详细探讨6G关键技术、愿景以及如何实现这些关键目标

一、太赫兹技术

太赫兹技术的原理是什么？为什么6G通信要选择太赫兹波频段呢？

在创新时代，技术始终在不断发展进步。下一代的蜂窝技术将在带宽使用率、数据传输和应用赋能等方面实现巨大提升。根据预测，6G通信技术将实现每秒1 TB的下载速度、1微秒的时延以及无限的带宽。6G通信将赋能我们通过各种创新方式与周围环境进行交互，包括即时通信、互联机器人、自治系统以及无线人工智能交互等。6G目前处于非常早期的研究阶段。国际电信联盟所期待的“网络2030”愿景正在逐步实现。虽然该行业距离进入6G标准开发进程还有几年的时间，但亚太赫兹（sub-THz）技术已经成为研究的重点。

6G通信的一个关键目标和积极研究领域是实现100 Gbps至1 Tbps的数据吞吐量。这种极端的数据吞吐量可能最终会成为6G关键性能指标（KPI）。但是，无论从射频角度还是基带角度来看，这个目标都会带来重大挑战。对于5G通信的毫米波应用，以28 GHz频段为例，其可用信道带宽仅为1GHz。而太赫兹工作在1THz频率附近，频率比毫米波高数十倍，越高的频率，潜在的可用带宽越大。

太赫兹(Terahertz, THz)波是指频率处于0.1-10THz范围之内的电磁波，太赫兹波在波谱中介于红外光与微波频段间，高频波段与红外光波段相重合，而低频波段与微波毫米波频段相重合，正是由于这种独一无二的频谱位置，太赫兹波具有许多独特的性质。

太赫兹波能够对物质进行无损的探测，因为太赫兹技术主要利用了太赫兹波的信息获取和信息处理能力。太赫兹波可以通过吸收谱、穿透谱、反射谱等方式来探测物质，并把得到的信号转化成数字信号进行后续处理和分析，以达到对物质进行检测和识别的目的。

太赫兹波的潜在工作带宽，要比毫米波高至少一个数量级。

太赫兹波还具有其他一些适合通信的特点。比如:

1.而太赫兹波的另外一个特性，就是时域频谱的信噪比非常高。因此，根据香农定理，由于具有更高的信道带宽，更高的信噪比，使用太赫兹波进行数据传输，可以获得比毫米波高得多得多的数据传输速率。

2.由于太赫兹波处于电子学向光子学过渡的阶段，因此它同时具备了微波通信和光通信的优点。除了具有比微波更快的传输速度，还具有波束窄、方向性好的特点，可以实现更好的传输安全性和抗干扰能力。

3.由于太赫兹波的波长只有0.03mm到3mm，因此终端设备的天线可以做得非常小，大大节省设备设计空间，天线的数量也可以进一步增加，为高阶MIMO的实现，提供了条件。

4.NTN是6G通信非常重要的组成部分，而太赫兹频段特别适合卫星通信。在真空环境下，太赫兹波通信的数据吞吐量比当前的超宽带技术快高达一千多倍。我国于2020发射了6G通信试验卫星，就搭载了太赫兹卫星通信设备，可以在卫星上建立数据收发链路，并开展太赫兹通信试验。

”6G将会进一步改善人与人之间以及人与环境之间的关系，而量子技术则会彻底颠覆计算，这些新兴技术将持续改变我们的世界。“

另外，太赫兹波还具有其他一些适合通信的特点。比如：

第一、由于太赫兹波处于电子学向光子学过渡的阶段，因此它同时具备了微波通信和光通信的优点。除了具有比微波更快的传输速度，还具有波束窄、方向性好的特点，可以实现更好的传输安全性和抗干扰能力。第二、太赫兹波具有很强的穿透能力。相对于光通信而言，太赫兹波不易受到烟雾、沙尘等不利环境因素影响。第三、由于太赫兹波的波长只有0.03mm到3mm，因此终端设备的天线可以做得非常小，节省设备设计空间，天线的数量也可以进一步增加。第四、太赫兹波特别适合卫星通信，在真空环境下，太赫兹波通信比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。第五、太赫兹波段由于尚未开发，因此具有丰富的频率资源，易于将来开展利用。

而太赫兹波的另外一个特性，就是时域频谱的信噪比非常高。因此，根据香农定理，由于具有更高的信道带宽，更高的信噪比，使用太赫兹波进行数据传输，可以获得比毫米波高得多得多的数据传输速率。

