《前瞻 | 研究6G技术,创造更加可持续的未来》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2022-03-23
  • 虽然 5G 尚需时日才能成为主流,但针对 6G 的研究已经启动,预计在 2030 年实现商用化。这种新一代无线技术有望让我们以全新方式与周围环境互动,并在各行各业中创造新的应用模式。6G 的时延更低、带宽更大,将能够通过分散的智能网络传输海量数据。
    6G 的新愿景是实现近乎即时和无处不在的连通性,彻底改变人类与物理世界和数字世界交互的方式。这意味着 6G 将采取新的方式利用数据、计算和通信技术,让它们进一步融入社会。这项技术不仅能够支持全息通信、触觉互联网、智能网络运营、网络与计算融合,还能够创造更多激动人心的机会。6G 将在 5G 的基础上进一步扩展和强化功能,标志着关键行业将迈入无线新时代,加速实施数字化转型和业务创新。
    塑造更加可持续的未来
    除了促进经济繁荣之外,未来的技术还必须带来积极的环境影响和社会变革,而 6G 是实现这一愿景的基础。6G 旗舰组织(6G Flagship)发布了一份白皮书,探讨了这项技术在提高生产力以及帮助人类社会等方面可能发挥的积极作用。该组织是由学术界和行业领导者组成的一个联盟,目的是为 6G 研究提供专业化的指导。联合国可持续发展目标(SDG)列出了促进世界各地的社区繁荣进步、维持可持续发展的工作计划。6G 旗舰组织计划将依照联合国 SDG 引领 6G 发展,是德科技非常荣幸参与了该计划的创建。最近,以北美为中心的 6G 联盟 Next G Alliance(是德科技是创始成员之一)发布了一份白皮书,概要论述了他们实现 6G 可持续发展的愿景。
    6G 的环境可持续性使用场景
    气候变化导致气温升高和极端天气事件频发,每一位地球公民都需要紧急行动起来。美国宇航局(NASA)报告称,自 19 世纪后期以来,碳排放的增加使得地球表面平均温度升高了 2.12°F(1.18°C),过去七年是有记录以来最热的时期。
    全球 135 个国家/地区和数百家企业已做出了实现碳中和的庄严承诺。技术行业已经做好准备,努力开发实现环境可持续性的长期解决方案。特别值得一提的是,电子设计可以支持清洁能源系统的开发和用于环境应用的数据分析,还能推动减少碳排放的机器技术向前发展。
    我们将可持续性视作 6G 研究的关键驱动力,并将探讨在以下行业应对气候变化的新方法。
    交通运输业
    据美国环保局(EPA)称,美国交通运输行业是目前温室气体排放的最大源头(29%)。6G 将赋能智能交通和物流领域的创新,包括互联车辆和交通基础设施。无人驾驶电动汽车的增长不仅会促进清洁能源的推广,还将通过优化交通流量来减少排放。通过将无线连通性技术与传感器技术、分布式计算和人工智能相结合,可以实现这些目标。新技术的组合将支持车辆、交通摄像头和道路之间的实时通信和协调。
    全球移动通信系统协会(GSMA)发布的《2020 移动产业 SDG 影响力报告》称,通过远程信息处理来提高车辆监控、路线优化和燃油效率,在 2018 年避免了约 1.05 亿吨的温室气体排放,相当于路面上行驶的汽车减少了 2300 万辆。多伦多的智慧交通管理系统支持交通信号灯自我学习和辨别模式,从而缩短了 25% 的出行时间、减少了 13% 的排放量。
    制造业
    6G 将在 5G 的基础上对制造业进行更进一步的现代化改造,覆盖产品设计、工厂生产和仓储等所有阶段。互联机器和协作机器人将能够协调所有制造和供应链管理活动,自动执行过去需要手动完成的流程,从而实现更高效、更有弹性的供应链。
    启用了 6G 的制造工厂还将增强我们的能力,使我们能够监控和管理能源和水资源使用、减少碳排放以及利用可再生能源为运营提供动力。举个例子,爱立信的 5G 智慧工厂减少了 5% 的废弃物,降低了 5% 的能源成本,并将整体能源效率提高了 24%。
    农业
    5G 以及 6G 的主要优势之一是将无线接入扩展到农村地区。农村地区使用的化肥、杀虫剂和动物粪便会将有害温室气体排放到大气中,6G 为农业领域开辟了新的可持续发展契机。
    智慧农业开创了优化作物生产、保护资源、改善土壤健康和监测牲畜的新方法,这些措施都有助于农民减少碳排放。这份 GSMA 报告还指出,在农业占总用水量 80% 的加利福尼亚州,太阳能传感器和 LTE 网络减少了 6% 的用水量和 5% 的排放量。高通公司最近的一项调查发现,通过使用支持物联网的无人机和传感器收集实时数据,农民能够提高农药喷洒的效率和准确性,从而将农药使用总量减少了 50%。
    能源
