6G物理层技术研究趋势与方向
产业动态 | 2022/8/3 20:22:26
韩国庆熙大学电子工程系教授安基洪等人介绍了对于6G物理层技术研究趋势与方向的研究结果，相关研究工作得到了韩国科学和信息通信技术部的支持，部分由韩国ITRC（信息技术研究中心）支持计划（IITP-2021-0-02046和IITP-2022-2017-0-01637）监督，由韩国IITP（信息与通信技术规划与评估研究所）资助，部分由韩国国家研究基金会（NRF）资助（2017R1A2B3012316、2020R1A2C2102198、2021R1A4A1030775和2020R1A2C2010006）。
1、必要性和特点
2019年4月以来得到商用的5G移动通信服务，使用了毫米波技术和大规模MIMO等技术。下一代6G移动通信的特性是超高速、比5G快50倍、连接密度高10倍的超高连接和超低延迟（比现在短十分之一）。
在现有的小区结构中，位于小区边缘的用户由于路径损耗而接收到的信号电平较低，遭受相邻小区信号的干扰导致性能下降。业界正在进行研究以减少干扰以提高通信速度。同时，全球移动通信系统协会估计，到2025年，物联网设备的数量将增加到750亿台，业界正在积极研究低延迟网络结构。
毫米波和（亚）太赫兹频段载波频率很高，可以提供非常大的带宽，但更容易受到遮挡的影响，并且在空间复用和波束复用技术中的效用也有限。迄今为止，无线电信道具有随机特性，其大容量、高可靠性的通信是通过简单的闭环控制和混合自动重传请求（HARQ）技术实现的。然而，在毫米波以上的高频段，简单地扩展现有技术，很难满足6G的严格要求。
IRS是一种可以利用外部刺激来操纵内部散射粒子并控制电磁波的反射和衍射的技术。IRS仅通过简单的软件操作即可运行，通过该操作可以构建智能无线电环境，以实现发射器和接收器之间的可靠通信。在无线通信设置中，IRS将传入的无线电波被动地反射到期望的方向，并具有以低成本建立良好且自适应的无线网络环境的优势。
同时，5G NR目前仅支持两种正交波形：循环前缀正交频分复用（CP-OFDM）和单载波频分多址（SC-FDMA）。然而，带宽的增加需要更宽的CP，从而会降低效率，并且高频宽带功率放大器的非线性增加会加剧OFDM峰均功率比（PAPR）问题。
为了更节省资源的传输，需要对新波形进行研究，新波形的设计应考虑对PAPR的抑制、对时间和频率色散的鲁棒性、频率定位和带宽占用。还应考虑所使用频段的特性等因素。
2、研究趋势与方向
①去蜂窝Massive MIMO。这是一种为了减少小区间干扰而被提出的系统。多个接入点（AP）分布在广阔的区域，同时支持多个用户，中央处理器（CPU）用于匹配用户和AP。因为没有小区的概念，所以没有小区间干扰造成的边缘效应，而且由于AP分布在整个区域，没有死区，可以提高宏分集增益和网络连通性。与现有的massive MIMO安装多根天线不同，每个AP配备的天线数量较少，从而降低了所需的成本和功耗，同时也以简单的信号处理技术运行AP。由于所有AP都通过一个或多个回程链路支持所有用户，因此一个潜在的缺点是随着网络规模的增加无法进行扩展，因此需要研究来改进这一方面。
②智能反射面（IRS）。虽然业界已经研究了许多可以提高传输速率和增强连接的方法，但系统复杂性、硬件成本和功耗是有待解决的重要问题。IRS技术被提出来解决这个问题并重新配置无线通信环境。IRS由多个亚波长反射单元组成，每个单元旨在通过独立调整入射信号的幅度或相位来协同实现精细的3D反射波束赋型。它是一种支持智能和可编程无线通信环境的技术，通过使用可控和智能信号反射处理对信道进行人工修改，提供新的自由度（DoF）。通过充当中继，IRS可以增加覆盖范围，同时支持位于信号盲点或小区边缘的用户。 IRS 是通过各种方法开发和实施的，例如机械驱动、功能材料和特定电路结构。此外，由于IRS在发射端不需要射频链路，可以以低功耗、廉价的方式密集安装，无需在无源IRS之间进行复杂的干扰管理。
IRS的通信理论信道模型与现有信道模型的不同之处在于，它通过感知环境，人为地构建良好的信道环境。对于IRS控制的优化，需要建立信道模型和参数测量，研究适合新模型的信道估计方法也很重要。业界正在研究优化IRS控制的协议和技术，其中包括环境感知和计算。特别是，需要对无线网络进行IRS元素建模和网络优化研究。还需要分析和优化应用于MIMO和OFDM系统的IRS技术。
③空中传输（OTA）。OTA基本上是借用分布式结构，多个基站（BS）在没有CPU的情况下处理来自多个设备的数据，由于没有回传，因此需要更短的延迟时间。OTA通过使用无线通信信道中的波形重叠特性来聚合从多个设备传输的数据。每个设备可以通过同时传输AirComp（空中计算）来访问所有的无线资源，而现有的正交多址方式只能使用一部分无线资源，从而获得高频谱效率的无线数据聚合（WDA）。OTA很容易受到黑客攻击，因为它可以访问所有无线电资源，因此业界正在积极进行安全研究。