这些就是6G移动通信会选择太赫兹波的主要原因。

二、通信感知一体化技术

什么是“通感一体化”？

“通信感知一体化”写作Integrated Sensing And Communication，简称ISAC，读作“艾萨克”。

狭义的通感一体化是指具有上面提到的有测距、测速、测角、成像、目标检测、目标跟踪和目标识别等能力的通信系统，早期也叫做“雷达通信一体化”。而广义的通感一体化，则是指具有感知一切业务、网络、用户和终端，以及环境物体的属性与状态的通信系统，其在感知的上可具有超出传统雷达的能力。随着5G频谱从传统的Sub6G向毫米波拓展，波长的减少让感知的能力不断提升。因此，在5G的下半场，也就是5G-Advanced阶段，通信感知一体化被纳入了标准化的议程。

在未来的6G，频谱将拓展到太赫兹，感知的能力会更进一步增强，给我们带来更大的想象空间。

通信与感知一体化技术实现基本分为三个阶段：

1.在通信与感知一体化设计之初，通信系统与感知系统共享物理平台和频谱资源，进而极大地提升频谱效率、能量效率和硬件等资源利用率，降低系统造价与成本；

2.通信与感知的互助阶段，6G的空口设计，将集成6G的无线通信信号和6G的无线感知信号，从而使得6G网络既有通信功能，又有感知功能，同一网络，同一频谱，同一用户终端完成集成的通信与感知一体化服务，这将发挥极大的经济规模效应和投资效益；

3.基于能力互助阶段的进一步融合演进，通信与感知进入一体化成熟阶段，通信和感知的能力将实现频谱资源、硬件设备、波形设计、信号处理、协议接口、组网协作以及多点感知等全方位、多层次的深度融合，通信与感知将共惠双赢，实现全网的性能提升。

三、智能超表面技术

什么是智能超表面（RIS）？

智能超表面，也叫做“可重配智能表面”，或者"智能反射表面”，英文为RIS (Reconfigurable Intelligence Surface），或者IRS (Intelligent Reflection Surface）。RIS是一种新兴技术，能够定义新的无线传输和传播模式，并控制通信信道（重塑无线信道）。RIS是一种包含电子可控和低功耗模拟处理元件的超表面。可实时调整无源反射元件的吸收、反射、折射和相位，从而将入射电磁信号引导到所需方向。反射信号的相位和振幅使有效信道增益最大化。RIS可以部署在不同的位置，并以最小的成本和努力附着在建筑物、车辆和室内墙壁等表面上。另一个优点是它与目前的无线电技术兼容，并在宽频带和频率范围内支持先进的无线波形和全双工和半双工通信。

智能超表面应用场景

1.覆盖盲区消除-当基站和终端之间有不可逾越的障碍物时，它们之间就是非视距信道，终端所能接收到的信号是非常微弱的。这是，可通过RIS操控反射波束，对准位于盲区的终端并动态跟踪，这就相当于创建了虚拟的视距路径，扩展了小区的覆盖范围。

2.物理层辅助安全通信-当网络探测到窃听者或者非法用户时，可以利用调控RIS的反射信号的相位，让其和直射信号在接收时进行抵消，从而减少信息泄露。

3.多流传输增秩-当信号传输的环境较为简单时，往往缺乏独立的多径，难以实现足够的多流传输。通过RIS的反射，可以人为增加信号传播路径，更好地实现多流传输，提升热点用户的吞吐量。

4.边缘覆盖增强-当终端（下图中的终端1）位于小区边缘时，使用RIS动态操控服务小区和邻区的反射信号，使服务小区的信号同相叠加增强，来自邻区的信号则反相叠加抵消，从而有效消除邻区干扰。

5.大规模D2D通信-RIS可以通过对多路信号的智能反射，可以起到干扰抑制的作用，并同时进行低功率传输，有助于实现大规模的D2D通信。

6.物联网中无线功率和信息的传输-无线携能通信技术可以同时传输信号和能量，即在与无线设备进行信息交互的同时，为无线设备提供能量。RIS可以起到类似中继的作用，通过无源波束来补偿长距离传输带来的巨大能耗，帮助充电区域提高无线传输功率。

