MATLAB：聚焦 6G 無線技術(shù)——目標(biāo)和需求

從 3G 到 5G 乃至之后的每一種無線標(biāo)準(zhǔn)，都在設(shè)計(jì)時(shí)加入了推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的具體目標(biāo)。例如，4G 專注于以 IP 為中心的靈活語音、數(shù)據(jù)和視頻通信，而 5G 則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。6G 的目標(biāo)是提供更加無處不在、更高效、更身臨其境的無線連接。6G 系統(tǒng)的研發(fā)正在逐步前進(jìn)，我們也開始對無線行業(yè)將會(huì)經(jīng)歷的技術(shù)進(jìn)步有了清晰的了解。下面將深入探討無線工程師在當(dāng)前和未來項(xiàng)目中應(yīng)該予以考慮的賦能技術(shù)。 

6G 無線通信工作流將包括人工智能、非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）、波形探測、毫米波和增強(qiáng)型射頻傳感。 

新頻率，包括亞太赫茲通信

使用 7-24 GHz 范圍和亞太赫茲范圍（大于 100 GHz）中的新頻率很可能成為 6G 通信系統(tǒng)的一部分。這將會(huì)使新的頻譜管理方法成為可能，并在數(shù)據(jù)速率和速度方面提升性能，增加網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸帶寬，同時(shí)減少網(wǎng)絡(luò)干擾。 

通信傳感一體化

未來的無線網(wǎng)絡(luò)需要精確定位無線設(shè)備，以優(yōu)化其傳輸。通過引入新的頻率，無線網(wǎng)絡(luò)將能夠提供高度精確的傳感，并掌握其周邊物理環(huán)境的空間信息。這就是為什么 6G 將使用通信傳感一體化（JCAS）的原因所在。這種技術(shù)集成了無線網(wǎng)絡(luò)的定位、傳感和通信功能。 

JCAS 系統(tǒng)可以通過獲取更準(zhǔn)確的室內(nèi)空間、范圍、障礙物和定位信息并將其發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)來提高室內(nèi)通信場景的性能。根據(jù)愛立信最近的研究^[1]，JCAS 的主要優(yōu)勢之一是“大多數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)到位，發(fā)送/接收（Tx/Rx）節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了全區(qū)域覆蓋，并且節(jié)點(diǎn)之間互連良好，這促進(jìn)了多靜態(tài)感知網(wǎng)格”。如果無線系統(tǒng)中已集成傳感功能，那么 6G 中引入的亞太赫茲頻譜中的新頻率可能會(huì)為無線工程師使用類似雷達(dá)的技術(shù)鋪平道路。然而，設(shè)計(jì) JCAS 系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于組合系統(tǒng)帶來的計(jì)算復(fù)雜性，以及由此帶來的對可用資源的爭用，這可能會(huì)減慢或中斷無線服務(wù)。 

可重構(gòu)智能表面

因易于部署、頻譜效率增強(qiáng)、與當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和硬件的兼容性以及可持續(xù)性，可重構(gòu)智能表面（RIS）在無線領(lǐng)域中獲得了越來越多的關(guān)注。RIS 是一種新型介質(zhì)，它讓工程師能夠通過一系列反射單元以編程方式動(dòng)態(tài)地控制信號(hào)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播。主動(dòng)反射和控制傳入表面的信號(hào)的能力要求無線工程師使用 MIMO 無線系統(tǒng)。該系統(tǒng)雖然可以提高可控性，但需要額外的天線和窄波束。窄波束具有一定的挑戰(zhàn)，因?yàn)槊闇?zhǔn)波束時(shí)的任何一個(gè)小錯(cuò)誤都可能使其無法到達(dá)預(yù)定目標(biāo)。 

所有這些類型的創(chuàng)新都為無線系統(tǒng)帶來了巨大的復(fù)雜性和可變性，使設(shè)計(jì)空間探索任務(wù)變得非常困難。構(gòu)建這些無線系統(tǒng)類型的無線工程師經(jīng)常使用 MATLAB 和 Simulink 來設(shè)計(jì)、建模、測試和分析他們的設(shè)計(jì)。因?yàn)樗麄兛梢栽跓o需承擔(dān)后果的仿真環(huán)境中探索新的頻率范圍、帶寬、參數(shù)集、MIMO 的比例仿真以及更高的采樣率。 

帶來無線連接的非地面網(wǎng)絡(luò)

使連接無處不在的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步是非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的出現(xiàn)。NTN 指的是任何涉及非地面飛行物的網(wǎng)絡(luò)，包括近地軌道（LEO）衛(wèi)星在內(nèi)。無線工程師越來越多地將移動(dòng)設(shè)備集成到混合地面和非地面 5G 移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施中來為企業(yè)和消費(fèi)者提供服務(wù)。Apple 的緊急 SOS 功能^[2]是最著名的一項(xiàng)應(yīng)用。NTN 的價(jià)值在于它們可以在不依賴蜂窩信號(hào)塔的情況下建立全球無線網(wǎng)絡(luò)，特別是在建造成本過高的地方。 

人工智能對 6G 系統(tǒng)至關(guān)重要

6G 網(wǎng)絡(luò)的日益復(fù)雜使得人工智能的使用成為必要。因?yàn)楣饪咳藖砭o跟 6G 帶來的更快速度和更高復(fù)雜性已不太實(shí)際。人工智能方法可通過自動(dòng)、高效地提取底層模式來解決非線性問題，這超出了人工方法的能力范圍。工程師可以應(yīng)用人工智能（包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)或強(qiáng)化學(xué)習(xí)工作流）來配置、優(yōu)化和自行組織 6G 無線通信。此外，6G 可能會(huì)支持基于人工智能的空中接口^[3]以改進(jìn)功能，如聯(lián)合壓縮和編碼、波束成形、信道狀態(tài)信息（CSI）壓縮以及定位。人工智能還可通過估計(jì)源環(huán)境行為將仿真環(huán)境納入算法模型，使項(xiàng)目管理從中受益，從而讓工程師能夠使用最少的計(jì)算資源快速研究系統(tǒng)的主要效應(yīng)。無線通信的最大優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)和物理從不會(huì)出現(xiàn)爭議。問題出在于使其高效、可行的需求和技術(shù)方面。我們得等到 2026 年才能知道哪些候選技術(shù)和要求會(huì)被包含在 6G 標(biāo)準(zhǔn)中，但無線工程師現(xiàn)在便應(yīng)該對即將到來的創(chuàng)新進(jìn)行學(xué)習(xí)。一旦 6G 的需求得到確定，那些使用人工智能來進(jìn)行整合 JCAS、RIS 或 NTN 設(shè)計(jì)并通過仿真來測試這些設(shè)計(jì)的無線工程師將具備更有利的競爭優(yōu)勢。 

參考文獻(xiàn)

[1] https://www.ericsson.com/en/blog/2021/10/joint-sensing-and-communication-6g

[2] https://www.apple.com/newsroom/2022/11/emergency-sos-via-satellite-available-today-on-iphone-14-lineup

[3] https://ieeexplore.ieee.org/document/9247527 

作者：Houman Zarrinkoub 博士，MathWorks 首席無線產(chǎn)品經(jīng)理