6G新空口研究三方向 - 通信人家园

近日，由中国移动、美国US Cellular和欧洲 Vodafone联合牵头的《6G驱动力与愿景白皮书》在NGMN正式发布。该白皮书聚焦于6G的驱动力、愿景以及未来挑战，阐述了全球运营商对未来移动网络的展望，为移动通信行业的发展提供了重要指导。2021年4月，6G网络（架构/安全/空口/高频）项目启动会暨6GANA（6G Network AI）研讨会召开，据了解，6GANA是华为和中国移动等18家产学研单位倡议发起的针对6G网络架构的创新交流平台，且6GANA重点开展针对6G Network AI的需求、场景、架构、数据、理论/算法、验证、运营/管理的研究。每当新一代移动通信开始商用时，更新一代移动通信的研究就开始启动。需要十年时间从需求、标准、技术、试验才能走到商用，因此现在启动6G研究正当时。

十多年前研究5G是从无线空口技术开始，并向网络层技术扩展的，6G的研究需要拥有新思路，实现新突破，见到新气象。何谓“空口”？“空口”就是如何通过电磁波来承载所需要发送的信息的一系列规范。空这个字的英文对应的是radio，所谓“新空口”，就是比较新的空口。针对目前越来越成型的6G新空口概念、面临的技术挑战、解决挑战的研究方向，不妨在此汇总阐释欧盟6G旗舰项目Hexa-X、欧盟5G-PPP SELFNET项目、德国联邦教育和研究部（BMBF）TACNET4.0项目的相关研究成果。

OFDM和小规模有源MIMO天线阵列的结合在整个4G时代充斥了蜂窝无线接入网络的世界，并且在5G的最新演进中仍然不断显示其主导地位。然而，朝着更高载频的胜利进军正在挤压这个空中接口的最后一滴技术潜力。面对高传播损耗、低NLOS（非视距）路径分集等新挑战，各种新兴技术有望在向下一代空口演进中发挥关键作用，充分发挥6G新频谱优势，支持未来具有极端性能要求的用例。预计这种演进将通过MIMO实现多项重大转变和扩展：从小规模到大规模，从有源天线到无源反射面，从物理层到网络层。作为补充的新调制和多路复用方案也在下一个十年（2030+）出现。

在传统蜂窝网络中，MIMO分为两种类型：点对点MIMO和多用户MIMO。在前者中，用户设备和基站都安装了多个天线，但是一次服务单个用户设备。在后者中，天线阵列安装在基站中，提供与其各自覆盖区域下的许多用户设备的连接。为了进一步提升用户体验、增加吞吐量、扩大统计复用增益，引入了大规模MIMO的概念，以解决传统多用户MIMO的不足。从那时起，大规模MIMO一直被视为传统无线通信系统的关键推动因素之一。此外，大规模MIMO还有望在B5G和6G的蜂窝网络中提供系统容量的显著增加、更高的统计复用增益、频谱效率、更低的网络建设成本以及维护成本、降低的能耗以及许多其他优势。

为实现大规模MIMO的商业部署，许多运营商在基站配置了64个全数字收发器链，这已经在5G移动网络中实现。这些部署证明，由于导频污染造成的限制已经得到解决，并且为了提高频谱效率，相关的信号处理方法已经被开发和部署。为了在B5G和6G的移动网络中实现超大规模MIMO，面临许多研究挑战，包括①部署超大孔径阵列；②信道预测的限制；③实施智能环境感知适应；④全息大规模MIMO无线通信的基本限制；⑤六维定位；⑥大规模MIMO雷达。这些研究问题为学术界、产业界和标准化组织的研究人员提供了一个机会，可以将他们的注意力集中在进一步改进下一代通信网络中超大规模MIMO的实现上。

在释放大量带宽以支持高吞吐量的同时，使用10 GHz以上的高频段也带来了新的挑战，例如更高的传播损耗、更低的衍射和更多的阻塞。在毫米波频率范围内，大规模MIMO已被证明可有效实现有源波束赋型，提供高天线增益以克服信道损耗。然而，它的能力对于未来的6G新频谱来说可能是不够的。在增强当前波束赋型方法的所有潜在候选解决方案中，IRS技术已被广泛认为有希望用于6G移动网络。

所谓的IRS，又名可重构智能表面（RIS），由一类可编程和可重构材料板组装而成，这些材料板能够自适应地修改其无线电反射特性。当连接到环境表面（例如墙壁、玻璃、天花板等）时，IRS能够将无线环境的一部分转换为智能可重构反射器---称为智能无线电环境（SRE），从而利用它们进行无源波束赋型。与有源大规模MIMO天线阵列相比，可以显著提高信道增益，实现成本和功耗都很低。此外，与必须足够紧凑才能集成的天线阵列不同，SRE是在除UE之外的大尺寸表面上实现的，这使得它们更容易实现超窄波束的精确波束赋型，这对于物理层安全等一些应用至关重要。此外，与必须针对每个单独的RAT专门实施的有源 mMIMO天线阵列不同，IRS所依赖的无源反射机制几乎适用于所有射频和光频率，这对于在超高速中工作的6G广谱系统来说尤其具有成本优势。

虽然IRS在6G新频谱背景下显示出强大的技术竞争力，但它仍然缺乏成熟的技术来对信道和表面本身进行精确建模和估计，尤其是在近场范围内。此外，商业部署只有在解决相关问题后才有可能，即IRS依赖外部（例如不属于移动通信网络运营商的建筑物）评估。因此，它需要对提供基本接口、协议和信令协议的框架进行周到的设计和标准化，以便6G运营商能够广泛访问和利用公共和私有领域中配备IRS的对象。

CoMP是指允许多个接入点联合服务多个移动站的一类技术，从而可以在经典物理层MIMO方法的基础上实现网络层MIMO以增加空间分集。因此，它也被称为网络MIMO或协作MIMO。CoMP最初由3GPP在其用于LTE Advanced系统的Release 11中引入。最近有证据表明，CoMP在减轻下行链路小区间干扰和上行链路联合用户检测方面具有应用潜力，有望在5G中发挥重要作用。在即将到来的6G时代，对于10GHz以上的新频谱，利用基站级分集的CoMP技术将成为传统天线级空间分集的重要补充。

此外，由于CoMP通常建议每个UE同时持有到不同接入点的多个链路（即使它们具有相同的RAT），它揭示了一种新颖的“无蜂窝”RAN架构的可行性，其中许多单天线接入分布在覆盖区域上的点连接到中央处理单元，并以CoMP方式通过相干传输为所有UE共同服务。最近的研究表明，这种无蜂窝大规模MIMO能够胜过传统的蜂窝大规模MIMO，同时还能减少前传信号。

作为对源于协作解码本质的性能增益的权衡，CoMP也不得不面临一些由相同原因引起的关键技术挑战。首先，CoMP的性能高度依赖于协作基站的聚类，因此必须找到合适的聚类方案，这一直是过去几年的研究重点。其次，合作基站之间的同步必须在没有载波间和符号间干扰的情况下完成。此外，信道估计和均衡也必须以基站间相干的方式进行，这大大增加了计算复杂度。