損耗以及收發器的發射功率有限。除了要關注無線硬件的進步以及網絡優化策略,也要利用室內外的無線通信環境,使信號傳播變得可控。控制信號在環境中的傳播本質上是控制電磁波與反射物體的相互作用,包括室內室外建筑和其他基礎設施等,常見的功能包括波導向、聚焦、準直(即對入射波產生平面波陣列)、偏振、相位移位、全部或部分吸收等,如圖4所示[4]。

    3.1 智能通信環境基礎
    智能環境是一個由5層部分組成的三維結構,每層都有不同的功能,從上到下分別是電磁行為層、傳感和驅動層、屏蔽層、計算層和通信層,如圖4所示。電磁行為層是由超表面組成的,具有可調諧的阻抗來控制電磁波的反射方向。傳感和驅動層由相移電路和碰撞信號感知傳感器組成。屏蔽層隔離了分層結構的上下部分,從而使可能的干擾最小化。計算層用于控制相移和處理感應到的入射波。通信層連接所有上層,作為中央控制器的網關,處理所有連接請求、轉發和接收信號,進行上述波函數控制。
    與現有無線網絡中部署的多天線中繼相比,智能通信環境具有以下優勢:
    (1)因有可控天線陣列的智能表面的廣泛覆蓋而具有更高的空間分集;
    (2)因計算層和通信層直接位于表面層下方,減少了處理時間;
    (3)當入射信號來自不同方向時,智能表面能夠準直波并將其反射到所需的方向,提高網絡路由的靈活性。
    3.2 智能環境的應用
    (1)信號傳播增強
    從用戶的角度出發,智能環境系統服務于包括移動用戶和集群用戶的模式。
    傳輸距離:相對于發射機的非視距(Non Line of Sight,NLoS)區域的用戶,智能環境系統有望延長傳輸距離,并通過波導或反射到達以前未覆蓋的區域。仿真結果表明,在60 GHz下覆蓋范圍可以擴展到整個NLoS區域[5]。
    干擾緩解:由于多用戶場景不可避免地存在干擾問題,此應用中,每個智能環境單元專用于單個用戶,因此大部分干擾將駐留在端到端鏈路的無線部分。
    可靠性:主要包括用高定向天線消除干擾形成排除區域,為合法用戶分配密鑰,使竊取者截獲的數據無法解碼。因此,智能環境中的專用鏈路具有固有的安全性。
    (2)物理層的安全性增強
    用戶和服務提供商之間的數據交換越頻繁,個人數據泄露的風險就越高。6G網絡不僅繼承現有的網絡保密措施,還要提供與新使能技術相關的增強物理層安全性。現有的可重構智能表面解決方案采用反射陣列,無法有效區分目標用戶和惡意攻擊者。
    智能環境具有識別用戶位置的能力,并與系統控制器交換這些信息以驗證用戶的真實性。只有確定的用戶才能獲得來自發送方的信號流,而未經授權的用戶連接請求將被禁止嘗試訪問或與發送者建立鏈接,可實現良好的信道保密性。
    3.3 智能通信環境面臨的問題
    使智能環境成為一種面向市場的解決方案,還面臨一些問題:
    (1)尺寸和能耗之間的權衡
    實際應用中,智能環境將被涂覆在天花板面或建筑立面等表面上,需要既適合特定安裝區域又滿足連接要求的尺寸。同時,隨著系統中內置更多反射元件和射頻鏈,對于信號處理電路,能耗也將增加。因此,在為用戶提供所需的性能前提下,如何實現整體尺寸和能源消耗的平衡且又經濟的解決方案,是個難點。
    (2)與現有方案的兼容性
    目前的Wi-Fi接入點有成熟的協議棧來感知信道并與用戶建立鏈路。為了使智能環境能夠幫助提高室內信號覆蓋,需要兼容IEEE 802.11系列標準。
    (3)標準化
    在反射陣列、超表面、頻率選擇表面等方面,如何標準化設備架構、最大發射功率和通信協議等目前沒有協議標準,標準化對于建立統一的框架異常重要。
    (4)智能資源分配
    以最優方式分配空間、時間和頻域的資源,在用傳統優化方法無法找到封閉式解決資源方案的復雜場景下,需結合人工智能中的先進算法幫助部署智能通信環境,特別是存在復雜的表面布局或結構時。
    4 人工智能
    目前的無線網絡采用分層結構,每層提供幾種主要功能,但人工智能(Artificial intelligence,AI)相關算法的應用正在彌合各層之間的區別,從而全局優化整個無線網絡的性能。如圖5所示,人工智能可應用于無線網絡的每一層。在網絡層(Network Layer)使用機器學習算法進行流量聚類,進一步使網絡資源適應各種場景。在物理層和MAC層(PHY/MAC Layer)深度學習可優化功率分配、調制和編碼方案等資源分配策略。此外,機器學習算法還能輔助信道估計和多用戶檢測[6]。

