6G革命：重塑车辆通信

网络营运商目前正在密集推广 5G 网络。通过这项技术可实现许多新应用，在汽车领域也不例外——保时捷工程公司纳尔德奥技术中心智能互联汽车的发展就证明了这一点。然而，一些研究机构和企业更进一步思考，并已经展开了下一代移动通信的竞赛。大概到本世纪末，新的 6G 标准预计将可以提供更高的数据传输速率、更低的网络延迟，并且更为可靠。“在美国、中国和欧洲，这个领域内的活动非常密集。”博世公司所有 6G项目的负责人安德烈亚斯·穆勒（Andreas Müller）报告说，“全球所有地区都意识到，下一代移动通信技术是极具战略重要性的话题。”

然而，在 6G 技术能够落实于私人和工业用户的日常应用之前，研究人员尚有许多待解决的工作，因为要实现未来的 6G 网络，他们还必须继续拓展技术可行性的极限。例如，研发人员已发现了第三维度，进而可以确保全球范围内的不间断数据交换。“到目前为止，移动通信技术的使用主要局限在地球表面。”弗劳恩霍夫集成电路研究所（IIS）宽带与广播部负责人伯恩哈德·尼曼（Bernhard Niemann）表示，“但有了 6G 技术，有史以来首次能够将卫星从一开始就集成到网络中。”

这些卫星一方面可能是地球静止轨道（GEO）上位置固定的卫星，位于地球上空接近 36,000 公里高度之处；另一方面也可能是近地轨道（LEO）上的卫星，其距离地面的高度较低，例如在地球上空 200 至 2,000 公里的高度绕行。甚至还可以采用气球作为“高空平台”，在地球上空 15 至 20 公里的高度处用作 6G 基站。当频率达到 10 GHz 甚至以上时，6G 设备的天线就必须朝向卫星或气球。LEO卫星还需面对另一个挑战：由于它们在天空中的移动速度非常快，所以连接必须定期从一个卫星传递到下一个卫星，并且需要让用户完全不会察觉到。

6G 技术的性能也将借助人工智能（AI）进一步提升。例如，AI 算法可以根据当前的条件灵活调整移动通信网络，从而优化网络的运行。“借助机器学习，可以识别一天之内的使用模式。”弗劳恩霍夫研究员尼曼说，“而这些信息可以用来以最低能耗运行 6G 网络。”博世公司的专家也不排除通过移动通信网络为用户提供 AI 辅助的各种基本服务：“我们可以想象使用 6G 网络提供类似视频内容对象分类的服务。”

穆勒甚至认为，数据传输可能不再以典型方式标准化和精确指定信号的产生方式，而是由发送方和接收方根据当前情况来选择最合适的神经元网络。罗德与施瓦茨（Rohde & Schwarz）公司与芯片制造商英伟达（NVIDIA）公司已经朝 AI 辅助硬件迈出了第一步：他们在今年二月展示了一款“ 神经元接收器”，其中的 AI 模型的性能明显优于强大的标准算法。“这个方法也可以集成在未来的 6G 智能手机中。”罗德与施瓦茨的无线通信和光子学技术主管塔罗·艾希勒（Taro Eichler）解释道。

要实现计划中的高数据传输速率，还需要许多创新技术：“未来应该要达到每秒一太比特的速率。”尼曼说，“要达到这个目标，就必须扩展更大的频率范围，因为在那样的资料量之下，只有必要的带宽才能用于高速数据传输。”因此，计划使用的是 90 至 300 GHz 的亚太赫频率范围，必要时也会使用 300 GHz 以上的太赫频率范围。相比之下，4G 的工作频率低于 6 GHz；5G 在理论上数据传输率可达到 71 GHz，但是当前却几乎不被用于移动宽带服务。

三位数 GHz 范围内的频率虽然可以提供更大的带宽，但在物理因素方面，6G 研发人员却遇到困境。无线电波在空气中很快便会失去能量，因此只能传递几米远。为了增加传播距离，研究人员采用“大规模多输入多输出系统”（Massive MIMO）：数百个微小的天线相连接，然后通过软件来控制发射器和接收器之间的无线电波束方向。“这种以例如 512 或 1,024 个天线完成的波束成形，即使是在如此高频率之下，也可以显著扩大无线电波的范围。”弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所（IZM）无线电和智能传感器系统部门负责人伊凡·恩迪普博士教授（Dr. Ivan Ndip）解释说，“波束成形可以实现具高度移动能力和灵活性的通信，但同时也提高了硬件的复杂性，因为需要大量的收发器通道。此外，能源消耗量和成本也会随之增加。对于点对点通信，透镜天线是一种替代方案。在超过 100 GHz的 6G 频率范围中，这种天线的发射距离可达到数百米远。因此，收发器的结构、天线配置和天线数量都应该根据应用的情况来决定，以便确保符合成本效益且高能效的 6G 解决方案。”

