6G究竟有多快？你真的應該提前知道
當人們開始對5G的美好生活翹首以盼時，已經有人在談論6G的關鍵技術了!這，簡直讓人猝不及防!
在“2018年世界行動通訊大會·北美”上，美國聯邦通訊協會(FCC)專員Jessica Rosenworcel女士代表FCC稱，6G將邁向太赫茲頻率時代，隨著網路越加緻密化，基於區塊鏈的動態頻譜共享技術正在變成新的技術趨勢。
現在連5G手機的影子都沒見到，你怎麼就開始跟我談6G的技術問題了......
5G已經這麼快了，6G的速度難道要上天?
我們知道，5G的理論下載速率為每秒10GB，是當前4G上網速率的10倍。那麼6G呢? 6G的理論下載速度是每秒1TB(也就是5G的100倍)!這是什麼概念?就拿下載影片來說，用5G網路下一部高清大片只需要1-2秒，而在 6G 網路下僅10毫秒(0.01 秒)就可以下載完畢!幾乎等同於線上觀看，人們不會有任何延遲的感覺。
不過，談論6G只關注網速就顯得太“膚淺”了。因為在6G時代，網速已經不再重要。
現如今，移動通訊技術更迭的意義，已經不止於解決人和人之間的無線通訊、無線上網的問題了，而是要更好地解決物和物之間、物和人之間的聯絡，也就是我們通常所說的物聯網。
所謂的萬物互聯是將人、流程、資料和事物結合在一起使得網路連線變得更加相關，更有價值。它將資訊轉化為行動，能給企業、個人和國家創造新的功能，並帶來更加豐富的體驗和前所未有的經濟發展機遇。
萬物互聯是什麼樣的呢?舉個簡單的例子，就是你可以用一部手機控制很多東西，比如直接向自己家裡的智慧家居下達指令，讓智慧家居機器人做家務，智慧監控家庭一舉一動、直接呼叫無人車等等。
這樣的高科技生活5G能不能實現呢?
雖然我們對於5G的憧憬和期待是萬物智聯，但它做到的更多是資訊極速傳輸，離真正的萬物互聯還存在一定距離。
以網路覆蓋為例，像車聯網、遠端醫療這類的應用需要的是一個幾乎無盲點的全覆蓋網路。在這一點上，5G還無法做到一蹴而就，需要在6G時代得到補充和完善。已有專家提出，6G網路將是一個地面無線與衛星通訊整合的全連線世界。通過將衛星通訊整合到6G行動通訊，實現全球無縫覆蓋，網路訊號能夠抵達任何一個偏遠的鄉村，讓深處山區的病人能接受遠端醫療，讓孩子們能接受遠端教育。此外，在全球衛星定位系統、電信衛星系統、地球影象衛星系統和6G地面網路的聯動支援下，地空全覆蓋網路還能幫助人類預測天氣、快速應對自然災害等。這就是6G未來。
6G通訊技術不再是簡單的網路容量和傳輸速率的突破，它更是為了縮小數字鴻溝，實現萬物互聯這個“終極目標”，這便是6G的意義。
6G是什麼樣的?
關於6G的研究已經開始。我國工業和資訊化部部長苗圩表示：“去年年底還是今年年初，我們已經開始著手在研究6G的發展，也就是第六代行動通訊。”目前，歐洲、美國、日本、韓國等也已有機構陸續啟動了B5G或者6G的技術研究。
不過，現在6G定義還未出現。各方都有自己的願景，並未得到統一的、大家都認可的6G定義。目前一個較為官方的回答是，6G將探索並彙集5G所遺漏的相關技術。
在“2018年世界行動通訊大會·北美”上，Jessica Rosenworcel作為美國聯邦通訊協會(FCC)對外公開討論6G無線服務的第一位專員，提出了6G的3大類關鍵技術，分別涉及到6G頻譜、6G無線“超大容量”如何實現、6G頻譜使用如何創新這3大方面。讓我們在技術層面上對6G有了一個較為具體的展望。
1. 6G進入太赫茲頻段，網路“緻密化”
Rosenworcel表示，6G將使用太赫茲(THz)頻段，且6G網路的“緻密化”程度也將達到前所未有的水平，屆時，我們的周圍將充滿小基站。
太赫茲頻段是指100GHz-10THz，是一個頻率比5G高出許多的頻段。從通訊1G(0.9GHz)到現在的4G(1.8GHZ以上)，我們使用的無線電磁波的頻率在不斷升高。因為頻率越高，允許分配的頻寬範圍越大，單位時間內所能傳遞的資料量就越大，也就是我們通常說的“網速變快了”。
不過，頻段向高處發展的另一個主要原因在於，低頻段的資源有限。就像一條公路，即便再寬闊，所容納車量也是有限的。當路不夠用時，車輛就會阻塞無法暢行，此時就需要考慮開發另一條路。
頻譜資源也是如此，隨著使用者數和智慧裝置數量的增加，有限的頻譜頻寬就需要服務更多的終端，這會導致每個終端的服務質量嚴重下降。而解決這一問題的可行的方法便是開發新的通訊頻段，拓展通訊頻寬。
目前，我國三大運營商的4G主力頻段位於1.8GHz-2.7GHz之間的一部分頻段，而國際電信標準組織定義的5G的主流頻段是3GHz-6GHz，屬於毫米波頻段。到了6G，將邁入頻率更高的太赫茲頻段，這個時候也將進入亞毫米波的頻段。中國科學院國家天文臺研究員苟利軍說：“太赫茲在天文中被稱為亞毫米 ，這類天文臺的站點一般很高而且很乾燥 ，比如南極，還有智利的acatama沙漠。”
那麼，為什麼說到了6G時代網路將“緻密化”，我們的周圍會充滿小基站?
