5G之后是什么

今年的IEEE VLSI技术和电路研讨会(VLSI 2020)包括NTT Docomo的演讲，该演讲展望了蜂窝通信的未来，为通信的广泛行业转变奠定了基础。

这可不是小事。5克它最近才进入商业世界，而且——尤其是使用更高的毫米波(mmWave)频率——在充分发挥其潜力之前还有很长的路要走。即便如此，一些研究人员和业内人士仍在把目光投向5G之外，想弄清楚接下来会发生什么。

NTT Docomo的Takehiro Nakamura尝试了如何通过“进化”阶段扩展5G，以及在此之后6G会发生什么。他认为5G演进(5GE)和6G都延续了带宽增加、覆盖范围扩大和数据量增加的趋势。[注:在美国，一些公司将4G在5G之前的扩展称为“5GE”，这可能会引起混淆。NTT Docomo提到的5GE遵循了5G之后的更传统的含义。

Nakamura首先提醒我们，5G刚刚于去年3月投入使用，并将在21世纪20年代成为主导技术。他说，6G是21世纪30年代的技术，尽管日期和定义可能会因供应商而异。

图1:随着去年橄榄球世界杯在日本推出5G预服务。2020年3月25日正式开始商业服务。资料来源:IEEE/NTT Docomo

部分推广包括使用更高频率，可以携带更多数据，但传输距离没有那么远，也不会转弯。电路实现也将更具挑战性。确切地说，我们何时转向毫米波制度将因国家而异，因为每个国家都拍卖自己的频谱分配。

作为一家日本公司，NTT能够谈论其在日本的计划——目前没有具体的最后期限。中村说:“2019年4月在日本分配的3.7 GHz、4.5 GHz和28 GHz新频段，将根据具体情况部署用于5G，同时考虑到频段带宽、传播特性、共存条件等。”

图2:5G将使用比前几代更高的频率。在毫米波频率(28 GHz及以上)的情况下，它们将更高，提供更多带宽，但也带来了新的实现挑战。资料来源:IEEE/NTT Docomo

推动下一代的部分因素将源于我们从5G中学到的东西。Nakamura指出了三个具体的挑战:毫米波覆盖和移动性、上行链路性能以及行业用例的需求。特别是，他设想了一个很大程度上反映了模型的周期物联网(物联网)带来的，只是拥有更多的数据和高性能。他描述了这样一个循环:数据来自现实世界的实体——类似于物联网传感器，然后与云通信，在那里做出决策。这些决定的结果会被送回地面，以供采取行动——或者，从字面上说，驱动。

图3:在物理世界中获取的数据将被传输到网络世界，在那里做出决策，并在可能的情况下预测未来。然后，该预测可以用于在现实世界中发起行动。资料来源:IEEE/NTT Docomo

然后，6G将专注于解决社会问题，并通过一系列更高带宽的通信选项以及物理和网络领域之间更复杂的融合，实现物理世界和网络世界的更紧密融合。

技术的影响
中村指出，虽然早期的无线技术具有特定的技术差异，但后来的无线技术并没有如此清晰地描绘出来。相反，现有的方法得到了改进和改进。5G及其发展将具有以下特点:

• 扩大频率范围;
• 从MIMO向大规模MIMO (mMIMO)转变;
• 转移到控制通道的极性码和数据通道的低密度奇偶校验码(LDPC)，以及
• 超可靠低延迟通信(URLLC)和大规模机器类型通信(mMTC)的出现。

6G甚至可能将频率范围扩展到太赫兹领域，它可能会带来一种新的波形来补充或取代正交频域复用(OFDM)。新的网络拓扑结构需要提供极大的覆盖范围，增强5G新技术，并使人工智能无处不在。

图4:早期的蜂窝技术完全取代了之前的技术。后代人在早期的基础上，选择性地增加或增强新技术，以应对特定的挑战。资料来源:IEEE/NTT Docomo

网络本身的设计可能会改变。现有的放置单元的方法达成了一种妥协，即最大限度地覆盖相邻单元，同时最小化相邻单元之间的重叠。他认为这种情况在未来会发生改变，重叠的单元将利用多条传播路径来提高带宽和可靠性。

进入毫米波领域带来了机会，这是由于这种高频率所带来的挑战。由于增加的视线要求，将有必要反射光束，以确保覆盖在“黑暗”的角落。但是材料在更高的频率下并不总是像预期的那样工作，这使得制造毫米波反射器变得困难。