7.室内覆盖-要解决室内覆盖，可以通过室外基站信号穿透建筑外墙或者窗户，也可以部署专业的室分系统（蘑菇头天线或者有源室分布）。而对于室外穿透室内这种方式，可以在建筑窗户的玻璃表面部署透明的RIS板，操控信号入射室内，并能实现一定的增益。此外，在室内覆盖场景，可通过RIS来操控室分系统的反射信号，从而增加额外链路，提升系统容量及可靠性。

8.新型收发信机-RIS可支持实时编码的，可将基带信号以编码的形式导入到RIS控制器，再将目标频段的射频载波发射到RIS上，通过反射就可以将基带信号调制到载波之上。这种架构的发射机可省去复杂而低效的射频链，节省高耗能的混频器、功放等器件，从而显著降低发射机的成本和功耗。

6G技术承诺创造更美好的未来，其中一个目标就是实现人类社会、物理世界和数字世界的融合。通过融合，6G有望为实现联合国可持续发展目标提供巨大助力。

下面我們回答了关于6G技术的一些常见问题，并深入介绍了6G关键技术，6g与5g的区别以及6G愿景以及如何实现这些关键目标。

6G技术研究处于非常早期的阶段，亚太赫兹领域是研究的重点。达到100Gb/s到1TB/s的数据吞吐量是一个关键目标。然而，从射频和基带的角度来看，它都带来了巨大的挑战。

6G是什么?

简而言之，6G是用于蜂窝网络的第六代无线通信标准，将接替当前的5G（第五代）标准。不过，研究界并不指望6G技术取代前几代技术。相反，新旧技术会共存协作，合力改善我们的生活。

虽然6G在某些方面可以借鉴5G，但想要满足更先进的6G技术需求，彻底改变我们与世界的连通方式，还有很多空白技术需要从头开始研发。

第一个有待提升的领域是速度。从理论上讲，5G可以实现20 Gbps的峰值数据速率，不过迄今为止测试中记录得到的最高速度只有8 Gbps左右。在6G中，随着我们开始采用更高频率（100 GHz以上），目标峰值数据速率将达到1,000Gbps（1 Tbps），这足以支持立体视频等使用场景，提供增强的虚拟现实体验。

实际上我们已经展示过310 GHz频率的空中接口传输，其峰值速度高达150 Gbps。除了速度之外，6G技术还会带来另一个关键优势：极低的延迟。这意味着通信的时延可以降至极低，让物联网（IoT）和工业应用能够尽情释放其潜力。

6G技术将提供增强的连通性，赋能未来的物联网创造更多奇迹。现在的5G能够支持每平方千米（或 0.38 平方英里）范围内同时连接100万台设备，6G会将这个数字提升至1000万台。

但是，6G技术带给我们的不仅仅是更快的数据速率和更低的延迟。下面我们就来探讨几项对新一代无线通信有重大影响的新技术。

6g与5g的区别？

6G也就是第六代移动通讯标准，预计其理论最快下载速度可以达到1TB每秒，是5G的50倍；网络延迟可以低于1毫秒，甚至低至0.1毫秒；网络容量将是现在5G系统的10000倍。

与5G网络相比，6G网络速度会更快，网络延迟会更低，可靠性更高，设备连接密度更大，覆盖范围更广。

6G通信与5G通信不同之处，从测试角度，我们把它总结为三大不同：

不同之一：KPI更强

不同之二：应用更广

不同之三：测试更难

不同之一：KPI更强

测试首先要根据KPI进行测试，参考了许多关于5G与6G的白皮书的描述，6G相对于5G，在系统所能达到的关键KPI的对比如下：

从上面的图可以看出，同5G相比，6G将提供更高性能的无线连接和极致的用户体验，峰值速率可以达到Tbps，用户体验速率可以达到10~100Gbps，简直可以和光纤媲美。如果真的可以实现，那么家里的无线路由器甚至是光猫，是不是可以不要了呢？

除此之外，6G网络可以提供0.1ms的延迟，10倍于5G的连接密度以及厘米级的定位精度和极高的系统可靠性，为将来的元宇宙以及各类垂直行业的数字化提供了可能。你觉着这种KPI够颠覆吗？