④6G新波形。考虑OFDM和滤波器组多载波（FBMC）等各种波形的优缺点的波形设计研究正在进行中。业界还研究了一种基于人工智能的波形参数优化方法。此外，为了提高频谱效率，已经研究了以比奈奎斯特速率更高的速率传输的传输（FTN）。该技术需要在接收器进行复杂的计算，以减少符号间干扰；然而，可以获得提高的传输效率。可以考虑结合FTN和CP-OFDM来进一步增强。最近，对FTN的研究扩展到编码系统和MIMO。
1、必要性和特点
2019年4月以来得到商用的5G移动通信服务，使用了毫米波技术和大规模MIMO等技术。下一代6G移动通信的特性是超高速、比5G快50倍、连接密度高10倍的超高连接和超低延迟（比现在短十分之一）。
在现有的小区结构中，位于小区边缘的用户由于路径损耗而接收到的信号电平较低，遭受相邻小区信号的干扰导致性能下降。业界正在进行研究以减少干扰以提高通信速度。同时，全球移动通信系统协会估计，到2025年，物联网设备的数量将增加到750亿台，业界正在积极研究低延迟网络结构。
毫米波和（亚）太赫兹频段载波频率很高，可以提供非常大的带宽，但更容易受到遮挡的影响，并且在空间复用和波束复用技术中的效用也有限。迄今为止，无线电信道具有随机特性，其大容量、高可靠性的通信是通过简单的闭环控制和混合自动重传请求（HARQ）技术实现的。然而，在毫米波以上的高频段，简单地扩展现有技术，很难满足6G的严格要求。
IRS是一种可以利用外部刺激来操纵内部散射粒子并控制电磁波的反射和衍射的技术。IRS仅通过简单的软件操作即可运行，通过该操作可以构建智能无线电环境，以实现发射器和接收器之间的可靠通信。在无线通信设置中，IRS将传入的无线电波被动地反射到期望的方向，并具有以低成本建立良好且自适应的无线网络环境的优势。
同时，5G NR目前仅支持两种正交波形：循环前缀正交频分复用（CP-OFDM）和单载波频分多址（SC-FDMA）。然而，带宽的增加需要更宽的CP，从而会降低效率，并且高频宽带功率放大器的非线性增加会加剧OFDM峰均功率比（PAPR）问题。
为了更节省资源的传输，需要对新波形进行研究，新波形的设计应考虑对PAPR的抑制、对时间和频率色散的鲁棒性、频率定位和带宽占用。还应考虑所使用频段的特性等因素。
2、研究趋势与方向
①去蜂窝Massive MIMO。这是一种为了减少小区间干扰而被提出的系统。多个接入点（AP）分布在广阔的区域，同时支持多个用户，中央处理器（CPU）用于匹配用户和AP。因为没有小区的概念，所以没有小区间干扰造成的边缘效应，而且由于AP分布在整个区域，没有死区，可以提高宏分集增益和网络连通性。与现有的massive MIMO安装多根天线不同，每个AP配备的天线数量较少，从而降低了所需的成本和功耗，同时也以简单的信号处理技术运行AP。由于所有AP都通过一个或多个回程链路支持所有用户，因此一个潜在的缺点是随着网络规模的增加无法进行扩展，因此需要研究来改进这一方面。
②智能反射面（IRS）。虽然业界已经研究了许多可以提高传输速率和增强连接的方法，但系统复杂性、硬件成本和功耗是有待解决的重要问题。IRS技术被提出来解决这个问题并重新配置无线通信环境。IRS由多个亚波长反射单元组成，每个单元旨在通过独立调整入射信号的幅度或相位来协同实现精细的3D反射波束赋型。它是一种支持智能和可编程无线通信环境的技术，通过使用可控和智能信号反射处理对信道进行人工修改，提供新的自由度（DoF）。通过充当中继，IRS可以增加覆盖范围，同时支持位于信号盲点或小区边缘的用户。 IRS 是通过各种方法开发和实施的，例如机械驱动、功能材料和特定电路结构。此外，由于IRS在发射端不需要射频链路，可以以低功耗、廉价的方式密集安装，无需在无源IRS之间进行复杂的干扰管理。
IRS的通信理论信道模型与现有信道模型的不同之处在于，它通过感知环境，人为地构建良好的信道环境。对于IRS控制的优化，需要建立信道模型和参数测量，研究适合新模型的信道估计方法也很重要。业界正在研究优化IRS控制的协议和技术，其中包括环境感知和计算。特别是，需要对无线网络进行IRS元素建模和网络优化研究。还需要分析和优化应用于MIMO和OFDM系统的IRS技术。
③空中传输（OTA）。OTA基本上是借用分布式结构，多个基站（BS）在没有CPU的情况下处理来自多个设备的数据，由于没有回传，因此需要更短的延迟时间。OTA通过使用无线通信信道中的波形重叠特性来聚合从多个设备传输的数据。每个设备可以通过同时传输AirComp（空中计算）来访问所有的无线资源，而现有的正交多址方式只能使用一部分无线资源，从而获得高频谱效率的无线数据聚合（WDA）。OTA很容易受到黑客攻击，因为它可以访问所有无线电资源，因此业界正在积极进行安全研究。
④6G新波形。考虑OFDM和滤波器组多载波（FBMC）等各种波形的优缺点的波形设计研究正在进行中。业界还研究了一种基于人工智能的波形参数优化方法。此外，为了提高频谱效率，已经研究了以比奈奎斯特速率更高的速率传输的传输（FTN）。该技术需要在接收器进行复杂的计算，以减少符号间干扰；然而，可以获得提高的传输效率。可以考虑结合FTN和CP-OFDM来进一步增强。最近，对FTN的研究扩展到编码系统和MIMO。