中村介绍了一些用超材料制造反射器的工作，超材料是由人类设计的，自然界中不存在的材料。通过制造这些材料，工程师可以设计出特定的折射率，并确定反射信号的方向和形状。事实上，这种材料不仅可以在反射器的不同位置具有不同的折射率，而且这些折射率甚至可以动态控制，使反射器的适应性更强。

这方面一个极端的例子是能够将光线环绕在物体周围，有效地将其隐身——也就是说，使其不可见。通过控制反射信号和透射信号的比例，可以使表面交替透明或不透明。

图5:利用折射率的工程材料可以创造出有效的隐形斗篷。资料来源:IEEE/NTT Docomo

无线电接入技术(RAT)也将出现一些升级，首先是通过扩展mimo技术。除了这一进化举措，还将部署新技术以实现比奈奎斯特(FTN)更快的通信。

根据奈奎斯特准则进行通信意味着使用正交编码来避免符号间干扰(ISI)问题。但我们用带宽来换取干净的操作。其思想是，通过允许一些ISI，我们可以在信道中填充更多的数据，保持相同的误码率(BER)，直到信道最终变得过于拥挤。新的算法已经被提出来对抗由此产生的ISI，这是由先进的硅技术实现的，它使比以前可行的更快更复杂的电路成为可能。

5GE和6G的另一个发展将是私有工业网络的可用性。今天，所有的蜂窝用户——无论是消费者还是企业实体——都使用同一个网络。因此，从理论上讲，观看视频的人可以干扰或排挤大量关键任务数据的工业上行链路。通过创建专用网络，工业公司可以更好地控制其性能，并保证可用性和响应。移动网络运营商(MNOs)也可能在这些网络中发挥作用。

覆盖范围将通过许多额外的技术得到增强，其中一些可能不是蜂窝技术。特别是机载或天基收发器将发挥更大的作用。虽然地球静止(GEO)卫星目前正在使用中，但中村提出了低地球轨道(LEO)和高空伪卫星(HAPS)(也被称为大气卫星或大气)的更大作用。

这里的想法是提供大量可从陆地或海上任何地方访问的收发器，为目前服务不足或根本没有覆盖的地区提供足够的覆盖。不同的车辆具有不同的带宽特性，可以解决目前尚未很好解决的各种场景。

图6:带宽从10 mbps到超过10 Gbps，不同的车辆将能够服务于广泛的应用。资料来源:IEEE/NTT Docomo

最后，在这种观点下，人工智能将无处不在。下图显示了人工智能将增加价值的领域范围。这些领域大多与网络本身的运营有关，但对人工智能的普遍访问仍然是承诺的一部分。

图7:人工智能将发挥重要作用，主要是为了网络的高效运行，但也为企业甚至个人提供服务。资料来源:IEEE/NTT Docomo

关键的外卖
NTT Docomo也同意这一观点，当然，他们的具体目标是日本市场。但到目前为止所做的工作，即使是探索性的，也将影响所有参与的公司和所有地区。我们总结了一些意见一致、不一致或进一步深入的要点，作为其他公司发表评论的机会。这些总结要点和下面的回答。

5G的发展将专注于更好的上行链路和更多的交付保证(而不是“尽最大努力”)，重点是超可靠的低延迟通信(URLLC)。

Suresh Andani, IP Cores产品营销高级总监Rambus表示同意。他说:“最初的5G用例将专注于为超高清、AR/VR、360度流媒体视频等实现增强型移动宽带(eMBB)。”“在未来三到五年内，5G用例将需要实现大规模机器类型通信(mMTC)和超可靠低延迟通信(uRLLC)，以实现5G愿景。uRLLC用例，如智能交通、工业自动化和远程医疗，将需要5G机器和网络之间有保证(而不是尽最大努力)和最低延迟的通信。由于4G和5G基础设施是关键的Rambus重点领域，我们正在为网络芯片和电信设备制造商提供所需的最低和确定的延迟接口，以有效地在网络上移动数据。”

David Vye, AWR软件公司的技术营销总监节奏他同样详述了细节。Vye说:“5G的一个关键目标是将无线技术的覆盖范围和价值扩大到个人移动用户之外，以支持mMTC和URLLC。”“将连接扩展到包括网络到智能设备的通信，结合人工智能和物联网，将迎来新的工业浪潮，并为行业和社会提供更大的商业价值。”