不同之二：应用更广

应用更广包含两个层次，一个是应用行业的扩展；另外一个是应用物理空间的扩展。

首先是应用行业的拓展，5G将基本实现万物互联，并生成了三大应用场景，也就是我们所熟知的增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信(uRLLC)、海量机器类通信(mMTC)。那么6G除了在这些应用上随着KPI的增强而继续拓展这些业务外，还发展了两个非常关键的场景，一是人工智能，第二个是网络感知。这得益于6G的超低延时，更近距离定位等新的性能特性。

在物理空间上的拓展，这主要是指将来的6G，会与卫星通信如中继卫星和低轨道卫星通信相融合，真正实现不同维度，包括空中、卫星、海洋和沙漠等立体化通信的需求。在6G网络环境下，一个人不但可以实时感知他自己周围的环境，也能瞬间感知万里之外的环境，将给人类带来意想不到的惊喜。例如，你正在出差中，可以利用6G通信中卫星的拍照功能，随时拍一张你家院子的照片，看看你的宠物是否还在院子里？这个应用够颠覆吗？

不同之三：测试更难

这个很好理解，因为除了已有的技术外，6G还将使用更新的技术。现在有两个非常热的技术：一个是太赫兹通信技术，及6G将来可能使用比现在5G的毫米波频段更高的频段，即Sub-THz（100–300 GHz）和THz频段（300 GHz – 3 THz），以使得6G通信获得更高的带宽。然而，大家都清楚，频段越高，一些器件包括芯片、放大器等的设计就更复杂，测试也就更难。是德科技也在与我们的客户合作，开发用于6G通信的THz和Sub-THz的测试方案。

Flexible and scalable 6G sub-terahertz R&D testbed to address a multitude of frequency bands, bandwidths, and waveform types.”

另外，还有一项非常有意思的6G通信预研技术，即可重构智能表面技术（Reconfigurable Intelligent Surfaces），也叫智能超表面技术，它是3GPP R18中提出的一个技术。各个国家包括我国很多知名大学、研究所、设备商包括运营商，都在积极的开展研究和实验，并取得了较快的进展和不错的成果。RIS技术联盟与去年12月份成立，因此2021年更被业内专家成为“RIS技术元年”。还有人预测，RIS技术有可能在5G-Advanced时期就会落地。RIS技术是一个及其复杂的交叉学科技术，这里对技术细节我们不做过多的扩展，而仅来说明其核心思想，将来我们可能会单独做一个RIS的专题。

众所周知，无线通信实际传输的环境非常复杂，有干扰、多径、时延以及多普勒频移等各种信道特性。传统的通信系统，都是尽其所能的去研究传输信道的特性，定义各种传输信道的模型，然后在电路设计和系统设计时，尽可能地去适应信道特性，从而获得好的通信效果。实际的做法是在产品和系统研发设计过程中，在实验室用信道模拟器来模拟真实的传输环境，对产品进行各种性能测试。是德科技的信道模拟器就帮助广大用户极大地优化了他们的产品设计。

6G网络使用什么频率的信号？

6G网络使用的电磁波段将从毫米波频段，进一步扩展到太赫兹波频段，并且有望能够实现水下信号覆盖。所谓太赫兹波，指的是频率在0.1太赫兹到10太赫兹的电磁波，波长大概在0.03毫米到3毫米之间，比5G的毫米波波长更短，介于微波与红外之间。6G网络可以实现比5G网络低10倍的网络延迟，高10倍的网络连接密度，频谱效率也是5G的2倍。

6G技术的用户是谁？6G使用场景有哪些？

在5G中，我们开始看到机器对机器通信的兴起，而6G技术有望推动其更上一层楼。大众都将成为6G的最终用户，越来越多的设备也将如此。这种转变不仅会影响到人们的日常生活，也会给企业和整个行业带来变革。

除了为最终用户提供更快的浏览速度之外，我们还可以期待通过仿佛身临其境的、有触觉的体验来增进人与人的交流。例如，爱立信就预测会诞生“感官互联网”，即有可能以数字方式让人们感受到气味或味道。新一代移动网络联盟（NGMN）的一份报告称，全息远程呈现和立体视频（我们可以将其视为3D视频）也将成为一种使用场景。这一切都是为了让虚拟现实、混合现实和增强现实融入我们的日常生活。

6G技术可能会对企业和行业产生更大的影响，归根到底会造福我们这些最终用户。机器届时将能够同时处理几百万个连接，完成它们现在还无法胜任的任务。

NGMN报告预计，6G网络将实现超高准确度的定位和跟踪。这可能会带来多方面的进步，例如允许无人机和机器人运送货物和管理制造工厂；改善数字医疗保健和远程健康监测；以及加强数字孪生的使用。

