6G 网络被定义为在未开发的无线电频率下运行的蜂窝网络，并使用 AI 等认知技术以比第五代网络快数倍的速度实现高速、低延迟通信。本文讨论了新一代蜂窝数据网络 6G。它还解释了 6G 的核心功能及其工作原理。
什么是 6G 网络？
6G 网络被定义为在未开发的无线电频率下运行的蜂窝网络，并使用人工智能等认知技术，快数倍的速度实现高速、低延迟通信。6G 网络目前正在研发中，尚未发布。6G 是目前正在开发的第六代移动系统标准，用于电信中蜂窝数据网络上的无线通信。它是 5G 之后的继承者，或者是道路上的下一个转折点，可能会快得多。国际电信联盟每十年对无线代进行标准化。通常，它们由“空中接口”中的间隙表示，这意味着传输或编码的转变。这是为了使旧设备不能更新到新一代，因为这样做会产生无限量的“噪音”和“频谱污染”。通常，下一代使用过时计算机无法实现的更复杂的数字编码。它们依赖于政府以前没有提供的更广泛的无线波段。此外，它们有非常复杂的天线阵列，以前是不可能建造的。今天，我们已经是第五代了。5G 新无线电（NR）的第一个标准于 2017 年制定，目前正在全球实施。
6G 将如何工作？
6G 的确切工作方式尚不清楚，因为该规范尚未完全制定、最终确定并由国际电联发布。然而，依赖于前几代的蜂窝网络，人们可以期望几个核心功能。6G 将主要通过以下方式运行：利用自由频谱：6G 研究的很大一部分集中在超高频传输数据上。从理论上讲，5G 可以支持高达 100GHz 的频率，尽管目前还没有使用超过 39GHz 的频率。对于 6G，工程师们正试图通过数百千兆赫兹或太赫兹范围内的波上传输数据。这些波是微小和脆弱的，但仍有大量未使用的频谱，可以实现惊人的数据传输速度。提高自由频谱的效率：目前的无线技术允许在同一时间在特定频率上传输或接收。对于双向通信，用户可以根据频率(频分双工或 FDD)或通过定义时间段(时分双工或 TDD)来划分其流。6G 可能会提高当前频谱传输的效率，使用复杂的数学方法在同一频率上同时发射和接收。利用网状网络：网状网络几十年来一直是一个热门话题，但 5G 网络仍然主要基于轮辐式架构。因此，终端用户设备连接到锚节点，锚节点连接到主干。6G 可能会使用机器作为彼此数据的放大器，允许每个设备在使用数据的同时扩大覆盖范围。与“新 IP”结合：芬兰奥卢大学的 6G 旗舰计划的一篇研究论文表明，6G 可能会使用一种新的互联网协议(IP)变体。它将 IPv4 或 IPv6 的当前 IP 数据包与普通的蜗牛邮件进行比较，并附上标签信封和文本页。“新 IP”数据包将与快递服务传递的导航和优先级信息的快速跟踪快递包相媲美。6G 将依赖于不同频率的选择性使用来评估吸收并适当地调整波长。这项技术将利用原子和分子在特定波长产生和吸收电磁辐射的事实，任何特定材料的发射和吸收频率都是相同的。
6G 什么时候上市？
如前所述，6G 互联网的商业首秀预计将于 2030-2035 年左右上线。除国际电联外，非营利性技术标准化协会电气与电子工程师协会(IEEE)在其题为“连接世界的 6G 架构”的同行评审论文中批准了这一日期。该文件指出，2030 年及以后将提供一系列具有全球相关性和规模的独特挑战和机遇，以实现后疫情时代的未来通信架构，同时实现增长、可持续性和全面的数字包容。虽然有一些初步的对话来描述这项技术，但 6G 的研发工作从 2020 年开始正式开始。6G 旗舰计划结合了整个欧洲对 6G 技术的研究。日本承诺在未来几年投入 4.82 亿美元用于 6G 的扩张。该国的首要目标是到 2025 年展示创新的无线和移动技术。俄罗斯在 2021 年做出了一项预测，预测到 2035 年 6G 网络的可用性。美国移动运营商正在推进各自的 6G 创新路线图。重要的是，AT&T、Verizon 和 T-Mobile 正在引领行业首创的 NextG 联盟。2021 年 5 月，NextG 联盟启动了开发 6G 技术的技术工作计划。