维特指出，当前技术的空白需要填补。“5G部署和相关试验表明，在非视距(NLOS)环境和大流量用例中，覆盖范围和上行链路性能有改进的空间和需求。为了充分实现下一波通信的承诺，需要继续增强，以确保高可靠性和低延迟，以缩小网络世界和物理世界之间的差距。”

基于边缘云计算的工厂运营技术和网络，要实现延迟低于1毫秒、可靠性高达99.9999999%的URLLC性能，将需要大量的小单元无线电接入点和带有AI和ml控制波束转向的分布式天线。

他补充说:“在这种大规模部署非正交网络的需求中，隐含的需求是需要降低波束形成天线阵列和复杂接收机的成本，特别是如果应用比奈奎斯特更快的信号技术，同时大大改进目前最好的上行链路技术。”“这种新的网络拓扑结构，加上6G向更高毫米波频谱(94GHz到3THz)的转变，将带来广泛的设计和集成挑战。”

5G技术的发展将在物理世界和网络世界之间实现一个循环，在这个循环中，所有事物的大量数据都被发送到云端进行处理，并用于“预测未来”。这些预测将导致行动(或驱动)，并将其发回物理世界。

西蒙·兰斯，营销主管Cliosoft表示同意。他说:“对于初学者来说，5G的大数据分析将与物理世界和网络世界之间的这种循环相吻合，以帮助预测维护和认知分析等关键技术和业务驱动因素。”通过利用人工智能、5G、云计算和大数据分析，预测维护将有助于在故障发生之前预测故障，并将在通信、应用程序和许多其他领域发挥至关重要的作用。同样，通过利用机器学习，5G中的认知分析可以超越传统的描述性分析，从上下文中实时学习，并预测接下来会发生什么，或者从分析过去的行为模式中进行调整。认知分析与现实世界和网络世界之间的循环相结合，将有助于实时做出最优决策，并将具有从自动驾驶到未来智能应用的一系列应用。”

Andani表示，多接入边缘数据中心，如电信数据中心和中央办公室，将在物理世界和网络世界之间的循环中发挥重要作用。他说:“不是所有来自物理世界的东西都应该——或者需要——被送到云端。”“人工智能(即预测未来和采取行动)将在边缘和云端之间分割，特别是对于uRLLC用例，其中将所需行动的延迟保持在最低限度是极其关键的。云/边缘的AI需要高速serde和内存接口，如400G以太网、PCI Express Gen4/5、HBM2/2E、GDDR6——这些都是Rambus 4G和5G产品组合的一部分。”

6G将在21世纪30年代推出。
安达尼说，一些国家已经开始了6G的早期研究工作。“预计6G的商业部署将从2030年开始。然而，这在很大程度上取决于5G和5G进化在这十年中如何展开。”

今天，我们有固定的网络，其中的单元被设计成尽可能减少重叠。将来，我们将拥有可以动态重新配置的重叠单元。

Vye对此进行了详细阐述。目前在毫米波前端设计方面的活动，包括封装天线(AiP)相控阵、大规模波束形成射频集成电路(rfc)、多技术集成和系统级电磁(EM)分析，都将有助于实现具有成本效益和易于安装的新型无线电接入技术，支持将实现URLLC性能的小型蜂窝网络。”

他指出，以前的细胞通信是基于六边形细胞网络，它们之间的距离足够远，以避免与相邻细胞的信号干扰。“6G可以采用空间非正交、重叠和动态拓扑来增加路径选择。通过AI/ML进行波束控制将有助于以降低复杂性为代价减少细胞间干扰。这种架构还需要新的天线设计(共形天线和相控阵天线)。向6G更高频段的转移将有助于减小这些天线的尺寸，使缩小组件占地更容易。”

然而，天线、馈电网络和封装互连都将更容易受到寄生和意外耦合的影响。这将需要严格的电磁分析和设计验证。Vye说:“战略设计分区、利用最佳半导体工艺和多纤维组装无疑将被利用，这需要一系列仿真技术、设计和制造流程以及工具互操作性。”

安达尼也认为这是必须的。“为了满足5G及以后的服务模式，基础设施无法修复。为了满足所有支持5g的用例的服务水平协议，动态组合(可重构)的软件定义基础设施是必要的。”“例如，如果一个默认小区超额订阅，那么无线基础设施必须能够在不影响服务质量/体验的情况下，用另一个小区为最终用户提供服务。”

将部署高空伪卫星/大气层和近地轨道卫星，将覆盖范围扩大到空中、海洋甚至太空。

“各种商业公司(如Viasat、SpaceX、亚马逊等)已经开始朝着这个方向采取措施，”Andani说。