    4.1 無線網絡中的人工智能
    傳統物理層建模是面向模型的,而在現實場景中,由于系統內部的非線性和不可控干擾等因素,基于模型的解決方案在復雜環境中的適用性不足。
    人工智能已在各種物理層技術中證明了其全面適用性。在信道估計和符號檢測中,基于深度學習的符號檢測算法可以在降低復雜性的情況下提供魯棒的結果,基于深度神經網絡架構的算法學習證明了在功率放大器非線性、I/Q不平衡和硬件損傷引起的量化誤差的影響下,信道估計精度得到提高[7]。
    在無線網絡的其他基本層中,豐富的數據集存在使基于機器學習的解決方案具有適用性。如在無線傳感器網絡路由協議設計中,利用強化學習方法實現了更節能的水下傳感器網絡路由方案;在汽車行業中,自動駕駛已成現實。人工智能算法以各種方式應用于無線網絡,自動編碼器用于預測交通流量、Q-learning用于智能資源管理等。在太空物聯網中,衛星間和地對星鏈路的多頻段通信能力,可基于深度神經網絡的資源分配策略,實現立方體衛星在沒有地面人為干預的情況下仍保持連接[8]。
    4.2 人工智能未來面臨的問題
    在5G標準化時期,人工智能算法被設計可以幫助完成如識別網絡異常、分配網絡資源、執行網絡管理等任務,這些也將在6G中以更具體的方式實現。在帶來面向數據方法的模式轉變時,仍有問題需要解決:
    (1)對于調制編碼方案設計、信道估計和資源分配等無線網絡中的一般性問題,最佳算法尚未統一;
    (2)有限的高質量數據集不利于所提出的分類或回歸算法的測試和驗證;
    (3)因所選數據集、假設、評估標準等方面的差異,缺乏一種有效的方法來對所有提出的解決方案進行公平比較。
    5 網絡自動化
    網絡自動化領域的標準化工作在控制平面引入了網絡數據分析功能,在管理平面引入了管理數據分析服務,以增強3GPP Releases15及以后版本中的數據收集和分析功能。這兩個功能構成了網絡中基于服務架構的關鍵部分,凸顯了網絡自動化的重要性。網絡自動化的關鍵應用主要涉及軟件定義的可編程數據平面、自動化服務分解和編排[9]。
    5.1 軟件定義的可編程數據平面
    數據平面可編程性定義為允許數據平面設備(如交換機)向控制平面公開其數據包處理邏輯的特性,以便在需要時完全重新配置控制平面。例如控制器應能根據需要無縫地修改數據包解析和處理管道,添加對新協議的支持,并修改現有協議。
    5.2 自動化服務分解和編排
    當前3GPP網絡規范切片實例化和部署過程是模板驅動的,需要手動配置。隨著網絡服務復雜性的增加,創建和維護模板的工作將成為操作負擔。
    超越傳統的模板驅動模型,為網絡切片提出自動化服務分解和編排的應用方案,如圖6所示。用戶向服務提供商請求通信服務,服務商實例化網絡切片,并將其部署到由虛擬基礎設施服務提供商擁有的基礎設施上,以交付所請求的服務。作為切片自動化工作的流程,客戶提供了與延遲、吞吐量等相關的高級需求,并自動將請求分解成虛擬網絡功能(Virtual Network Functions,VNFs)的一個組成轉發,服務到VNFs轉發的映射不是基于模板,而是利用深度學習來提取服務需求并構造相應的VNFs轉發。生成的特定于服務的轉發還包含組成VNFs的資源需求,允許將其無縫部署到底層基礎設施,一旦部署了該服務,就會使用持續監控和實時遙測技術來確保作業的最佳狀態[10]。

