第六代移动通信技术探析

在5G的基础上,6G的发展将对通信发展的智能过程产生深远的影响,其中包括智能连接、深度连接、全息连接以及无处不在的连接。本文对6G的发展趋势、性能、应用场景及可能遇到的挑战进行了阐述。

面向6G通信感知一体化的固定与可移动天线技术

多天线技术通过在收发端部署天线阵列,从而提供额外的空间自由度(degrees of freedom,DoFs),大幅提升了无线通信的可靠性与有效性。与此同时,多天线技术应用于雷达感知领域,实现了空间角度分辨能力并提升了感知自由度,大幅增强了无线感知性能。然而,无线通信与雷达感知领域在过去数十年里独立发展。因此,尽管多天线技术在这两个领域分别取得了巨大的进步,但并没有通过发挥它们的协同作用来实现深度融合。随着感知与通信的融合被确定为第六代(the sixth-generation,6G)移动通信网络的典型应用场景之一,多天线技术的发展面临新的机遇以填补上述空白。为此,本文围绕未来天线阵列规模持续扩张、阵列架构更加多样、阵列形态更为灵活等发展趋势,对面向6G通信感知一体化的多天线技术进行综述。首先介绍未来多天线的不同架构类型,包括以传统紧凑式阵列和新兴稀疏阵列为代表的集中式阵列架构、以无蜂窝大规模MIMO(multiple-input multiple-output)为代表的分布式天线架构,以及三维连续空间阵元位置与朝向灵活可调的可移动天线/流体天线。然后,本文将介绍基于上述天线架构的远场/近场信道建模,并进行通信与感知性能分析。最后总结不同天线架构的特点,并展望解决因天线阵列规模的持续扩展及阵列形态的灵活多变引起的信道状态信息获取困难的新思路。

智能超表面使能无人机高能效通信信道建模与传输机理分析

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)作为第六代(Sixth Generation,6G)移动通信中的潜在关键技术之一,具有低成本、低能耗和易于部署等特点.通过给电磁单元上的可调元件施加控制信号,可以实现对入射信号的幅度、相位、极化等调控,从而构造智能化的通信环境,为终端高能效无线通信提供了契机.本文首先基于无人机通信技术发展现状,阐明了将RIS技术引入无人机通信系统的必要性;然后,分析了RIS使能无人机高能效通信信道的传输机理,归纳了信道建模关键技术;最后针对RIS使能无人机高能效通信信道建模,总结和展望了未来的技术挑战与研究方向.

基于机器学习的OTFS系统信道估计与信号检测研究进展

OTFS调制可以在高速移动场景下有效对抗ICI,能提供比传统的OFDM更显著的性能增益,充分提升高多普勒扩展场景下的通信系统频谱效率,改善通信系统质量,近年来得到广泛研究。OTFS系统的研究重点和难点在于信道估计与信号检测。人工智能已经成为一种有效的信息处理手段,在各行业都得到了广泛的应用。而机器学习是人工智能中的重要分支,通过将机器学习与OTFS技术相结合,可以有效解决信道估计与信号检测中的问题,提高系统性能、稳定性和可靠性。对目前基于机器学习的OTFS系统的信道估计与信号检测算法进行了较为全面的调研、分析、对比和归纳,进而梳理出技术挑战,并就未来的技术发展趋势进行了探讨。

基于MSK-LFM的光载太赫兹通感信号产生与传输方案

针对第六代移动通信(The 6th Generation Mobile Communication,6G)中一体化需求感知精度较低的问题,提出一种基于最小频移键控(Minimum Shift Keying,MSK)与线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)的光载太赫兹通感一体化信号的产生与传输方案。利用MSK-LFM信号在太赫兹频段同时实现通信和感知测距,在通信接收端使用数字信号处理降低无线通信误码率,在感知接收端利用去啁啾技术进行测距。仿真结果表明,MSK-LFM信号在235 GHz太赫兹频段能够实现8 Gbit·s^(-1)的无线通信速率,在距离感知精度上达到了3.75 cm的距离分辨率,且通信误码率低于软判决阈值。当直流偏置为0.8时,8 GHz带宽的MSK-LFM信号通感性能达到平衡,该方案与M相移键控与线性调频(Phase Shift Keying,Linear Frequency Modulation,MPSK-LFM)信号方案相比,在相同通信速率下具有更高的感知测距精度。

