6G 竞赛中的多重障碍

来源:半导体产业纵横发布时间:2023-08-211021浏览

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自semiengineering如果 6G 按计划发挥作用，它将为许多垂直细分市场带来好处。

6G的推出将为很多问题的重大变革和可能性打开大门，但这项技术是否如宣传的那样，需要大规模的协作努力、对基础设施的巨额投资，还需要解决一些没有先例的问题。多家公司已经在研究 6G 技术，目标是最大下载速度达到每秒 1 太比特 (Tb/s)，延迟小于 0.1 毫秒，比 5G 提高了 100 倍。如果按计划顺利进行，6G将彻底改变我们的日常生活和许多垂直行业，包括农业、智能交通、娱乐、医疗、工业领域、公共安全和智慧城市。它还将促进人工智能、VR/AR、语音和大数据连接的发展。英飞凌科技公司杰出工程师 Steve Hanna 表示：“6G 网络的新功能将开启机器人、医疗保健和工业应用领域的新应用。” “但这些新应用也带来了新的、更高的风险。成功的攻击不仅可能造成不便，还会带来安全风险。对于机器人等实时应用程序，仅仅延迟消息的到达就可能会造成灾难性的后果。为了应对这些挑战，6G 供应商需要通过网络弹性、可信计算和后量子加密解决方案来提高其安全能力。”尽管如此，通往 6G 的道路比大多数公司愿意承认的更具挑战性。最大的问题是，这些障碍能否在 2030 年之前克服，届时计划将正式开始推出。

愿景和优势如果 6G 按计划发挥作用，它将为许多垂直细分市场带来好处。例如，在智能交通环境中，支持 6G 的自动驾驶汽车将提供便利和其他好处。V2X/智能基础设施连接有助于消除可避免的碰撞，并通过优化城市交通管理提高驾驶效率。与此同时，6G 智慧城市支持将帮助救护车克服交通堵塞等问题，缩短前往最近医院的时间。最终，交通事故和碰撞可以减少到几乎为零。然而，要通过智能交通实现更高的效率、便利性和其他优势，还需要一些必备条件，包括全面集成完全联网的自动驾驶汽车、实时连接到云端、实时更新的地图系统、功能齐全的V2X/蜂窝网络-V2X（C-V2X）和智能城市/智能基础设施。许多人认为，使这一切成为可能的关键构建模块是 6G，它能够实现速度和低延迟，从而确保实时连接而不会造成停机。自动驾驶需要的不仅仅是ADAS和AI，它需要超高速的云连接。

图 1：基于云的汽车服务包括更高的安全性、更好的车内体验、高清地图和其他远程服务。来源：恩智浦和 ABI 研究。

随着互联医疗保健的发展，它也将期待用于远程机器人手术的 6G 连接的到来，其中连接必须快速且无中断。可靠性是强制性的。对于远程外科手术来说，即使互联网中断几秒钟也可能造成灾难性的后果。在这里，整个基础设施和供应链——从高速 6G 芯片到可靠的网络设备——需要完美地协同工作。成功部署将使来自世界任何地方的患者，包括欠发达、偏远地区，获得最好的健康和技术护理。高速连接有可能支持生命体征监测、人工智能、增强现实和机器人技术（包括外骨骼）的全面集成，从而使医疗专业人员能够在全球范围内进行合作。此外，可以共享知识和技术，以便为患者取得更好的结果。是德科技6G 营销总监 Sarah LaSelva 表示：“6G 将拥有比 5G 更好的性能和更快的数据速率，这将不可避免地催生新的应用。” “然而，在现阶段的开发阶段，要选出一款能够成为 6G 杀手级应用的工具是很困难的。6G的目标是宏伟的。它们的设计目标是影响广泛，影响更多垂直行业和应用，并改变人类生活的整体质量。”6G 的最大影响可能与优化有关。LaSelva 表示：“随着人工智能技术的进步和人工智能原生网络的市场前景不断扩大，6G 的目标是以仍然难以掌握的方式优化它所涉及的一切。” “6G 将通过为更多事物添加无线连接来连接人类世界、数字世界和物理世界——从物联网传感器到可穿戴设备，再到工厂中的机器。这会产生更多可以输入人工智能算法的数据，不仅优化我们的无线系统的运行方式，还优化与之相连的一切。”2022年，三星展示了6G速度，在室内30米距离处达到12 Gbps，在室外120米距离处达到2.3 Gbps。另外，爱立信一直致力于新频谱技术的研究，包括支持 7 至 15 GHz 频率的厘米波 (cmWave)。全球许多组织和大学也在进行6G研究。如果这一计划取得成果，这可能会给整个通信行业带来福音。市场研究公司 Fact.MR 预计 6G 收入到 2033 年将达到 3000 亿美元。但能否实现这一潜力将取决于多种因素，从用户体验和采用到基础设施建设。