另一种有助于增加传输距离的方法也将首次用于 6G：可重构智能表面。“到目前为止，无线电波的传播特性和通道都被认为是固定不变的，因为受到例如建筑物内的隔墙限制。”艾希勒解释说，“但在未来可以通过在表面上反射信号，目标性地将其转向，从而实现更好的覆盖率。这是一种全新的方法。”可重构智能表面是含有集成电路的平面结构，例如特殊二极管或结合微小天线元件的液晶结构。这些表面在经过适当编程后，可根据指令将接收到的无线电波重新定向，从而将其精确地转发至预定的接收器。新技术的优势：与包含一个发射器和接收器的典型无线电中继器相比，新技术更节能，也更便宜。然而，这个领域还需要更进一步的研究工作。

高频芯片和高频系统的设计人员也面临着重大的挑战。一方面，他们必须在高千兆赫范围之下使用硅锗或氮化镓等特殊半导体；另一方面，如何将所有部件集成到系统中，在这里也发挥着核心作用。“对这一点，我们必须重新思考。”恩迪普表示，“因为在必须为芯片散热的同时，又要尽可能避免发射器传送到天线上的能量流失，这是很困难的事。”在这里，新的材料以及组装和连接技术也是成功的关键：聚合物、玻璃或陶瓷制成的基底可作为 6G 芯片和天线集成封包的基础。

采用更高的频率除了可实现更高的数据传输速率之外，还带来了另一个新的可能性：通信和环境检测的融合。未来的 6G 无线电波也可以像雷达一样，利用辐射反射来侦测附近的物体、表面和运动。“例如汽车之间可以通过 6G 交换数据，并且同时捕捉所形成的反射波，以辨识周围环境。”博世公司的专家穆勒解释说，“当今的通信和雷达仍然是完全分离的，但几年之后，两者将能够使用相同的频率、芯片和天线。”博世公司在研究项目“6G-ICAS4Mobility”中与合作伙伴努力将当前分离的通信和雷达系统更紧密地结合并集中到一个 6G 系统中。为此，将通过 6G 移动通信技术来协调和组合不同移动车辆的实时传感器数据，以获得更准确的车辆周围环境影像，目标是提升交通安全和道路使用效率。

专家恩迪普也认为汽车领域有许多 6G 的应用可能性，例如自动驾驶：“自动驾驶汽车必须能够实时向其他道路使用者告知其位置、精确地测量距离，同时 360°环视四周。”此外还必须能够下载大量数据，例如高清城市地图、其他车辆的视频图像或是高清电影，以在行车期间提供娱乐内容。得益于 6G 的高数据速率，这将不成问题——例如车辆可以通过设置在十字路口或加油站的基站，在短时间内下载 4K 视频或是大量地图更新。弗劳恩霍夫的研究员尼曼称这个过程为“数据淋浴”。

除了汽车领域之外，工业化制造、远程医疗或机器人技术等领域的应用都可以通过 6G 来实现。国家对于这个多用途技术也提供了相当大的支持：单单在德国，联邦研究部就对至 2025 年的移动通信未来技术发展提供了将近 7 亿欧元的补助。“ 5G 技术在这个国家有点睡过头了。”艾希勒表示，“为了在技术上能给自给自足——也因为当前的地缘政治情势——我们希望 6G 技术能够更独立，并在德国和欧洲建立起长远的专有无线生态体系。”这就需要借助包括来自大学和研究机构的四个“6G 中心”来完成，每个中心各自获得 7000 万欧元补助，为期共三年。此外，还开展了大约 20 个工业项目，与 6G 中心的不同伙伴合作，联邦研究部同样也为这些项目提供支持。

到本世纪 20 年代末，第一个 6G 网络可能就会投入运行，但其功能性可能仍有限制。但到了 2030 年之后，就会逐步引入所有新功能。弗劳恩霍夫专家尼曼并不担心移动通信的发展会随着 6G 而结束。“我确定在未来还会有新的技术出现。”他说，“就像如今人工智能第一次加入移动通信一样，基于量子的方法和算法也可能在下一个世代发挥重要作用，例如在加密方面。”他也认为使用区块链来确保交易安全和建立信任是有可能的。使用区块链可以用来例如记录车辆之间的信息，且具有防伪效果。“每一次车辆对车辆通信过程中的数据交换——例如道路上有障碍物的提示— —都会存储在区块链中。”尼曼表示，”仅从这些例子就可以看出：7G 将承接新趋势，实现今天难以想象的创新服务。”

研究人员和企业已经在研究下一代移动通信标准 6G，并预计在 2030 年推出。除了性能提升之外，还将支持新的应用。例如通信和雷达将能够使用相同的频率，从而可以同时进行数据交换和环境检测。新 6G 应用的基础是高度开发的半导体和用于波束成形的智能天线阵列。

本文首次发表于《保时捷工程杂志》2023年第2期。

作者：Christian Buck
插图：Andrew Timmins

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