6G與廣域物聯(lián)網(wǎng)（中）

3需要進(jìn)一步突破的廣域物聯(lián)網(wǎng)若干關(guān)鍵技術(shù)6G除了需要提供更高的傳輸速率和更廣闊的網(wǎng)絡(luò)覆蓋之外，還需要針對(duì)普適性的廣域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)更有效的連接與服務(wù)方式。3.1高可靠與低時(shí)延5G新空口（NR，newradio）首次將高可靠、低時(shí)延列為公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)指標(biāo)。一方面，5GNR通過(guò)引入更短的時(shí)隙調(diào)度單位、業(yè)務(wù)優(yōu)先搶占與免許可接入獲準(zhǔn)機(jī)制等，降低了空中接口的傳輸時(shí)延；另一方面，通過(guò)引入重復(fù)發(fā)送、多點(diǎn)發(fā)送（multi-TRP）或多連接發(fā)送等機(jī)制，提高了無(wú)線傳輸鏈路的可靠性[26]。為了制定網(wǎng)絡(luò)端到端的uRLLC解決方案，業(yè)界探討了多種可能的技術(shù)途徑，包括能夠兼顧時(shí)分復(fù)用（TDM，time-divisionmultiplexing）和統(tǒng)計(jì)復(fù)用兩者優(yōu)點(diǎn)的光承載技術(shù)FlexE，能夠?yàn)殒溌穼犹峁┑蜁r(shí)延、高可靠保障的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN，timesensitivenetwork）以及為5G網(wǎng)絡(luò)層切片及QoS提供保障的確定性網(wǎng)絡(luò)（DetNet）等，其總體目標(biāo)是解決傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)盡力而為、無(wú)法保障端到端時(shí)延及服務(wù)質(zhì)量的瓶頸問(wèn)題[27]。其中，所涉及的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是面向以太網(wǎng)（Ethernet）網(wǎng)絡(luò)同步的IEEE1588PTPv2協(xié)議，文獻(xiàn)[25]利用該技術(shù)構(gòu)建了大規(guī)模分布式協(xié)作5G實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，解決了分布式MU-MIMO無(wú)線節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步問(wèn)題，但對(duì)于精確度更高、規(guī)模更大的應(yīng)用，還需要在網(wǎng)絡(luò)同步機(jī)制方面進(jìn)一步發(fā)展與創(chuàng)新。盡管5GNR在高可靠、低時(shí)延研究方面取得了重要進(jìn)展，但應(yīng)客觀地看到，端到端uRLLC技術(shù)研究仍處于不斷成熟的初期。一方面，uRLLC尚未出現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用的成功范例，需要在實(shí)踐中不斷完善；另一方面，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，目前缺乏有效的整體性能分析與評(píng)測(cè)手段。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，能否通過(guò)uRLLC確保業(yè)務(wù)應(yīng)用所需的QoS，其本身就極具挑戰(zhàn)性。制約uRLLC技術(shù)發(fā)展的另外一個(gè)根本性因素是學(xué)術(shù)界尚未建立相對(duì)統(tǒng)一的高可靠、低時(shí)延理論與方法體系，具體原因論述如下。1）以無(wú)線鏈路的高可靠性研究為例。5GNR和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT，narrowbandInternetofthings）以相同信息在多個(gè)無(wú)線資源塊之間的重復(fù)發(fā)送為其基本手段[26，28]，在提高無(wú)線鏈路可靠性的同時(shí)，極大地降低了無(wú)線資源的利用效率，且可能產(chǎn)生較大的傳輸時(shí)延。顯然，完整的研究方法需要統(tǒng)籌地考慮無(wú)線鏈路的可靠性、無(wú)線資源的利用率、所使用的天線數(shù)以及無(wú)線鏈路的傳輸時(shí)延，并尋求其最優(yōu)折中。但是，目前似乎并不存在相應(yīng)的理論支撐體系。其次，目前5GNR的主要支撐技術(shù)——大規(guī)模MIMO本身就具備空間復(fù)用和空間分集的折中能力[29]，這意味著借助于大規(guī)模MIMO，系統(tǒng)可以在吞吐率與分集度（可靠性）之間進(jìn)行有效的折中。在此方面僅有少數(shù)文獻(xiàn)[30-31]，且尚不能適用于MU-MIMO。第三，由于分布式MIMO具有天然的多連接特性，在改善系統(tǒng)無(wú)線覆蓋特性、提高傳輸可靠性方面，已被證明極具優(yōu)勢(shì)[25]，但目前尚未得到充分的重視，也未能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。2）以無(wú)線鏈路的低時(shí)延研究為例。5GNR為了降低時(shí)延，采用更短的時(shí)隙調(diào)度單位等技術(shù)手段。在同樣的系統(tǒng)配置與傳輸速率條件下，這意味著更短的信道編碼分塊長(zhǎng)度。