数字孪生将发展成为一个值得关注的使用场景。某些行业可以借助这个重要工具来有效地解决工厂或特定机器的问题，类似的好处不胜枚举。我们可以试想一下创建整个城市的数字孪生，并对复制对象展开测试来评估哪些解决方案最适合交通管理的情景。新加坡政府已经着手构建一个3D城市模型，为未来实现智慧城市做准备。

如何才能实现6G？

创造新世界需要采用新技术。在边缘计算、人工智能（AI）、机器学习（ML）和网络切片等领域，6G无疑可以从5G中受益匪浅。与此同时，我们还需要彻底变革才能满足新的技术要求。

首先是应了解如何在亚太赫兹频率范围内运行。5G需要在24.25 GHz至52.6 GHz的毫米波（mmWave）频段内运行才能完全发挥其潜力，而新一代移动连通性很可能会转向采用100 GHz以上的频率，即亚太赫兹频率，甚至可能会进入真正的太赫兹频率。

为什么要了解这个？随着频率增长，信号波会展现出不同的特性。5G之前的蜂窝通信仅使用6GHz以下频谱，信号最远可以传播10英里。在毫米波频段，信号传播距离急剧缩减到1,000英尺左右。6G建议使用的亚太赫兹信号传播距离往往更小，只有几十到几百英尺而不是上千英尺。

话虽如此，我们可以使用新型天线来尽量扩大信号的传播距离。天线的尺寸与信号波长成正比，因此频率越高，波长越短，天线的尺寸可以缩减到足够小而能够大量部署。此外，天线还采用了一种叫做波束赋形的技术，将信号朝向某个特定的接收机发射，而不是像LTE 之前常用的全向天线那样向着四面八方发射。

另一个重要领域是为AI和ML设计6G网络。5G已经开始考虑将AI和ML添加到现有网络中。到了6G时代，我们有机会从头开始建设与生俱来就适应这些技术的网络。

国际电信联盟（ITU）的一份报告称，到2030年，全球每月将产生超过5,000艾字节（或50亿太字节）的数据。鉴于互联的用户和设备数量如此庞大，我们将不得不依靠AI和ML来执行各项任务，例如管理数据流量；允许智能工业机器做出实时决策并高效利用资源等等。

6G需要解决的另一个挑战是安全性――如何确保数据安全，只有得到授权的用户才能访问它。解决办法是让系统能够自动预测复杂的网络攻击。

最后一项技术需求是虚拟化。随着5G的演进，我们将逐渐转向虚拟环境。如今，OpenRAN（O-RAN）架构将更多的处理和功能转交给云端负责。边缘计算等解决方案将在未来变得越来越普遍。

6G技术是否可持续？

可持续性是当今电信行业关注的焦点。诚然，随着5G的推进，6G也离我们越来越近，人类和机器将消耗越来越多的数据。以我们在数字世界的碳足迹为例，发送一封简单的邮件相当于向大气中排放4克二氧化碳。

幸好，6G技术有望帮助人类在各种应用中提高可持续性。优化农场自然资源的使用就是一个例子。通过使用实时数据，6G还能赋能智能车辆进行路线规划，这将有助于减少碳排放并更好地分配能源，从而提高能源效率。

此外，研究人员也将可持续性放到了他们6G项目的中心。使用新型材料的半导体等元器件应当会降低功耗。归根结底，我们预计新一代移动连通性将会有助于实现联合国可持续发展目标。

6G技术将在什么时候可以使用？

业界一致认为，第一个包含6G的第三代合作伙伴计划（3GPP）标准版本将在2030年完成。6G技术的早期版本最早可能在2028年投入试运行，像前几代标准一样都需要经历十年左右的时间。这是“下一代通信联盟”（Next G Alliance）公布的愿景。

在将新一代移动连通性推向市场之前，国际机构会针对技术规范展开讨论，从而实现互操作性。例如，确保您的手机能在世界各地使用。ITU和3GPP同为知名的标准化机构，他们也设立了工作组来评估全球6G研究进展。

另外技术的发展同样需要时间。许多6G功能需要借助在材料和方法上都突破常规的新的解决方案才能实现，开发这样的方案也同样需要时间。