基于深度Q网络算法的卫星边缘卸载策略

在星地融合网络中,为了降低用户卸载计算任务的时延和能耗,将边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC)技术与星地协同网络结合,提出一种基于深度Q网络(Deep Q-Network, DQN)算法的卫星边缘卸载策略。在卫星网络边缘部署MEC服务器,将中心处理单元(Central Processing Unit, CPU)设为可与周围环境交互的智能体,建立任务卸载时延和能耗加权和最小化问题。为求解该非凸优化问题,将其转化为马尔科夫决策过程,确立对应的状态空间、动作空间和奖励函数及策略更新函数,寻求最优解。仿真结果表明,与基于Q学习(Q-learning)策略和基于演员家-评论家(Actor-Critic, AC)策略进行对比,所提策略可以有效地增加系统的平均回报值,降低系统开销。

面向6G上下行解耦技术的性能指标分析

上行链路(Uplink,UL)和下行链路(Downlink,DL)解耦是第六代移动通信网络(the sixth-generation mobile communication networks,6G)的一个关键特性,可以增强覆盖范围、能源效率和频谱效率。然而,6G中的上下行链路解耦技术指标分析在很大程度上仍然是空白的。讨论了上下行传输中用户接入方案,推导了多种情况下的下行链路接入概率。在此基础上,进一步推导了上行链路和下行链路中断概率表达式,且利用柯西-施瓦茨不等式分析了上行链路中断概率的下界。仿真结果表明,推导的性能解析表达式与蒙特卡罗仿真结果相吻合,中等信噪比时,理论下界与真实值之间的间隙很小。

太赫兹通信技术综述

太赫兹频段(0.1~10 THz)信号在空气中传播衰减大、传输距离短,在太赫兹通信技术得到广泛应用之前,这些关键问题需要攻克。首先,介绍了当前太赫兹信道的研究进展,包括信道建模、信道测量及信道估计。在此基础上,分析了单用户基本通信场景和多用户复杂通信场景,并针对各个场景中存在的问题列举了可能的解决方案。最后,展望了太赫兹通信未来可行的研究方向。

6G移动通信关键技术趋势初探(特邀)

文章根据第六代移动通信系统(6G)的总愿景和不同维度子愿景,分类阐述了有可能实现这些美好愿景的关键技术趋势和挑战。文章从新晶体复合材料、超材料、非正交波形、高频毫米波和太赫兹生成等物理基础性技术,到无线新型互联网基础设施和深海通信网络等网络基础性技术,再到人工智能使能、感知互联和人体通信等新兴应用技术,分门别类地介绍了6G时代充满机遇和挑战的某些候选关键技术。文章引用了部分国际顶级学术期刊的相关内容和研究成果,期望观点尽可能严谨合理,并引起业界对6G移动通信发展趋势的关注。

6G重叠区域中基于博弈论的任务卸载策略

为实现6G网络基站服务范围重叠区域内复杂任务的高效计算,对重叠区域的任务卸载问题展开研究。在综合考虑任务时延约束、系统能耗、社会效应以及经济激励的基础上,构建多基站多物联网设备的多接入边缘计算网络模型,联合优化基站定价策略、物联网设备基站选择策略和任务卸载策略,实现基站利润和物联网设备效用的最大化。为解决重叠区域中物联网设备基站选择的问题,构建了多对一匹配博弈模型,提出基于交换匹配的基站选择算法优化物联网设备的基站选择策略。引入斯坦伯格博弈理论建立基站与物联网设备间定价和任务卸载交互的两阶段博弈模型,通过反向归纳法证明斯坦伯格均衡的存在性和唯一性。提出了基于博弈论的最优价格最佳响应算法(Optimal pricing and Best response algorithm based on Game Theory,OBGT),以获得基站和物联网设备的均衡策略。仿真实验和对比实验表明,OBGT算法可以在短时间内达到收敛,有效提高基站利润和物联网设备效用。

6G智联新场景与网络管控新范式

随着6G通信技术的蓬勃发展,新的智联场景不断浮现,给包含网络管控在内的网络架构带来新的挑战和需求。文章首先介绍IMT-2030工作组对6G应用场景的分析,具体涵盖九大特点和主要的智联场景,以及这些场景的分类总结。接着根据场景特点列举6G网络架构需要面对的挑战和满足的需求,并概括国内三大运营商的6G网络架构设计思想。最后,介绍知识定义的意图网络,作为一个新的6G网络管控范式,并梳理其核心理念——知识与意图双闭环管控架构。

