6G通訊技術發展藍圖、挑戰與商機初探

作者 : Nitin Dahad,EE Times歐洲特派記者

6G通訊技術仍處於創新觸發的早期階段...除了發展藍圖,其挑戰和機會又是什麼?

市場上開始出現越來越多關於6G通訊技術的討論;當然,該技術還在市場研究機構Gartner的典型新興技術發展週期(Hype Cycle)的一開始,我們仍處於創新觸發的早期階段。所以除了6G技術的發展藍圖,其挑戰和機會又是什麼?

首先,世界各地有很多相關研發活動。根據英國市場研究機構IDTechEx的說法,全球已有超過10億美元資金投入6G技術,中國大陸甚至對該技術的可行性進行了實驗;此外該機構指出,包括芬蘭、韓國與中國大陸對於在研發預期為6G核心技術的THz等級電子元件特別積極,印度及其他國家也有相關的卓越研發成果。支援芬蘭及其研發夥伴的是超過3.5億美元的一筆新歐盟研究補助金;雖然還沒做出什麼決定──甚至連要使用的頻率也未定──從中可以看出雄心勃勃的6G目標及挑戰。

2018年,在訪問了芬蘭奧盧市(Oulu, Finland)後,筆者第一次認真地寫了關於6G的文章;當時我聽取了奧盧大學(the University of Oulu)教授Ari Pouttu介紹他們如何制定計畫,以開始進行研究工作。他強調,有時研究思路或創新需要10~15年的時間才能達到成熟的水準,因此現在就開始思考6G技術很重要;他還強調了THz通訊的挑戰,包括相關材料。

 

歐洲RISE-6G專案的可重新配置無線傳播環境概念圖。

 (圖片來源:RISE-6G)

 

從那時起,我們報導過的6G相關發展包括諸如100GHZ無線收發器晶片,以及使用簡單混合訊號架構展示的140GHZ、100Gbps傳輸。不久前,法國研究機構CEA-Leti宣佈將領導一個泛歐洲聯盟,進行6G相關技術研發與測試,支援隨選(on-demand)、動態編程無線電波,讓6G訊號可穿透牆壁、天花板、鏡子和電器等表面傳播。

該歐洲研發專案名為RISE-6G,是三年期歐盟科研計畫Horizon 2020的一部分,將基於可重配置智慧表面(reconfigurable intelligent surfaces,RIS),進行智慧與能源永續的技術設計、測試與原型製作,這可望實現無線傳播環境的可編程控制與成形。這些表面可以是基於二極體的天線,或用於塗佈環境中物體(如牆壁、天花板、鏡子和電器)的超材料(metamaterial),在配備了主動射頻(RF)元件後,它們將作為可重配置反射器或收發器以支援大規模接取。

擔任該專案協調員的CEA-Leti 6G未來無線技術研發總監Emilio Calvanese Strinati表示,「我們的使命是實現這種顛覆性的新概念,透過動態控制無線通訊為無線環境提供服務,支援本地、簡短且節能高效的大容量通訊。該系統還將確保能源效率、本地化準確性(localization accuracy)和反竊聽隱私保護,同時適應有關頻譜使用的特定規定,以及受限制的電磁場(EMF)排放。」

6G技術藍圖

所有這些專案對於發展知識基礎、試驗和原型都是不可或缺,將有助於訂定6G技術發展藍圖。IDTechEx的最新報告「6G通訊市場、元件與材料,2021-2041」(6G Communications Market, Devices, Materials 2021-2041),試圖預測該發展藍圖,以及其中的挑戰、謬誤與商機。

 

2021~2041年6G技術發展藍圖預測。

(圖片來源:IDTechEx)

 

對於那些了解的人來說,明顯的說法是,若說5G技術可支援的應用範圍超過手機需求甚至一般個人電子裝置,6G技術更是如此。「物」(thing)之間的通訊可能比人類之間的更重要,其基本規格至少要支援感測、定位、邊緣運算、高解晰度影像,還有當然,通訊的需求。對於人類來說,6G反應時將幾乎是即時的,沒有針對行動裝置的通訊單元間切換。

6G技術的關鍵參數之一,會是躍進THz頻段──這意味著未分配的275GHz到10THz頻段,也被稱為遠紅外線(far infrared)。根據IDTechEx的說法,這在物理學領域是一個「狂野西部」牛仔領域,市面上很少有相關零組件,所產生的訊號也很弱;這種情況又被稱為「THz鴻溝」(Terahertz Gap)。