這就涉及到了基站的覆蓋範圍問題，也就是基站訊號的傳輸距離問題。
一般而言，影響基站覆蓋範圍的因素比較多，比如訊號的頻率、基站的發射功率、基站的高度等。就訊號的頻率而言，頻率越高則波長越短，所以訊號的繞射能力(也稱衍射，在電磁波傳播過程中遇到障礙物，這個障礙物的尺寸與電磁波的波長接近時，電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。繞射可以幫助進行陰影區域的覆蓋)就越差，損耗也就越大。並且這種損耗會隨著傳輸距離的增加而增加，基站所能覆蓋到的範圍會隨之降低。6G訊號的頻率已經在太赫茲級別，而這個頻率已經進入分子轉動能級的光譜了，很容易被空氣中的被水分子吸收掉，所以在空間中傳播的距離不像5G訊號那麼遠，6G需要更多的基站“接力”。
5G使用的頻段要高於4G，在不考慮其他因素的情況下，5G基站的覆蓋範圍自然要比4G的小。到了頻段更高的6G，基站的覆蓋範圍會更小。因此，5G的基站密度要比4G高很多，而在6G時代，基站密集度將無以復加。
2. 空間複用技術
Rosenworcel表示6G將使用“空間複用技術”，6G基站將可同時接入數百個甚至數千個無線連線，其容量將可達到5G基站的1000倍。
前面說到6G將要使用的是太赫茲頻段，雖然這種高頻段頻率資源豐富，系統容量大。但是使用高頻率載波的移動通訊系統要面臨改善覆蓋和減少干擾的嚴峻挑戰。
當訊號的頻率超過10GHz時，其主要的傳播方式就不再是衍射。對於非視距傳播鏈路來說，反射和散射才是主要的訊號傳播方式。同時，頻率越高，傳播損耗越大，覆蓋距離越近，繞射能力越弱。這些因素都會大大增加訊號覆蓋的難度。
不止是6G，處於毫米波段的5G也是如此。而5G則是通過Massive MIMO和波束賦形這兩個關鍵技術來解決此類問題的。
我們的手機訊號連線的是運營商基站，更準確一點，是基站上的天線。Massive MIMO技術說起來挺簡單，它其實就是通過增加發射天線和接收天線的數量，即設計一個多天線陣列，來補償高頻路徑上的損耗。
在MIMO多副天線的配置下可以提高傳輸資料數量，而這用到的便是空間複用技術。在發射端，高速率的資料流被分割為多個較低速率的子資料流，不同的子資料流在不同的發射天線上在相同頻段上發射出去。由於發射端與接收端的天線陣列之間的空域子通道足夠不同，接收機能夠區分出這些並行的子資料流，而不需付出額外的頻率或者時間資源。
這種技術的好處就是，它能夠在不佔用額外頻寬、消耗額外發射功率的情況下增加通道容量，提高頻譜利用率。
不過，MIMO的多天線陣列會使大部分發射能量聚集在一個非常窄的區域。也就是說，天線數量越多，波束寬度越窄。這一點的有利之處在於，不同的波束之間、不同的使用者之間的干擾會比較少，因為不同的波束都有各自的聚焦區域，這些區域都非常小，彼此之間不怎麼有交集。
但是它也帶來了另外一個問題：基站發出的窄波束不是360度全方向的，該如何保證波束能覆蓋到基站周圍任意一個方向上的使用者?這時候，便是波束賦形技術大顯神通的時候了。
簡單來說，波束賦形技術就是通過複雜的演算法對波束進行管理和控制，使之變得像“聚光燈”一樣。這些“聚光燈”可以找到手機都聚集在哪裡，然後更為聚焦地對其進行訊號覆蓋。
5G採用的是MIMO技術提高頻譜利用率。而6G所處的頻段更高，MIMO未來的進一步發展很有可能成為6G提供關鍵的技術支援。
3. 動態頻譜共享+區塊鏈
Rosenworcel提到，美國現有的頻譜分配(拍賣)方式將難以勝任6G時代“對於頻譜資源的高效利用”這一訴求，6G要採用“頻譜共享”的方式。她還指出還可採用更智慧、分佈更強的動態頻譜共享接入技術，那就是“基於區塊鏈的動態頻譜共享”。
所謂的頻譜拍賣是指授權使用者規劃某一頻段，對外進行公開拍賣，以公開競價的方式，將該頻段的使用權轉讓給最高應價者使用。目前頻譜拍賣廣泛採用的地區和國家主要集中在歐洲和美國。我國不同於絕大多數國家，採取的是分配而非拍賣的方式來進行頻譜管理工作。也因此，我國的政府監管部門在行動通訊產業發展中處於非常核心的位置。