6G关键技术研发竞争格局与应对策略

数字经济作为新的经济形态成为推动经济增长的重要驱动力,第六代移动通信(6G)与数字经济之间存在着互促和依存的关系,相应关键技术研发价值重大且国际竞争格局激烈。本文从无线技术、网络技术、安全技术3个维度出发,系统梳理了6G关键技术研发的原理和发展现状,评估了我国在这些关键技术方向上的全球竞争力;具体技术方向包括无线人工智能技术、超大规模天线技术、太赫兹通信、智能反射面、通信感知一体化,分布式网络技术、“空天地”一体化组网技术、内生智能网络技术、算力网络技术,物理层安全技术、网络层安全技术、数据安全及隐私保护技术。研究建议,加速6G无线、网络、安全等核心技术产业化,以6G网络能力跨越式发展来服务未来业务需求;注重创新保障、产业支撑、扩大内需、人才保障,支持创新生态构建,形成6G产业发展保障支撑;与全球通信产业开展密切合作,积极参与6G国际标准制定,共同推动6G技术产业化。

太赫兹透镜天线的进展研究

太赫兹天线是未来第六代移动通信(6G)的重要组成部分,其中太赫兹透镜天线因其高增益、稳定的辐射特性、低成本等优点,受到广泛关注。太赫兹透镜天线不存在馈源遮挡的问题,能够实现多种波束控制功能,其聚焦功能可应用于成像系统,也可在测试装置中起波束准直的作用。太赫兹制作工艺的进步使太赫兹透镜天线的加工精度更高、效果更好,也进一步促进太赫兹透镜天线的发展。本篇综述总结了近五年报道的太赫兹透镜天线,综合其功能、制作工艺、形态、应用场景等特点对它们进行介绍。

欧美6G技术研发部署及启示

相比传统无线通信系统,第六代移动通信系统(6G)网络体系更加异构,技术集成更加复杂,业务类型更加多样,应用场景更加丰富,运营模式更加分散灵活。6G有望以万物智联的方式实现物理世界、数字世界和社会生活的深度融合,势必引发经济社会运行模式的深度调整。包括美国、欧盟在内的世界主要经济体均高度关注6G技术,超前布局研发和应用示范,以期在未来科技竞争中取得先发优势。了解欧美国家相关政策动向和技术进展,对于完善中国移动通信研究布局具有重要参考借鉴意义。

可重构智能表面与网络控制中继器的性能比较

可重构智能表面是第六代移动通信的潜在关键技术之一。为推动可重构智能表面的工程应用,借鉴现有技术的标准化经验至关重要。因此对可重构智能表面与3GPP中已标准化的网络控制中继器进行了系统性能的比较。首先对两者的技术细节进行了比对,接着通过系统建模和仿真对比了参考信号接收功率和信干噪比。通过对比两者,对可重构智能表面的标准化和工程应用提出了建议。

全息无线电:全息超表面赋能的超大规模MIMO新范式

得益于空间复用能力,超大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术成为未来第六代通信提供高速数据服务和全球海量网络接入的关键技术之一.传统的大规模MIMO技术主要依托装配有高分辨率移相器的大规模相控阵来实现.然而,移相电路的高功耗与高硬件成本阻碍了超大规模相控阵在实际工程中的应用,从而阻碍了超大规模MIMO的实际部署与发展.本文考虑了一种超大规模MIMO的新范式——全息无线电.在全息无线电中,大量微小而廉价的天线单元紧密集成,在低硬件成本的情况下达到高方向性增益,从而能够对电磁波进行灵活的调控并有效提升无线通信性能.本文提出利用一种名为可重构全息超表面(Reconfigurable Holographic Surface,RHS)的新型超材料天线来实现全息无线电.具体而言,RHS由大量低成本低功耗可调谐超材料单元组成,其馈源与超表面集成为一体并产生电磁波,电磁波沿着超表面传播并逐一激励RHS辐射单元,每个RHS辐射单元会根据全息干涉原理在超表面上构建全息图案控制电磁波的辐射幅值从而实现全息波束成形.根据RHS的工作原理,本文介绍了一种低复杂度的新型多址接入技术——全息多址接入(Holographic-pattern Division Multiple Access,HDMA)技术,其主要思想是将所有发射信号映射叠加至超表面构建的单一全息图样上从而为多用户提供数据传输服务.本文对HDMA方案进行了优化设计以最大化RHS辅助下的多用户广播通信系统能量效率.为了进一步验证HDMA技术的有效性,本文实现了二维RHS阵列的原型机并搭建了RHS辅助下的全息无线电通信平台.基于HDMA技术,该通信平台能够以低功耗支持多用户高清视频的实时传输.实验结果表明RHS具有以简单的布线方式和低功耗实现定向增益的巨大潜力,从而进一步验证了利用RHS实现全息无线电的可行性.此外,本文还讨论了基于RHS的全息无线电的未来研究方向和关键挑战.