为什么需要 6G？
考虑到 5G 部署并没有完全渗透，甚至 4G 在偏远地区的渗透率也很低，有人可能会问，为什么有必要在 6G 方面做出努力。其主要重点是通过在人、机器和环境节点之间搭建桥梁，支持第四次工业革命。除了超越 5G 之外，6G 还将具备利用机器学习(ML)和人工智能(AI)为连接设备建立下一代无线通信网络的一系列独特功能。这也将有利于智能城市、无人驾驶汽车、虚拟现实和增强现实等新兴技术，以及智能手机和移动网络用户。它将结合并关联不同的技术，比如深度学习和大数据分析。已经观察到 6G 和高性能计算之间的实质性相关性。虽然一些物联网和移动数据可能由边缘计算资源处理，但大部分数据将需要更加集中的高性能计算能力，这使得 6G 成为一个必不可少的组件。
6G 的 8 个独特功能
6G 网络可能会与 5G 共存一段时间，并将在几个方面比前几代网络有显著改善。这是因为 6G 将提供以下不同的功能：
1.新频段的使用
频谱是无线电连接的重要组成部分。每一代新移动设备都需要一个先锋频谱，以充分利用任何进一步的技术进步的优势。从传统技术到下一代技术重新构建当前的数字蜂窝频谱也将是这一转变的一部分。对于城市户外电池，6G 的最新先锋频谱板预计将在中频段 7-20GHz。这将通过极端多输入多输出提供更大的容量，低频段 460-694MHz 用于广泛覆盖，亚太赫兹频谱(90GHz 至 300GHz 之间)用于峰值数据速度超过 100Gbps。5Gadvanced 将 5G 扩展到数据传输之外，并将定位精度显著提高到厘米级精度。6G 使用的广谱，包括高达太赫兹的新频谱范围将把定位推向下一个水平。
2.极高的数据传输速度
5G 计划提供 20Gbps 的峰值数据吞吐量和 100Mbps 的用户体验数据速率。但是，6G 将提供 1Tbps 的最大数据速率。同样，它将用户体验到的数据速率提高到 1gbps。因此，6G 的频谱效率将是 5G 的近两倍以上。更高的频谱效率将为许多用户提供即时的现代多媒体服务。网络运营商必须重新设计现有的基础设施框架，以实现更高的频谱效率。
3.超低延迟网络功能
5G 的延迟将降低到 1 毫秒。许多实时应用的性能将通过这种超低延迟得到增强。但是，第六代无线通信技术将把用户体验的延迟降低到 0.1 毫秒以内。由于延迟的大幅减少，许多对延迟敏感的实时应用将具有更好的性能和功能。此外，减少延迟将允许紧急响应、远程手术程序和工业自动化。此外，6G 将使网络的可靠性比 5G 网络高 100 倍，从而促进对延迟敏感的实时应用的无缝执行。
4.更好地支持机器对机器(M2M)连接
虽然 5G 解决了人类用户和物联网(IoT)用例，但 6G 将更多地关注 M2M 连接。如今，4G 网络每平方公里支持大约 10 万个设备。5G 技术要先进得多，每平方公里可以连接 100 万台设备。随着 6G 网络的出现，每平方公里 1000 万个连接设备的目标已经触手可及。所有 6G 网络都将包括移动边缘计算，尽管它必须添加到当前的 5G 网络中。到 6G 网络实现时，边缘和核心计算将越来越多地被同化为统一通信和计算基础设施框架的元素。
5.注重能源效率
如前所述，6G 网络将需要更强的无线电频率来满足更大带宽的要求。然而，其中一个挑战是，基础芯片技术目前还不能在这些频率范围内高效地工作。因此，优化功耗将是 6G 开发人员关注的重点领域。目前，研究人员打算将每比特的能耗降低到低于 1 纳米焦耳（10-9 焦耳）。
6.更高的网络可靠性
5G 主导的超可靠低延迟通信（URLLC）服务将在 6G 中得到进一步发展和增强。通过同时传输、大量无线跳变、设备间连接和 AI/ML，可靠性可能会得到增强。因此，6G 在网络渗透率和稳定性方面将优于 5G。此外，与前几代相比，6G 将通过将网络可靠性提高 100 倍以上，并将错误率降低 10 倍来优化 M2M 交互。
