6G介绍：6G新的项目，新的挑战和机遇并存

6G 周围的噪音越来越大。这肯定是 Gartner 经典炒作周期的开始，我们仍处于创新触发的早期阶段。那么是否有路线图，挑战和机遇是什么?

首先，世界各地有很多倡议。根据总部位于英国剑桥的研究公司 IDTechEx 的数据，全球投入了超过 10 亿美元用于 6G 工作，而 Chian 甚至针对这种可能性进行了实验。据该公司称，芬兰、韩国和中国在研究将成为 6G 核心的太赫兹电子设备方面特别活跃，但在印度和其他地方也有出色的工作。支持芬兰及其合作伙伴的是超过 3.5 亿美元的新欧盟研究拨款。尽管几乎没有决定——甚至频率都没有——但对于雄心勃勃的 6G 目标和挑战可以说很多。

2018 年访问芬兰奥卢后，我第一次认真地写了关于 6G 的文章，并听取了奥卢大学的 Ari Pouttu 教授关于他们如何放下标记，开始进行一些研究的工作。他当时强调，一个研究想法或创新有时可能需要 10 到 15 年才能达到成熟水平，因此现在开始考虑这一点很重要。他还强调了太赫兹通信的挑战，包括处理这些问题的材料。

从那时起，我们报道的开发包括100GHz 无线收发器芯片，以及使用简单混合信号 RF 架构演示140GHz 100Gbps 传输，作为 6G 路线图进展的一部分。最近，CEA-Leti 宣布它正在领导一个泛欧财团开发和测试技术，该技术将允许 6G 信号通过墙壁、天花板、镜子和电器等日常表面进行按需、动态可编程的无线电波传播。

后一个项目称为 RISE-6G，是为期三年的 Horizon 2020 计划的一部分，该计划将设计、原型设计和测试基于可重构智能表面 (RIS) 的智能和能源可持续技术进步，这将实现无线的可编程控制和塑造传播环境。这些表面可能是基于二极管的天线或超材料，用于涂覆环境中的物体，例如墙壁、天花板、镜子和电器，当配备有源射频 (RF) 元件时，它们将作为可重构反射器或收发器进行大规模访问.

项目协调员 Emilio Calvanese Strinati 也是 CEA-Leti 的 6G 未来无线研究总监，他说：“我们的任务是通过动态控制本地、简短和高能效、高容量的通信。该系统还将确保能源效率、定位准确性和防止窃听者的隐私保证，同时适应有关频谱使用和限制电磁场 (EMF) 发射的具体规定。”

6G路线图

所有这些项目对于开发有助于制定 6G 路线图的知识库、试验和原型都是必不可少的。IDTechEx 最近的一份报告“ 2021-2041 年 6G 通信市场、设备、材料”试图预测路线图，以及一些挑战、误解和机遇。

对于知情人士来说，有一种显而易见的说法——虽然 5G 的服务远远超过了手机甚至个人电子产品的需求，但 6G 的情况更是如此。物对物的交流可能比人类交流更重要。至少，基本规范将涵盖传感、定位、边缘计算、最高分辨率成像以及通信的需求。对人类而言，6G 响应时间似乎是即时的，移动设备没有小区到小区的切换。

6G 的关键参数之一将是跃入太赫兹频段——这意味着在 275GHz 至 10THz 的未分配太赫兹频段，也称为远红外。根据 IDTechEx 的说法，这是物理学的“狂野西部”牛仔领域，那里几乎没有组件存在，产生的信号还很微弱。这也被称为“太赫兹间隙”。

出于这个原因，最初的实验通常在更容易的一端进行——100-300GHz。FCC 已提议在 116 和 246GHz 之间的某些频段中正式确定这个“实验者的游戏区”。6G 的推出可能与 5G 一样，从相对容易的频率(例如 275GHz)开始，然后迁移到具有挑战性的更高频率(1THz)以获得最大的好处。(5G 从几 GHz 开始，正在向几十 GHz 迁移)。

最高的、最终的太赫兹频率不太可能高于 1太赫兹，因为在此之后，光束的大气衰减会跃升至严重水平，并且组件也变得极具挑战性。事实上，太赫兹频率将在本地和卫星之间使用，其余的在大多数情况下是自由空间光学(FSO)，因为铺设光纤太昂贵或不切实际。也可能有一些 C 波段 GHz 长距离链路。

问题变成机会

该报告强调了许多可能是机遇的“问题”。这些包括：

· 太赫兹波 (THz) 在光频谱中位于微波和红外线之间，但由于其能量低，科学家们一直无法发挥其潜力。

· 用于更高频率的前端和调制解调器芯片。有争议的是 GaAs、GaN、InP、SiGe、完全耗尽的绝缘体上硅 (FD-SOI) CMOS。

· 前传/回传：大容量连接和高空太阳能无人机仅在阳光下就可以高空飞行 5 年。中国、德国/法国、英国和美国已经在高空进行了数周而不是 5 年的试验。一些将是无人驾驶飞艇，法国/意大利的领先的 ThalesAlenia Stratobus 使用其顶部太阳能织物滚动跟踪太阳，于 2021 年发射。还需要欧洲人和 SpaceX 部署的数万颗低地球轨道 LEO 卫星在美国。这些飞机和卫星都不是专门用于 6G，但它们对 6G 至关重要。

· 异构硬件限制了复杂集成到单一平台

· 实现优势的网络边缘设备能力

· 3D 网络的复杂资源管理

· 频谱和干扰管理

· 太赫兹大气吸收

· 太赫兹光束管理

· 物理层安全

· 太赫兹建模

· 成本控制

抑制6G热情

报告表明，所有这些 6G 热情都存在反驳论据。有人说 5G 被证明是如此昂贵，它可能永远不会完全部署。他们建议那些需要更多的人将从不需要更多标准的更高频率版本的 5G 中获得它。IDTechEx 指出，如果没有不存在且可能永远无法负担的东西，6G 就不可能发生。之所以需要它，是因为太赫兹光束很窄、很弱，而且不会拐弯。几乎任何东西都会阻止它们，因此即使在您的私人住宅中，您也需要智能表面来提供无处不在的访问权限。

这些智能表面有很多名称。“超表面”、“智能反射表面 IRS”、“软件可编程超表面 SPM”。它们由可单独编程的“块”阵列中的有源太赫兹组件和超材料组成。这些必须重定向、放大、准直、极化和以其他方式操纵这些太赫兹光束。

IDTechEx 表示还有其他问题——比如 6G 需要大量的基础设施。它还质疑围绕始终在线连接需求的一些思考是否明智。“他们说 6G 最终将允许数十亿的事物与事物合作，所有事物都直接连接到互联网。这是物联网的基本概念。也许。他们说 6G 是混合现实和虚拟现实、医学成像和机器人车辆的未来，但让我们考虑最后一个。特斯拉开发了无需地图或连接即可工作的自动驾驶汽车。它不需要6G。”

材料供应商的新机遇

尽管如此，6G的研发工作仍将继续，这将意味着材料供应商的新机遇。将在 6G 中广泛使用的材料包括石墨烯和超材料(超级电容器、热调平、HEMT 晶体管、天线、超表面)和许多不同的 3-5 化合物(HEMT 晶体管、太赫兹二极管、基板、能量收集、太阳能飞机)。