因此,通常會在較容易的一端進行初始實驗──即100~300GHz頻段。美國聯邦通訊委員會(FCC)提案在116與246GHz之間的部份頻段,正式規劃為「實驗者的遊樂場」。6G的推出可能像5G一樣,從相對容易的頻率開始(例如275GHz),然後在轉移到具有挑戰性的更高頻率(1THz)以取得最大利益(5G是從幾GHz開始,正轉向數十GHz)。

最終,最高的THz頻率也不可能超過1THz,因為再高的頻段,波束的大氣衰減會躍升數個等級,即相關零組件的開發也會相當具挑戰性。事實上,THz頻率會應用於地面和衛星之間,其餘大多數情況下是自由空間光通訊(Free Space Optical,FSO),因為光纖鋪設成本會太昂貴或不切實際,可能也會有一些C頻段的GHz等級長距離鏈路。

將成為商機的「問題」

IDTechEx的報告突顯了許多可能成為商機的「問題」,包括:

  • THz無線電波介於微波和紅外線之間,但由於能量低,科學家無法利用它們的潛力。
  • 更高頻的前端與數據機晶片,競爭技術包括GaAs、GaN、InP、SiGe,以及絕緣上覆矽(FD-SOI) CMOS製程。
  • 前傳網路/骨幹網路:需要高容量連結和只靠陽光就能在高空飛行5年的無人機;包括中國、德/法、英國與美國已在進行實驗,不過才開始幾週。其中有一些是無人駕駛飛船,例如法國/義大利將於2021年率先發射ThalesAlenia Stratobus,其頂部採用太陽能織物,會跟隨太陽光;還需要成千上萬顆的低地球軌道(LEO)衛星,包括歐洲與美國業者SpaceX正在進行部署。這些飛行器與衛星並不會是6G專用,但對6G來說不可或缺。
  • 異質架構硬體限制了在單一平台上的複雜整合。
  • 網路邊緣裝置實現收益的能力。
  • 3D網路的複雜資源管理。
  • 頻譜和干擾管理。
  • THz大氣吸收(atmospheric absorption)。
  • THz波束管理。
  • 實體層安全性。
  • THz建模。
  • 成本控制。

對6G「潑冷水」

IDTechEx報告也指出,所有關於6G的熱情都存在相反論述。有人說事實證明5G太昂貴了,可能永遠不會被完全部署,因此他們建議那些需要更多功能的人,可以從更高頻的5G版本中取得,無需更多標準。而IDTechEx指出,若缺少某些還不存在且可能永遠負擔不起的東西,6G可能無法實現;之所以需要,是因為THz波束很窄、很微弱又不會轉彎,幾乎所有的東西都能擋住它們,因此即使在私人住宅中也會需要智慧表面,才能實現在任何地方的接取。

這些智慧表面有很多名稱,像是「超曲面」(Hypersurfaces),「智慧反射表面」(Intelligent Reflective Surfaces,IRS),「軟體可編程超穎介面」(Software-programmable metasurface,SPM);它們由主動THz零件和超材料組成,呈現可單獨編程的「磚式」陣列結構,必須要能對THz波束透過重定向、放大、瞄準(collimate)、極化等方式進行操縱。

IDTechEx表示,還有一些其他議題──例如6G需要大量的基礎設施。此外該機構也對於有關「不斷線」需求的一些思考的智慧提出質疑:「他們說6G最終將允許數以十億計的物體協同工作,所有這些都直接連結到網際網路;這是物聯網的基本概念。也許會。他們還說6G是混合了虛擬實境、醫療影像與自駕車等應用的未來,且讓我們最後再來考慮這點;特斯拉(Tesla)開發的自動駕駛車輛不需要地圖繪製或連結就能運作,並不需要6G。」

材料供應商的新商機

無論如何,有關6G技術的研發工作仍將會繼續進行,這將為材料供應商帶來新商機。6G中將廣泛使用的材料包括石墨烯和超材料──用於超級電容、熱校正(heat leveling)、高電子遷移率電晶體(HEMT)、天線、超曲面;以及許多種三五族化合物材料──實現如HEMT、THz二極體、基板、能量採集、太陽能飛行器。

編譯 :Chin-Yi Wu;校訂:Judith Cheng

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年4月號

(參考原文 :6G: Roadmap, Challenges and Opportunities,by Nitin Dahad)

 

 

 

 

 

 

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發表評論

  1. steven Zheng表示:

    5G還沒成熟,6G又炒作了嗎