    在全球人口持续增长的同时,管理和减少化石燃料消耗的需求也在增加。6G 将助力全社会过渡到使用可再生能源,并进一步推动智能电网的发展。
    智能电网使社区能够更好地监控日益增长的能源需求,优化电力分配,并采用自动化方式来管理巨大的负载变化。高通报告还指出,连通了 5G 的智能电网将减少 12% 的天然气和电力消耗,而 6G 将实现更大幅度的节省。
    ICT(信息和通信技术)
    我们应当认识到,通信和信息技术行业对整体经济有着巨大的影响,同时对能源消耗也影响巨大。据 AT&T 估计,在 2018 年间,借助该公司技术实现的温室气体(GHG)减排量是 AT&T 自身整个温室气体排放量的两倍。该公司还设定了到 2025 年减排量增长 10 倍的目标。
    ICT 行业的碳足迹已然很大(约占全球耗电量的 1/10),并且还将保持快速增长。作为 ICT 的一个重要部分,无线通信行业制定的 6G 主要目标之一就是减少能源使用并将可持续性纳入运营流程和生命周期管理。
    目前,无线接入网(RAN)消耗了无线网络基础设施中的大部分(>50%)能量。随着云化转型的进行,数据中心的消耗量逐步增加,而我们在数据中心看到了巨大的“环保”需求。智能无线空闲和资源共享等技术已经纳入 5G,6G 则在考虑采用更先进的方法。
    是德科技致力于通过 6G 技术加速可持续发展
    在支持全球环境和社会繁荣发展方面,企业发挥了举足轻重的作用。是德科技非常重视这一作用。作为 6G 旗舰组织中唯一的测试与测量企业,是德科技在帮助组织应对 6G 挑战方面肩负独特责任。我们还与国际电联通信标准化部门、FCC 技术咨询委员会以及美国、日本、韩国、中国和欧洲等地的行业组织开展了合作。
    我们旨在利用自己的研发能力以及我们为设计、仿真和验证应用精心打造的软件和硬件解决方案,推动 6G 旗舰组织在无线连通性、分布式智能无线计算、终端设备和电路设计技术以及垂直行业应用和服务这四个战略领域的研究。我们将为合作伙伴带来优秀的解决方案,为他们提供涵盖所有频段的网络安全、设备表征、网络测试、数据分析、人工智能等技术,以及测量和降低功耗的方法。最后,是德科技面向广泛行业的专业技术将帮助这些团队在汽车电子、物联网、高速数字和新能源等关键领域取得成果。
    与 5G 一样,新一代连通性带来了巨大的商机,有可能影响技术、商业领域以及整个社会。我们期待与 6G 旗舰组织合作伙伴和全球其他技术合作伙伴并肩协作,共同制定标准并搭建技术构建模块,建设以人为本、以可持续发展为中心的 6G 网络,从而改变我们的生活,保障社会安全,让全球各地的所有人都紧密联系在一起。

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    •        尽管5G仍有很大的增长空间,但随着5G Advanced刚刚开始推出,越来越明显的是,成功的关键在于正确地使用频谱方程。与从4G到5G的飞跃不同,向6G的过渡不仅关乎更高的速度和更低的延迟,还将涉及实现需要大幅提高容量和覆盖范围的全新类别的服务、应用和技术。这一雄心壮志的核心是7.125-8.400 GHz频谱范围,有时被称为“6G的黄金频段”。5G美洲白皮书题为“7-8 GHz频谱范围内的6G升级:覆盖、容量和技术”,根据初步研究,概述了该频谱对美洲的战略重要性,表明其有可能支持6G的容量和覆盖需求。       对于移动运营商来说,频谱是他们业务的命脉。每一代新的蜂窝技术都要求更多,6G也不例外。主要行业参与者的研究预测,每个运营商将需要400-500MHz的中频频谱来实现6G的宏伟目标,这意味着整个市场的需求为1.5-2GHz。这些数据来自最近的报告,这些报告强调了迫切需要大量的中频可用性,以使6G成为现实。7.125-8.400 GHz频段已成为满足这一需求的最有希望的候选者,不仅在美国和加拿大,而且在全球范围内。它在全球范围内协调频谱分配的潜力,对于使6G取得商业成功的经济规模至关重要。       7-8GHz频段具有独特的技术特性,使其成为6G的理想选择。它提供了足够高的频率来实现可观的带宽,实现了远高于5G的数据速率,同时保持了足够短的波长,以便在紧凑的空间中容纳更多的天线元件,这对于先进的波束形成和提高频谱效率至关重要。这使运营商能够有效地平衡容量和覆盖范围,而不会产生过高的基础设施成本。7-8GHz频段实现了理想的平衡,提供了可观的带宽,使数据速率比当前的5G高出20倍,同时仍然保持了有意义的覆盖范围,而无需大规模的新基础设施投资。这允许增加网络容量和数据吞吐量,而不需要显著增加基础设施密度。             7-8GHz频段的主要优势之一在于它能够增加网络容量并改善覆盖范围。