6G 更新下图 2 中 5G 和 6G 的比较显示 6G 正在以多种方式突破技术极限。除了速度和延迟的改善外，6G还将带来带宽、效率、可靠性和网络覆盖范围的改善，显著增强用户体验。

图2：5G和6G属性对比。来源：“用于自动驾驶的 6G V2X 技术和协调传感”

标准和联盟截至目前，6G 还没有普遍制定的标准。然而，全球各地正在组建多个 6G 联盟。电信行业解决方案联盟 (ATIS) 与定义 5G 标准的 3GPP 合作，正在尝试定义 6G。其成员包括许多科技巨头，如 AT&T、思科、戴尔、爱立信、谷歌、惠普、华为、是德科技、LG、诺基亚、NTT Docomo、高通、三星、T-Mobile、Verizon 等。此外，北美的 ATIS Next G 联盟与 6G-IA（欧洲）、5G 论坛（韩国）和 Beyond 5G 推广联盟（日本）签订了合作协议。韩国已宣布其 K-Network 2030 计划，其中包括到2028年推出6G网络商用服务。其他地区也启动了6G研究计划，以帮助推进6G进入商用市场。北美Next G联盟正在与美国积极讨论。印度电信部 (DoT) 成立了巴拉特 6G 联盟 (B6GA)，以支持公共和私营公司、学术界、研究机构和标准组织之间的合作。该联盟在 2023 年 6 月举行的国际电联日内瓦会议期间向联合国国际电信联盟（ITU）提交了有关 6G 技术框架的意见。其他区域研究团体和组织也已开始以制定 6G 指南和标准为目标。联合国国际电信联盟 (ITU) 无线电通信部门 (ITU-R) 及其 ITU-R IMT-2030 着眼于 2030 年以后。在该框架的初步建议草案中，列出了六种使用场景。它们是沉浸式通信、海量通信以及超可靠和低延迟的通信。新增了三个，包括泛在连接、人工智能与通信集成、传感与通信集成。最终，供应链中的各个参与者——6G芯片开发商、设备和基础设施提供商、软件开发商和硬件制造商——需要共同努力，以避免6G碎片化。与此同时，企业或独立或合作，力争成为领跑者。

6G 障碍6G 的成功实施不会一帆风顺，有许多障碍需要克服。明显的障碍将是建设网络和移动 6G 基础设施。尽管 6G 可以建立在 5G 的基础上，但从 4G 到 5G 的迁移需要很长时间，并且仍在不断发展。建设6G基础设施的成本肯定是非常高的。此外，包括频谱分配和许多网络问题需要解决。

太赫兹波实现兼具可持续吞吐量和灵活性特点的太赫兹波将具有挑战性，整个6G供应链的成熟需要时间。除了 5G、5G+ 和 6G 毫米波应用面临的基本技术挑战之外，信号容易受到天气或任何固体（例如窗户和墙壁）的干扰，该行业仍然缺乏需要 6G 功能的杀手级应用，此外，在芯片和小芯片之间以高出两个数量级的数据速度智能传输大量数据将面临挑战。当然，从架构上定义从设备到边缘再到数据中心的最佳计算平衡也至关重要。此外，消费者对安全、安保和隐私的担忧将影响技术的接受程度，从而影响技术的采用。