Gellager給出的經(jīng)典隨機(jī)編碼理論指出，在二進(jìn)制對(duì)稱信道（BSC）的信道條件下，無(wú)線傳輸成對(duì)（pairwise）差錯(cuò)概率受限于，其中，N為信道編碼分塊長(zhǎng)度，R0為編碼截止速率（cutoffrate），由此看出，降低信道編碼分塊長(zhǎng)度將帶來(lái)系統(tǒng)傳輸可靠性的顯著下降。文獻(xiàn)[32-33]將上述結(jié)果推廣至MIMO衰落信道情形，結(jié)果表明，對(duì)于給定的系統(tǒng)配置與傳輸可靠性要求，編碼分塊長(zhǎng)度必須要滿足一定的約束條件，這意味著傳輸時(shí)延不可能無(wú)限制地減小。為了應(yīng)對(duì)未來(lái)6G提出的更高傳輸要求，從理論上深入研究有限編碼分塊長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)性能的影響十分重要。文獻(xiàn)[34-35]研究了有限編碼分塊長(zhǎng)度條件下多天線信道容量界的退化結(jié)果，更為一般意義上的有限編碼分塊長(zhǎng)度效應(yīng)研究需要學(xué)術(shù)界付出進(jìn)一步的努力，從而為未來(lái)6GuRLLC技術(shù)發(fā)展提供系統(tǒng)性的理論基礎(chǔ)。3.2無(wú)線資源全動(dòng)態(tài)配比與傳統(tǒng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用模式不同，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)千差萬(wàn)別，呈現(xiàn)極大的動(dòng)態(tài)性和極度的差異性[36]。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行上、下行鏈路的無(wú)線資源動(dòng)態(tài)配比，滿足物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)QoS的需求，是基于公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)的廣域物聯(lián)網(wǎng)必須具備的基本屬性。為了適應(yīng)門類繁雜的業(yè)務(wù)應(yīng)用，5GNR提出了靈活空中接口與靈活雙工的基本概念，涵蓋了上、下行時(shí)隙動(dòng)態(tài)配比的時(shí)分雙工（TDD，timedivisionduplex）技術(shù)以及上、下行帶寬動(dòng)態(tài)配比的頻分雙工（FDD，frequencydivisionduplex）技術(shù)等。交叉鏈路無(wú)線干擾（CLI，cross-linkinterference）是限制靈活雙工技術(shù)應(yīng)用的主要瓶頸，通常需要引入復(fù)雜的干擾避讓技術(shù)加以解決[37]。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界已研究出多種新型的雙工資源配置方式，包括同時(shí)同頻全雙工（CCFD，co-timeco-frequencyfullduplex）[38]、帶內(nèi)多點(diǎn)協(xié)作全雙工（ComPflex）[39]等，其中，CCFD備受關(guān)注，但需解決收發(fā)設(shè)備的近端自干擾這一核心技術(shù)瓶頸。北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)已于2014年研制出了具備100dB自干擾消除能力的CCFD收發(fā)設(shè)備，從而將這一技術(shù)向?qū)嵱没较蛲七M(jìn)了重要一步。為了更好地滿足6G所面臨的新型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，需要進(jìn)一步探索更靈活適用的無(wú)線資源配比方式。為此，需要在收發(fā)設(shè)備的自干擾消除以及交叉鏈路的互干擾消除等方面取得進(jìn)一步的突破。應(yīng)注意的是，收發(fā)設(shè)備自干擾的消除更多地依賴于電路器件的研究進(jìn)展，而交叉鏈路的互干擾消除則依賴于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的革新。舉例來(lái)說(shuō)，若系統(tǒng)采用cell-free構(gòu)架，由于所有的上行或下行鏈路均進(jìn)行聯(lián)合處理，則不存在蜂窩構(gòu)架中相鄰基站的多個(gè)上行鏈路之間以及多個(gè)下行鏈路之間的相互干擾問(wèn)題，僅需處理上行鏈路對(duì)下行鏈路（U2D，up-linktodown-link）的干擾以及下行鏈路對(duì)上行鏈路（D2U，down-linktoup-link）的干擾問(wèn)題，從而極大地簡(jiǎn)化了CLI消除問(wèn)題。若進(jìn)一步考慮以下事實(shí)：整體上，D2U干擾在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)側(cè)是可以事先確知的，因而，可以采用類似于CCFD的自干擾消除技術(shù)，在cell-free系統(tǒng)層面對(duì)其進(jìn)行整體性消除，最終剩余的問(wèn)題是解決U2D問(wèn)題。基于上述思路，文獻(xiàn)[40]引入了一種基于cell-free構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)輔助全雙工（NAFD，network-assistedfull-duplex）技術(shù)。本質(zhì)上，NAFD是一種更廣泛意義上的靈活空口技術(shù)，TDD、FDD、CCFD以及5GNR靈活雙工均是其特殊形式。文獻(xiàn)[40]較完整地論述了終端為TDD或半雙工情形下的D2U以及U2D消除問(wèn)題。