7.新建筑的兴起
5G 是第一个在企业和工业环境中取代有线连接的解决方案。它正在核心基础和云原生部署中部署服务导向架构，并将扩展到无线接入网络（RAN）的部分。此外，预计 6G 网络将在异构云设置中实现，包括私有、公共和混合云的组合，并使用合适的架构来支持这一点。
8.使用 AI 和 ML 实现最佳连接
5G 将使人工智能(AI)和机器学习(ML)技术充分发挥其潜力。最终，AI/ML 将在各种网络组件、网络级别和网络服务中实现。从无线电层的波束形成细化到使用自优化网络在小区站点进行规划，AI/ML 将有助于在降低计算复杂性的情况下实现卓越的效率。6G 开发人员，如诺基亚贝尔实验室，希望对 AI/ML 采用空白的方法，允许 AI/ML 确定两个端点之间的最佳通信方法。
6G 网络的优势
预计 6G 网络将提供以下好处：
1.加强安全
网络攻击越来越集中于各种类型的网络。这些攻击的完全不可预测性需要实施强大的安全解决方案。6G 网络将具备抵御干扰等威胁的保障措施。在创建新的混合现实环境时，必须解决隐私问题。
2.支持个性化
OpenRAN 是 5G 使用的一种全新的、不断发展的技术。然而，OpenRAN 将是 6G 的成熟技术。基于人工智能的 RAN 将允许移动网络运营商根据从多个来源收集的实时用户数据为用户提供定制的网络体验。运营商可以进一步利用实时用户数据，通过个性化体验质量(QoE)和服务质量(QoS)提供更好的服务。运营商可以使用人工智能定制多种服务。
3.扩展 5G 应用的功能
这种程度的带宽和响应能力将增强 5G 应用程序的性能。它还将扩大功能范围，以实现新的和创新的无线网络、认知、监测和成像应用。使用正交频分多址(OFDMA)，6G 接入点将能够同时为多个客户服务。
4.推动无线传感技术的发展
采样率是指每秒（或按照等效时间单位）从连续信号中获得的样本数，以形成数字信号。6G 的频率将允许比 5G 更快的采样速率。此外，它们将提供显著提高的吞吐量和数据速率。此外，亚毫米波(波长低于 1 毫米)的利用和频率选择性预计将加速无线传感技术的发展。该网络将通过收集物体反射的信号并检测其类型、形状、相对位置、速度以及可能的材料质量，成为情境数据的存储库。这种传感方法可以促进实际环境的“镜像”或数字对应物的创建。当与 AI/ML 相结合时，这些信息将为物理世界提供新的见解，从而使网络更加智能。
5.激发新技术创新
6G 将使整个社会受益，因为新的技术创新将为其提供支持。这包括：更先进的数据中心：与 5G 网络相比，6G 网络将产生更多的数据，计算将演变为最终包括边缘和核心平台协调。由于这些变化，数据中心将需要发展。取代传统处理器核心的纳米核心：纳米核心有望发展成为结合 HPC 和 AI 的单一计算核心。纳米核不一定是一个有形的网络节点。相反，它可能由几个网络和系统共享的计算资源的概念聚合组成。
6.通过减少软件依赖性节约成本
现代网络已经在使用软件定义的操作。其他 6G 组件，如媒体访问控制（MAC）和物理（PHY）层，将被虚拟化。目前，PHY 和 MAC 解决方案需要部署专门的网络硬件。6G 提供的虚拟化将降低网络设备的成本。因此，非常密集的 6G 部署在经济上是可行的。
7.提高蜂窝网络的渗透率
6G 网络的众多优势之一是其广阔的覆盖范围。这意味着需要较小的塔来覆盖给定的空间。如果想在经常下雨或树木和植被丛生的地方建造塔楼，这是很有用的。此外，6G 旨在支持 5G 以外的其他移动连接。这意味着设备之间的干扰将减少，从而改善服务。
8.优化室内网络使用
如今，大多数蜂窝通信量都是在室内产生的，然而蜂窝网络从未被构建为适当地针对室内覆盖。6G 使用毫微微小区（小小区站点）和分布式天线系统（DAS）克服了这些障碍。