MATLAB：聚焦 6G 無(wú)線(xiàn)技術(shù)——目標和需求

從 3G 到 5G 乃至之后的每一種無(wú)線(xiàn)標準，都在設計時(shí)加入了推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的具體目標。例如，4G 專(zhuān)注于以 IP 為中心的靈活語(yǔ)音、數據和視頻通信，而 5G 則在此基礎上進(jìn)行了改進(jìn)。6G 的目標是提供更加無(wú)處不在、更高效、更身臨其境的無(wú)線(xiàn)連接。6G 系統的研發(fā)正在逐步前進(jìn)，我們也開(kāi)始對無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)工程師在當前和未來(lái)項目中應該予以考慮的賦能技術(shù)。 

6G 無(wú)線(xiàn)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 通信系統的一部分。這將會(huì )使新的頻譜管理方法成為可能，并在數據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(lái)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )需要精確定位無(wú)線(xiàn)設備，以?xún)?yōu)化其傳輸。通過(guò)引入新的頻率，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的定位、傳感和通信功能。 

JCAS 系統可以通過(guò)獲取更準確的室內空間、范圍、障礙物和定位信息并將其發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )來(lái)提高室內通信場(chǎng)景的性能。根據愛(ài)立信最近的研究^[1]，JCAS 的主要優(yōu)勢之一是“大多數基礎設施已經(jīng)到位，發(fā)送/接收（Tx/Rx）節點(diǎn)實(shí)現了全區域覆蓋，并且節點(diǎn)之間互連良好，這促進(jìn)了多靜態(tài)感知網(wǎng)格”。如果無(wú)線(xiàn)系統中已集成傳感功能，那么 6G 中引入的亞太赫茲頻譜中的新頻率可能會(huì )為無(wú)線(xiàn)工程師使用類(lèi)似雷達的技術(shù)鋪平道路。然而，設計 JCAS 系統的挑戰在于組合系統帶來(lái)的計算復雜性，以及由此帶來(lái)的對可用資源的爭用，這可能會(huì )減慢或中斷無(wú)線(xiàn)服務(wù)。 

可重構智能表面

因易于部署、頻譜效率增強、與當前無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準和硬件的兼容性以及可持續性，可重構智能表面（RIS）在無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域中獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。RIS 是一種新型介質(zhì)，它讓工程師能夠通過(guò)一系列反射單元以編程方式動(dòng)態(tài)地控制信號在發(fā)射機和接收機之間的傳播。主動(dòng)反射和控制傳入表面的信號的能力要求無(wú)線(xiàn)工程師使用 MIMO 無(wú)線(xiàn)系統。該系統雖然可以提高可控性，但需要額外的天線(xiàn)和窄波束。窄波束具有一定的挑戰，因為瞄準波束時(shí)的任何一個(gè)小錯誤都可能使其無(wú)法到達預定目標。 

所有這些類(lèi)型的創(chuàng )新都為無(wú)線(xiàn)系統帶來(lái)了巨大的復雜性和可變性，使設計空間探索任務(wù)變得非常困難。構建這些無(wú)線(xiàn)系統類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)工程師經(jīng)常使用 MATLAB 和 Simulink 來(lái)設計、建模、測試和分析他們的設計。因為他們可以在無(wú)需承擔后果的仿真環(huán)境中探索新的頻率范圍、帶寬、參數集、MIMO 的比例仿真以及更高的采樣率。 

帶來(lái)無(wú)線(xiàn)連接的非地面網(wǎng)絡(luò )

使連接無(wú)處不在的一項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步是非地面網(wǎng)絡(luò )（NTN）的出現。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）衛星在內。無(wú)線(xiàn)工程師越來(lái)越多地將移動(dòng)設備集成到混合地面和非地面 5G 移動(dòng)基礎設施中來(lái)為企業(yè)和消費者提供服務(wù)。Apple 的緊急 SOS 功能^[2]是最著(zhù)名的一項應用。NTN 的價(jià)值在于它們可以在不依賴(lài)蜂窩信號塔的情況下建立全球無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，特別是在建造成本過(guò)高的地方。 

人工智能對 6G 系統至關(guān)重要

6G 網(wǎng)絡(luò )的日益復雜使得人工智能的使用成為必要。因為光靠人來(lái)緊跟 6G 帶來(lái)的更快速度和更高復雜性已不太實(shí)際。人工智能方法可通過(guò)自動(dòng)、高效地提取底層模式來(lái)解決非線(xiàn)性問(wèn)題，這超出了人工方法的能力范圍。工程師可以應用人工智能（包括機器學(xué)習、深度學(xué)習或強化學(xué)習工作流）來(lái)配置、優(yōu)化和自行組織 6G 無(wú)線(xiàn)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(guò)估計源環(huán)境行為將仿真環(huán)境納入算法模型，使項目管理從中受益，從而讓工程師能夠使用最少的計算資源快速研究系統的主要效應。無(wú)線(xiàn)通信的最大優(yōu)點(diǎn)是數學(xué)和物理從不會(huì )出現爭議。問(wèn)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 標準中，但無(wú)線(xiàn)工程師現在便應該對即將到來(lái)的創(chuàng )新進(jìn)行學(xué)習。一旦 6G 的需求得到確定，那些使用人工智能來(lái)進(jìn)行整合 JCAS、RIS 或 NTN 設計并通過(guò)仿真來(lái)測試這些設計的無(wú)線(xiàn)工程師將具備更有利的競爭優(yōu)勢。 

參考文獻

[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(wú)線(xiàn)產(chǎn)品經(jīng)理