3.3厘米級(jí)精確定位物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)常伴隨著較高精確度的定位服務(wù)（LBS，locationbasedservice）需求。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，globalnavigationsatellitesystem）在開(kāi)闊的室外場(chǎng)景可以提供10m級(jí)精確度的位置服務(wù)。進(jìn)一步地，若通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航地面基準(zhǔn)站，為移動(dòng)用戶提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK，realtimekinematic）載波相位差分信息，可使室外GNSS的定位服務(wù)精確度達(dá)到厘米級(jí)[41]。但對(duì)于室內(nèi)以及高樓林立的城市密集區(qū)來(lái)說(shuō)，GNSS信號(hào)難以有效接收，較大程度上限制了LBS應(yīng)用。在極具發(fā)展前景的各種無(wú)人系統(tǒng)或遠(yuǎn)程系統(tǒng)（如無(wú)人飛機(jī)、無(wú)人車船等）中，精確定位是首先必須具備的關(guān)鍵技術(shù)。此外，在備受關(guān)注的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與5G融合的應(yīng)用場(chǎng)景中，需要為室內(nèi)環(huán)境的機(jī)器人及其他制造與搬運(yùn)裝備等隨時(shí)提供厘米級(jí)精確度的位置信息，從而為云端控制的智能制造提供便利。基于公眾移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施的LBS技術(shù)得到了持續(xù)發(fā)展[42]。文獻(xiàn)[43]較詳盡地對(duì)5G定位技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了概述，需要進(jìn)一步說(shuō)明，5GNRR15標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)引入更多樣化的參考信號(hào)CSI-RS，為開(kāi)發(fā)更高精確度的LBS技術(shù)提供了基礎(chǔ)手段。3GPP已公布5GNRR17研究計(jì)劃，定位增強(qiáng)被列為核心內(nèi)容之一，其目標(biāo)是為物聯(lián)網(wǎng)及V2X（vehicletoeverything）等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供3D厘米級(jí)精確度的LBS技術(shù)?；诠娨苿?dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施的定位技術(shù)可以概括為兩大類：間接定位法和直接定位法。間接定位法較常見(jiàn)，其基本原理是：運(yùn)用移動(dòng)終端至3個(gè)基站的到達(dá)時(shí)間（ToA，timeofarrival）或到達(dá)時(shí)間之差（TDoA，timedifferenceofarrival），或者運(yùn)用移動(dòng)終端至兩個(gè)基站的到達(dá)角度（AoA，angleofarrival），再由基站側(cè)LBS服務(wù)器綜合計(jì)算移動(dòng)終端位置[42]。直接定位法最初被應(yīng)用于解決多個(gè)主動(dòng)式目標(biāo)源的定位問(wèn)題[44]，近年來(lái)被擴(kuò)展應(yīng)用于解決多基站環(huán)境下的移動(dòng)終端定位問(wèn)題[45-47]。該類方法的基本原理是：利用多個(gè)基站至移動(dòng)終端的無(wú)線信道模型，建立有關(guān)移動(dòng)終端位置的最大似然函數(shù)，并通過(guò)迭代方法直接求解。此類方法計(jì)算較復(fù)雜，但可以提供遠(yuǎn)好于間接定位法的精準(zhǔn)度[45]；在基站采用單天線配置且基站數(shù)較多時(shí)，定位精確度可達(dá)亞米級(jí)別，且可以解決嚴(yán)重的多徑時(shí)延擴(kuò)展問(wèn)題[46-47]。若基站采用大規(guī)模天線配置，則定位精確度可得到進(jìn)一步提升，厘米級(jí)精確定位是可以預(yù)期的。直接定位法的另外一種形式是基于多天線信道特征的指紋識(shí)別技術(shù)[48-50]，其實(shí)施較簡(jiǎn)單，但需要處理的數(shù)據(jù)量較大。展望未來(lái)10年，基于公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)的精確定位技術(shù)將進(jìn)入重要的潛在突破期。1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的創(chuàng)新將使得精確定位的實(shí)施更便利，C-RAN、分布式MIMO以及無(wú)蜂窩構(gòu)架等技術(shù)將使得基站間的聯(lián)合處理更便捷迅速。2）隨著載頻的升高，移動(dòng)通信信號(hào)帶寬將從現(xiàn)有5G的100MHZ增加至500MHz，多徑時(shí)延分辨率可與超寬帶（UWB，ultrawideband）定位技術(shù)相當(dāng)；此外，基站側(cè)天線陣元數(shù)將達(dá)到1000～10000個(gè)，角度分辨率可達(dá)1°甚至更小；相關(guān)技術(shù)發(fā)展與演進(jìn)將為厘米級(jí)精確定位提供潛在的技術(shù)可行性。