    6 環境反向散射通信
    隨著室內外蜂窩覆蓋范圍越來越廣,射頻信號可作為無線電鏈路二次利用的資源,無需額外的功率,這種技術系統被稱為環境反向散射通信系統。在該系統中,發射機可以收集電視塔、基站以及接入點輻射周圍連續的電磁波,使用簡單的電路進行調制后反射到接收器。環境反向散射收發器不需要專用的頻譜帶運行,也不需要復雜的電子元件(如模數轉換器)來處理信號。
    6.1 反向散射通信工作機制
    通常,反向散射通信系統將撞擊到反向散射發射機的信號沿信號原點方向反射,由于不是完美的鏡面反射,信號會在環境的一定角度范圍內散射,在該范圍內的反向散射通信接收器可以接收信號。反向散射通信在架構方面分3種:單基、雙基和環境反向散射通信。
    單基反向散射通信系統是射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)應用中最常用的反向散射通信方式,結構最簡單,僅由一個反向散射發射器和一個讀取器組成,該讀取器具有射頻信號源和帶有改變操作模式開關的反向散射接收器。一旦接收器發出請求,射頻源激活反向散射發射器,然后發射器調制并將撞擊到它的電磁波反射回接收器,如圖7(a)所示[11]。單基反向散射通信架構的缺點是由于開關機制,讀取器不能執行全雙工通信,且信號從讀取器發送到發射器然后反射回讀取器時伴有往返路徑損失。
    雙基反向散射通信架構中,射頻源和接收機是分離的,如圖7(b)所示,在空間域中提供了更高的靈活性。與單基反向散射方案相比,多個射頻源和反向散射發射器放置良好,服務范圍可以顯著擴展,但雙基反向散射通信系統在真實網絡中運行的成本高,因為需要射頻源和發射機放置良好才能達到預期的性能,而且這種條件大多很難滿足,特別是在如室內或密集的市區等復雜的網絡場景中。

    不同于單基、雙基,環境反向散射通信系統的設備是由發射器和接收器組成的,不需要專用射頻源來專供服務,可以顯著減少基礎設施和維護支出,所以環境反向散射通信為6G物聯網網絡中的傳感器提供了最節能的應用解決方案。
    6.2 環境反向散射通信中面臨的問題
    (1)頻譜和能源效率
    隨機部署的物聯網設備利用環境反向散射鏈路來實現良好的吞吐量,并且保持擴展的傳輸距離,即使單個反向散射通信設備表現出良好的能源性能,由大量的此類設備組成的物聯網網絡可能仍然需要在系統層面上優化能效。
    (2)協議設計
    現有的環境反向散射通信系統大多用于特定的應用目的,與其他無線通信系統缺乏良好的兼容性。協議設計對于標準化環境反向散射通信的關鍵操作和管理如數據包大小、路由協議等方面尤其重要。
    7 衛星物聯網
    衛星物聯網(Internet of Space Things,IoST)是一個泛在的信息物理系統,涵蓋地面、空中和太空,可應用于監測和偵察、空間回傳和整體數據集成。如圖8所示,IoST由構成地面段的地面站、客戶場所和地面感知設備,以及構成空間段的立方體衛星(CubeSats)、無人機和近地感知設備等組成。地面對衛星鏈路將IoST樞紐與立方體衛星連接起來以交換請求和數據,衛星間鏈路將信息中繼到位于同一軌道和相鄰軌道的相鄰立方體衛星。另外,無人機之間以及傳感器和立方體衛星之間建立鏈接,形成本地化數據聚合層。
    立方體衛星設計包括一個全新的通信子系統,可在各種頻帶中無縫運行,存在的多波段收發器和天線能夠支持微波、mmW和太赫茲波段的無線通信。通過這種獨特的立方體衛星設計,有可能實現超過100 Gb/s的數據速率。

    IoST包含了跨越地球和太空的龐大基礎設施,超越了傳統衛星通信系統的彎管性質,簡化網絡管理,提高網絡資源利用率。類似于基礎設施即服務,IoST可以提供立方體衛星即服務(CubeSats-as-a-Service,CaaS),通過使用SDN可實現亞秒級的端到端延遲。在網絡管理領域,IoST引入了虛擬信道狀態信息CSI,用于聯合優化物理鏈路資源分配,以克服與高延遲空間段相關的問題[12]。
    8 無蜂窩大規模MIMO通信
    為了有效消除小區邊界用戶造成的小區間干擾,基于分布式MIMO通信和協調多點(CoMP)通信,提出了無蜂窩大規模MIMO通信的方案。該方案中,原本密集排列的大量的基站天線陣列以小于10個天線單元的少量集形式分布在同一區域內,仍服務相似數量的用戶[13]。如圖9所示,與傳統的大規模MIMO通信系統相比,無蜂窩通信系統放寬了小區邊界的限制,而不是將每個用戶終端都關聯到一個具有大量天線單元的小區,能顯著減少甚至消除小區間的干擾。沒有單元邊界,所有的基站子系統BSs可以以協調的方式同時為用戶服務,在協作過程中,無蜂窩的大規模MIMO基站能通過前端鏈路相互共享發送給用戶的數據。