图 3：6G 时间表来源：爱立信

6G测试6G测试是另一个不容忽视的重要领域。此外，在一个地点成功实施 6G 并不意味着它可以扩展，这有助于解释为什么一些国家的 5G 速度比美国更快，因为美国的覆盖面积要大得多。对于 6G，可靠、不间断的“24/7”网络服务的期望可能需要花费大量的时间和精力才能实现。Keysight 的 LaSelva 指出，要在 6G sub-THz（100 至 300 GHz）频段实现 100 Gbps 或更高的高数据吞吐量性能，可能需要利用高阶调制以及 10 至 30 GHz 的宽甚至极端占用带宽。“支持宽调制带宽需要非常快速的模数转换器 (ADC) 和具有高动态范围和线性度的数模转换器 (DAC)，以解决高峰均比的候选 6G 波形。IF/RF/THz 无线电硬件和通道损伤将在宽调制带宽上引入显著的幅度和相位损伤，这可以通过接收机基带均衡算法来解决。然而，这种方法需要高时钟速率和高度实现并行化，这会快速消耗基带资源。”测量这些宽带高速系统的误差矢量幅度 (EVM) 性能需要高性能测试系统，配备极高速任意波形发生器 (AWG) 和数字示波器，以生成和分析具有低残余 EVM 的宽带波形表现，她说。“例如，Keysight M8199A AWG 的采样率高达 128 GSa/s，四个通道的模拟带宽为 70 GHz，而该公司的 UXR 数字示波器的采样率高达 256 GSa/s，四个通道的模拟带宽为 110 GHz 。这些仪器为 6G 研究奠定了亚太赫兹测试台的基础，使工程团队能够评估和测量他们的高速 6G 技术。”

安全性随着速度的提高和连接的增多，网络风险的水平也会增加。在 Next G Alliance 报告《6G 系统的信任、安全和弹性》中，可信网络的组织是一个生命周期，其中包括对安全性、隐私、可靠性、可用性和功能安全的强有力保证。网络部署过程应经历标准化、设计、开发和集成阶段。

图 4：值得信赖的网络组织是一个生命周期，其中包括对安全性、隐私性、可靠性、可用性和功能安全性的强有力保证。来源：Next G 联盟的“6G 路线图”

对芯片的影响6G发展的性能要求将对未来的芯片和IP产生重大影响。其中一些障碍包括芯片、IP、小芯片和电源管理的混合。Schirrmeister 表示：“覆盖范围、成本和功耗是从 5G 过渡到 5G+，并最终过渡到 6G 的重要驱动因素。” “在所选频谱和波束成形等技术的推动下，建筑渗透率显著阻碍了 5G 覆盖和室内使用。大多数芯片将基于小芯片，因为不同技术节点的混合和匹配可能是最好的方法。这一策略可以实现更高的频谱，并降低为蜂窝网络供电的设备成本不断上升，同时仔细管理电力。”从片上网络（NoC）的角度来看，海量数据量、数据局部性和计算需求将推动协议和带宽需求。“最重要的是，跨小芯片和相关一致性方面，正确组合 NoC 将确定对 NoC 特性、内存、芯片间控制器和 PHY 的要求。小芯片对于 6G 应用至关重要，因为它们将允许开发人员为设计的各个部分组合最合适的技术节点。考虑用于 HPC 型数据计算的先进 3nm、2nm 及更高技术节点，结合 RF 方面最合适的技术节点。”简而言之，6G 将有多个战线需要征服，包括实现预期的速度。以 5G 为例，我们看到北美的峰值下载速度为 3.3 Gbps。平均速度要低得多，距离 5G 规范中的 10 Gbps 目标还很远。实现 1 Tbps 将更具挑战性，而且很可能需要更长的时间。展望未来，数据管理是另一个需要更多研发的领域，因为更多的数据将以更高的速度生成。反过来，这将直接影响数据存储要求、网络安全、流量管理和分析。如果做得不正确，时间、精力和成本都会增加，同时 6G 网络效率也会低下。

结论6G 背后的势头强劲。虽然该技术提供了许多好处，但成功部署的障碍也不容忽视。其中一些障碍包括实现太赫兹波、6G 基础设施、6G 芯片的开发、测试和网络安全。此外，6G 供应链、可扩展性和海量数据管理的协调也可能具有挑战性。到 2030 年实现 6G 是一个雄心勃勃的目标。到达那里可能会很棘手。目前尚不清楚 6G 最终是否会成为所有人都可以使用的无处不在的网络，或者它是否会成为具有各种速度和修改规格的区域网络的集合。*声明：本文系原作者创作。文章内容系其个人观点，我方转载仅为分享与讨论，不代表我方赞成或认同，如有异议，请联系后台。