自适应OFDM调制结构优化设计

为了提高调制结构快速灵活配置能力,针对未来移动通信系统业务多样化以及用户业务切换快速灵活的要求,基于离散余弦变换提出了自适应正交频分复用调制结构(AOFDM)。AOFDM通过分段配置原型函数,调节子载波数以及滤波器长度,保证调制波形在用户传输业务切换过程中自适应转换而无需中断传输。仿真分析表明,AOFDM具有很好的频谱收敛特性和峰均功率比性能,可以做到快速灵活的无缝切换,并能保证调制结构在信息切换前后的完全重建;在传输信道影响情况下,AOFDM的误码率性能相比于OFDM系统无明显的损失。

面向6G可信可靠智能的区块链分片与激励机制

第六代(6G)无线通信网络将成为内生智能、泛在连接以及全场景互联互通的基座,是实现可信可靠智能的重要基础。区块链技术被认为是提升6G网络性能的去中心化赋能技术。未来区块链的共识节点将由海量边缘设备组成,并通过无线网络连接。然而,自利的边缘设备参与区块链共识过程仍面临着信息不完全对称、资源限制和异构无线通信环境的挑战。为此,提出了面向6G可信可靠智能的区块链分片与激励机制。为了最大化区块链分片的收益和可靠性,提出了基于实用拜占庭机制的区块链分片架构,同时设计了一个基于契约理论的激励机制。首先,通过分析基于实用拜占庭的片内共识机制及其区块在无线网络中的广播特性,构建了维护区块链分片网络的计算和通信的能耗模型;然后,为了提高系统可靠性和抵御恶意攻击的能力,提出了基于主观逻辑的信誉机制;最后,分别在信息完全对称和不完全对称的条件下求出了最优契约组合。该契约组合最大化区块链服务请求者的区块收益,同时满足预算可行性、个体理性和激励相容性。仿真结果表明,基于契约理论的激励机制能更可靠地激励边缘节点参与区块链共识过程,并从经济学角度有效地维护区块链的运行。

6G技术中的空中接入网:进展与展望

空中接入网(aerial access network, AAN)具有抗毁性强、覆盖范围广、视距传播概率高的特点,与地面网络相结合能够缓解流量负载压力,提供全时空的连接与服务,可有效助力第六代移动通信网络(6th generation mobile networks, 6G)“万物智联”愿景的实现.因此,在分析AAN中的卫星通信和高空平台(high altitude platform station, HAPS)技术研究进展的基础上,研究了卫星通信在数据接入方面的应用以及HAPS在一体化网络架构中的作用,探究了卫星与HAPS两种技术对未来网络的影响以及进一步优化二者的潜在方法.最后,对卫星接入的数据碰撞问题和HAPS的缓存问题进行讨论分析,并从上述问题出发展望了卫星通信和HAPS技术的未来发展方向.

面向6G低轨卫星物联网的能效优先的多波束鲁棒预编码设计

如今,物联网已经应用在经济社会的各个领域,但是由于空间、环境等限制,地面物联网在一些应用场景中表现出了服务能力严重不足的问题。针对这个问题,第六代移动通信技术(6th generation mobile networks,6G),提出将卫星通信与地面通信融合,从而实现全球无缝覆盖。对于卫星通信,卫星通常由太阳能供电,导致能量有限,因此想要实现大规模设备高质量的通信,卫星的能量效率设计非常必要。本文为6G低轨(low earth orbit,LEO)卫星物联网(Internet of Things,IoT)设计了一个能量有效的非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)框架,以支持广域分布设备的大规模机器通信(massive machine-type communications,mMTC)。考虑到LEO卫星的能量有限性和信道状态信息(channel state information,CSI)不准确,本文建立了一个在功率和信干噪比(signal-tointerference-plus-noise ratio,SINR)约束下最大化能效的优化问题。通过将分数形式问题转换为等效的减法形式优化问题,提出了一种鲁棒的联合波束成形和功率分配算法,以在存在信道不确定性的情况下最大化能量效率。理论分析和仿真结果均验证了所提算法的有效性和鲁棒性。