将现有的5G基站站点重新用于6G部署是一种经济高效的方法,可以减少与新基础设施相关的资本和运营支出。先进的天线技术,特别是超大规模的多输入多输出(mMIMO),将使运营商能够通过显著提高网络容量来充分利用更高的频率。元件数量的增加实现了更精确的波束形成和更高的频谱效率,使其特别有利于6G的密集、高容量要求,显著增加了给定物理覆盖范围内的天线元件数量。        从长远来看,当我们从5G中使用的3.5 GHz频率移动到7 GHz范围时,波长减半,允许在相同尺寸内使用四倍多的天线元件。这实现了更好的波束形成、更高的天线增益和更高的频谱效率——所有这些都是提高容量和覆盖范围的关键因素。通过更先进的波束形成技术和人工智能驱动的优化,该网络将能够处理更高的数据负载,从而实现沉浸式VR和智慧城市基础设施等新兴6G应用所需的容量。         这些创新将为先进的应用铺平道路,这些应用具有丰富的带宽和快速的响应能力,正如我们在6G世界中所设想的那样——从沉浸式增强现实到机器人和无人机群之间的实时协作。容量的增加将是5G的20倍,这将使这些未来技术成为可能。         7.125-8.400 GHz频谱目前由联邦现有企业占用,这对短期内商业用途的专用频谱分配提出了重大挑战。虽然存在频谱共享的潜力,但该技术仍面临许多挑战,包括干扰管理和与现有用户的共存。由于这些复杂性,商业无线运营商对依赖共享频谱持谨慎态度。然而,至关重要的是探索每一条途径,包括独家许可和精心管理的共享安排,以释放中频段容量,满足美洲消费者和行业不断变化的需求。         频谱共享并不是一个新领域——6 GHz频段开创了自动频率协调(AFC)系统和谨慎干扰管理的先例,展示了成功和挑战。虽然AFC在管理频谱共享方面很有用,但它也面临着许多问题,包括复杂的干扰场景和确保不同用户之间合规的困难。这些挑战凸显了在考虑7-8GHz范围的AFC时需要采取谨慎的方法。类似的技术可能用于7-8GHz,但这些技术需要仔细调整,以解决频带的独特复杂性。自动频率协调(AFC)系统可用于管理共存,但其有效性在很大程度上取决于减轻干扰,特别是在联邦使用集中的地区。频带分割是另一种潜在的方法,允许根据地理和运营考虑,将部分频谱专门分配给联邦或商业用途。        对于运营商来说,独家授权频谱仍然是确保高质量服务和最大限度地降低部署成本的最可靠方式。共享频谱安排虽然是次要的选择,但需要仔细协调,以允许在最小的限制下进行全功率运行——监管机构在为7-8GHz频段开发共享框架时必须解决这一挑战。        7-8GHz频段通常被称为“6G黄金频段”,因为它具有全球协调的潜力。在主要市场之间拥有共同的频段可以实现规模经济,降低网络设备和用户设备的成本,同时实现无缝的国际漫游。例如,在向3G和4G过渡期间,碎片化的频谱分配导致设备制造成本增加,确保全球兼容性的复杂性增加,从而导致国际漫游的可靠性降低,消费者的成本增加。碎片化的频谱分配使生态系统中的每个人——制造商、运营商和消费者——的生活更加困难,因为它们使设备设计复杂化并推高了成本。        在美国和加拿大,大量中频频谱受到限制,7-8GHz范围为与全球频谱计划保持一致提供了独特的机会。WRC-23确定了这个频段进行研究,WRC-27的准备工作将是确保必要分配的关键。全球协调确保美洲始终处于无线创新的前沿。可持续性也是6G的一个核心方面,7-8GHz频段允许运营商重用现有基站并采用高效的天线技术。在此范围内使用的极端mMIMO天线提供了更高的增益,而不会显著增加能耗,从而减轻了高频的较高路径损耗。随着互联设备数量的持续增长,能源效率至关重要。实时AR和自动驾驶汽车网络等高能源需求应用对基础设施造成了巨大压力。高效的波束形成和混合波束形成技术将有助于最大限度地减少能源使用,同时最大限度地扩大覆盖范围和容量,从而有利于环境和运营成本。       6G之旅才刚刚开始,频谱管理面临重大挑战。共享频带中的共存和频谱重新分配中的延迟减缓了进展。实现“黄金地带”的潜力需要行业和监管机构之间的合作。政府必须与移动运营商密切合作,在保护现有用户的同时,实现7-8GHz频谱的商业使用。美国国家频谱战略和加拿大的频谱展望强调了7.125-8.400 GHz频段的重要性,使政策与全球协调一致。与联邦机构的公私伙伴关系对于制定共享框架和减少干扰至关重要。       6G的“黄金频段”有望通过提供下一代应用所需的容量和覆盖范围来改变移动通信,而不会给运营商带来巨大的基础设施成本负担。通过重复使用现有站点、先进的天线技术和智能频谱共享,6G在经济上可行,在环境上可持续。 最终,6G在7-8GHz频段的成功部署将取决于全球的协调、合作和对创新的共同承诺。如果实现,这个“黄金地带”将改变移动宽带,重塑我们与技术、行业和彼此的互动,开创一个真正互联的未来。