3）毫米波及太赫茲頻段的電波二次反射相對(duì)較弱，制約精確定位的多徑時(shí)延擴(kuò)展問(wèn)題將更加易于解決。基于上述有利條件，發(fā)展基于公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)的厘米級(jí)精確定位有望成為未來(lái)6G研究的一個(gè)重要分支。4結(jié)束語(yǔ)5G技術(shù)開(kāi)啟了“增強(qiáng)寬帶、萬(wàn)物互聯(lián)”的公眾移動(dòng)通信發(fā)展新紀(jì)元?？梢灶A(yù)計(jì)，6G將以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步深化與拓展移動(dòng)通信的應(yīng)用范疇，提升移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與廣域物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)服務(wù)能力，使其成為推動(dòng)社會(huì)及行業(yè)數(shù)字化、移動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的普適性技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施，并以更強(qiáng)的滲透性和帶動(dòng)性，加速全球發(fā)展模式的轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新發(fā)展。本文對(duì)未來(lái)6G無(wú)線接入潛在的重點(diǎn)技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域進(jìn)行了概述，并對(duì)以公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)的廣域物聯(lián)網(wǎng)所需進(jìn)一步突破的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與展望。本文未涉及其他較重要的6G技術(shù)研發(fā)方向，包括6G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架創(chuàng)新與前傳網(wǎng)絡(luò)承載技術(shù)、新型調(diào)制編碼技術(shù)、新型射頻前端與電磁調(diào)控技術(shù)創(chuàng)新等。面向2030年之后的6G移動(dòng)通信技術(shù)尚處于發(fā)展的萌芽時(shí)期，對(duì)其進(jìn)行全面的論述還為時(shí)尚早。此外，文中涉及的部分技術(shù)還可能被提前應(yīng)用于5G技術(shù)的后續(xù)演進(jìn)中。謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給讀者，希望所提出的觀點(diǎn)及對(duì)未來(lái)技術(shù)走向的分析預(yù)測(cè)，能對(duì)促進(jìn)6G技術(shù)研究有所裨益。參考文獻(xiàn)：[1]DAVIDK,ELMIRGHANIJ,HAASH,etal.Defining6G:challengesandopportunities[J].IEEEVehicularTechnologyMagazine,2019,14（3）:14-16.[2]LETAIEFKB,CHENW,SHIYM,etal.Theroadmapto6G:AIempoweredwirelessnetworks[J].IEEECommunicationsMagazine,2019,57（8）:84-90.[3]趙亞軍，郁光輝，徐漢青.6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)：愿景、挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2019，49（8）：963-987.ZHAOYJ,YUGH,XUHQ.6Gmobilecommunicationnetwork:vision,challengeandkeytechnology[J].ScientiaSinica（Informationis）,2019,49（8）:963-987.[4]王曉云，劉光毅，丁海煜，等.5G技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2019.WANGXY,LIUGY,DINGHY,etal.5Gtechnologyandstandard[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2019.[5]ZHANGL,LIANGYC,NIYATOD.6Gvisions:mobileultrabroadband,superInternetofthings,andartificialintelligence[J].ChinaCommunications,2019,16（8）:1-14.[6]NIEPHAUSC,KRETSCHMERM,GHINEAG.QoSprovisioninginconvergedsatelliteandterrestrialnetworks:asurveyofthestate-of-the-art[J].IEEECommunicationsSurveys&Tutorials,2016,18（4）:2415-2441.[7]ZHUXM,JIANGCX,KUANGLL,etal.Cooperativetransmissioninintegratedterrestrial-satellitenetworks[J