頻譜拍賣的分配方式之所以難以勝任6G時代“對於頻譜資源的高效利用”這一訴求，是因為它存在授權使用者獨佔頻段而造成頻譜閒置、利用不充分等問題。對於無線電頻譜這種稀缺性的戰略資源，此方式顯然不適合迎接萬物智聯時代的到來，甚至極有可能阻礙整個社會推動創新。
為了合理配置頻譜資源，使其得到高效充分的利用，美國FCC於2015年開展推動了動態頻譜共享，在3.5GHz上推出CBRS(公眾無線寬頻服務)，通過集中的頻譜訪問資料庫系統來動態管理不同型別的無線流量，以提高頻譜使用效率。簡單來講，就是某一使用者不用的話，其他使用者可以接入使用，這樣不僅能有效減少資源浪費，也可減少擁塞的問題(這有點像共享單車一樣)。
CBRS引進了三層式頻譜接取架構(SAS)。SAS分為三層：第一層使用者是該頻段的執照持有者，如軍用雷達等。這層使用者擁有最高優先順序，它們將受到最高級別的保護，免受其它層級接入使用者的干擾;第二層是已支付授權費的使用者，享有免受第三層接入使用者干擾的保護;第三層是任何人都可以使用，優先順序最低，不受任何干擾保護。
SAS負責協調現有使用者和新使用者間的頻譜接入，保護較高層使用者免受低層使用者的影響，並優化CBRS頻段內所有使用者可用頻譜的有效使用。這就達到了動態共享頻段、按需使用的效果，頻譜的使用率無疑會大大提高。
CBRS極具創造性、高效性和前瞻性，對未來6G的發展具有非同尋常的意義。
不過，面向6G，動態頻譜共享顯然還要在原有基礎上進行發展。CBRS是通過集中式的資料庫來支援頻譜共享接入的，若系統能基於採用分散式資料庫的區塊鏈技術，探索使用區塊鏈作為動態頻譜共享技術的低成本替代方案，則不僅可以降低動態頻譜接入系統的管理費用，提升頻譜效率，還能進一步增加接入等級、接入使用者數量等。
Rosenworcel認為，區塊鏈在6G中的應用，使用“去中心”的分散式賬本來記錄各種無線接入資訊，將可進一步激發新技術創新，甚至“改變未來6G使用無線頻譜的方式”。
其實，對於6G的構想目前還沒有一個統一的結論。例如，英國布裡斯托爾的研究人員就表示，正在開發基於金剛石的氮化鎵的微波技術，向6G技術發起探索。也有人將6G視為具有不同型別的自我聚合網路的能力。關於6G的技術趨勢預測還包括了超密蜂窩網路、可重構硬體、毫米波使用者接入、增強型光無線介面、網路VLC、人工智慧管理和編排蜂窩網路的融合等等。
不管關於6G的構想有多豐富，就如同5G之於4G，未來的6G也一定是5G的持續演進。5G有的，要靠6G來改進。而5G沒有的，則要靠6G來擴充套件。
現在研究6G為時過早?
對於6G，不止是部分吃瓜群眾覺得現在研究太早了，一些專業人士也持有此類的看法。
曾經在西班牙電信工作了17年的現任英國政府國際貿易機構首席科學顧問Mike Short就說道：“我認為，在2022年之前，6G都不值得大家對其付出努力。我們現在需要做的是發掘使用者對5G真正的需求，先把5G商用用好了再來說6G。”
現在研究6G真的太早了嗎?
一點也不早，而且要儘快行動了。
為什麼?其實，單從5G的發展我們就能明白。5G的毫米波技術並不是在4G顯示出侷限性才開始研究的，其理論基礎早在18年前(2000年)就已經完成了，而工業界實現毫米波技術的成熟卻是在10-15年之後。到現在，毫米波5G的大規模商用部署仍然是一個難題。
5G的毫米波尚且如此，更何況是6G使用的太赫茲頻段呢。
此外，提前佈局6G網路也是為了未雨綢繆、佔得先機。隨著5G連線規模不斷擴大，網路壓力隨之增加，6G一定會到來。在5G的研究上，我國已躋身“第一梯隊”。而6G雖未正式開始，現在也已陸續有國家著手研發。未來誰先佔領6G網路的制高點，誰就能率先開啟萬物互聯的新時代，6G的戰略意義不言而喻。
結語
移動通訊技術從模擬技術演進到以GSM為標誌的第二代移動通訊技術(2G)用了30年，從2G到3G時代的演進用了15年，從3G到4G的推出用了5年。技術升級速度越來越快，每一代通訊技術成為商用主流的時間越來越短。如今6G已經在路上了，也許它的普及會來得更快!