    8.1 無蜂窩MIMO的信道特性
    BSs可使用其本地CSI來獲得良好的性能,避免與所有BSs共享全局信道條件,本地CSI可以通過TDD方式在上行信道中進行估計,然后根據獲取到的信道信息在BSs處進行預編碼,再進行下行信道的數據傳輸。發射功率和預編碼矢量可以根據用戶與基站的地理距離來確定。理論上在無蜂窩大規模MIMO系統中,當天線單元的數量接近無窮大時,如AP數量密度約為1 000/km2,包括小區間干擾、小規模衰落等在內的對抗性信道效應將會消失[14]。
    8.2 無蜂窩MIMO面臨的問題
    由于無蜂窩大規模MIMO通信是一個新的領域,其中的協調和優化問題將嚴重影響整個系統的性能和未來的部署。
    (1)用戶調度
    盡管對信道特性有了深入了解,但現有技術無法考慮涉及具有超大量用戶服務的網絡場景。這種情況下,為用戶提供服務的AP數量可能有一個上限,以便維持可接受的平均吞吐量水平。目前的研究中用戶將在同一頻率資源塊下同時獲得服務,但是當用戶數量增長到一定閾值時,用戶無法同時獲得服務時也要考慮一種能夠實現公平性的調度方案。
    (2)AP的位置優化
    蜂窩網絡的部署嚴重依賴蜂窩結構地理上分離的BSs,這些BSs在CoMP方案下為蜂窩邊緣用戶提供服務,通過調度克服蜂窩間干擾,以提高整體系統效率。在無蜂窩的大規模MIMO中,由于沒有小區邊界的概念問題,系統性能與AP位置、隨機散射點和用戶的性能要求需進行深入優化。
    9 結論
    6G及未來通信系統將在很大程度上推動無線通信的高質量拓展,本文通過分析研究6G通信系統的應用和使之成功的關鍵使能技術,詳細地介紹之間細微差別和與之相關面臨的挑戰,希望能提供對于無線通信下一個前沿領域的分析見解,也期望在實現設想的未來無線通信中發揮重要的作用。

    文章來源:《電子技術應用》雜志2024年3月刊

      轉藏 分享 獻花(0

      0條評論

      發表

      請遵守用戶 評論公約

      類似文章 更多

      主站蜘蛛池模板: 国产欧美日韩A片免费软件| 高清看男人插曲女人视频| 99久久免费只有精品国产| 亚洲AV无码成人精品区蜜桃 | 成人免费一区二区三区| 美女自卫慰黄网站| 亚洲色大成成人网站久久| 国产精品久久毛片| 国产成人高清亚洲综合| 三上悠亚久久精品| 亚洲精品熟女一区二区| 色综合久久久久综合99| 日韩精品有码中文字幕| 夜夜影院未满十八勿进| 国产999精品2卡3卡4卡| 中文字幕在线亚洲日韩6页| 无码熟妇人妻av影音先锋| 亚洲制服丝袜中文字幕在线| 丰满人妻一区二区三区视频53| 国产普通话对白刺激| 国产卡一卡二卡三精品| 国产乱子伦一区二区三区| 香港日本三级亚洲三级| 无码国产精品久久一区免费| 少妇粗大进出白浆嘿嘿视频| 肉大捧一进一出免费视频| 久久精品手机观看| 亚洲尤码不卡av麻豆| 又大又粗欧美成人网站| 又湿又紧又大又爽A视频男| 欧美一进一出抽搐大尺度视频| 小嫩批日出水无码视频免费| 天天综合网网欲色| 欧美黑人大战白嫩在线| 人妻日韩精品中文字幕| 97人人超碰国产精品最新O| 国产JJIZZ女人多水喷水| 欧美高清狂热视频60一70| 欧美成人免费全部| 精品国际久久久久999波多野| 国产中文三级全黄|