5G已經帶來極具潛力的性能提升，6G未來更將超乎想像。觀察過往行動通訊的研究及部署進程，可推測6G發展趨勢。儘管5G技術應用尚未完全成熟，但在技術成熟之前提前預測、調整方向，將有助於無線通訊快速推進市場。
如果LTE是長期演進技術，那麼5G可以說是時間跨度更長的演進。然而，提前探索6G未來仍為良策。預測未來可能徒勞無功，但為了應對未來發展，提前進行準備依舊十分重要。在無線通訊工程師眼中，預測下一代無線技術是一種很有趣的消遣方式。無線通訊領域的預測可能比大多數領域更容易，可以研究不同標準組織的活動，進而深入瞭解供應商和服務提供者需要努力實現的目標，以及上一代標準中需要修正的內容。甚至，在標準組織中討論某項技術前，研究人員就能不斷提出明顯改進當前系統性能的各種新理念。
過去五代標準的研究過程帶來不少經驗教訓，例如：
．給定標準版本中描述的所有特性需要一些時間，無法立即實現。對5G而言更是如此，因為其技術應用範圍達到前所未有的程度。
．現行標準中的薄弱環節成為發展下一代標準的技術驅動力。對於隱私和安全性漏洞，這種查缺補漏的過程尤為重要。
．我們也許能夠預測技術趨勢，但幾乎無法成功預測利用這些技術發展而成的商業模式。
．有時，這些新技術在建立標準的原型製作階段非常有效，但從實驗室模型擴展到商業生產和部署時，卻並不總是這麼順利，需要比原先預計更長的時間。天線陣列就是一個例子。
．新一代無線蜂巢式通訊標準大約每隔10年誕生。例如，LTE部署大概是從2008年開始，而5G標準化則是在2018年實現。
．隨著每一代標準的出現，無線技術所解決的問題範圍也在不斷擴大。例如，1G從語音開始；2G支援最基本的機器連接(如自動販賣機)；3G啟用高速網際網路存取(包括增強的Web瀏覽)；4G則實現無線影音娛樂。備受期待的第五代標準將顯著拓展應用範圍。
．隨著協同技術(Synergistic Technologies)的發展，標準中採用的各種新技術相結合將產生非常強大的效果，影響可能遠超預期。高速率資料傳輸的發展以及顯示技術的完善讓移動影音娛樂得以實現，進而使資料需求更上一層樓。
．實際推出一項標準所有功能所需的時間，比最初預估的時間更長，但新標準最終會超出整體預期。
在上述五代標準中，這樣的趨勢如出一轍。第六代標準面臨的新局面是，各個國家/地區均已意識到無線標準對於國家經濟健康發展和國家安全的重要性。因此，創造支援6G的基礎技術將面臨更為激烈的競爭。
推動6G發展的關鍵技術
6G能為我們帶來什麼？一種預測方法是研究觀察目前基礎研究和已實施研究的方向。人工智慧(AI)、先進的射頻和光學技術以及網路技術，這三項關鍵技術日趨完善，可有效推動6G發展。
人工智慧
毋庸置疑，AI這一跨多工程學科的領域已成為一大研究熱門。5G以靈活性著稱，而6G很可能將藉由AI進一步提升行動通訊靈活性。過去，無線研究活動已經在不同領域採用AI技術，例如使用神經網路和模糊邏輯設計演算法切換，但在無線網路實作中，基於AI的演算法卻相對罕見。如今，情況發生了變化。深度學習和新運算架構等AI學習技術的發展，使這些複雜的演算法變得切實可行，成為推動AI應用趨勢的關鍵因素。無線通訊也將毫無意外地順應這一趨勢。圖1為6G網路示意圖。在無線存取網路、核心網路和應用中，AI/感知功能遍布所有層別，並進行跨層的整體優化。這種適應性可以提升網路的韌性，降低營運和維護成本。
圖1 AI技術推動6G網路
射頻電路可以透過元件的感知調諧(Cognitive Tuning)獲得優化，以應對環境(例如干擾)以及電路老化或失調(Detuning)產生的負面影響。數據機和協定的自適應性有助於改善頻譜管理和解調，尤其是在頻譜共用過程中出現異構干擾的情況。聯合學習技術可將每個行動單元作為感測器使用，為整個廣播區域的干擾和覆蓋問題提供全面詳實的記錄。利用AI尋找適用於路由資訊的機制(包括使用衛星或地面無線中繼)，可以使前傳(Fronthaul)和回程(Backhaul)的支援機制更加穩健，核心網路使用AI進行系統最佳化、編排(Orchestration)和維護的相關研究也正在進行。利用對抗學習(AI網路攻擊者與AI網路防禦者較勁，旨在找到漏洞及其解決方案)可持續提升AI-RAN的整體安全性。在應用層，AI可以預測應用資訊的環境和需求並預設網路參數，以適應已預測的資訊流。
射頻和光學技術
近期實現的毫米波設備低成本生產，是推動5G發展的關鍵因素之一。目前在毫米波頻段有大量可用頻譜資源。隨著更高頻率和更加節能的設備不斷推出，這一趨勢將持續下去。最終，這一技術趨勢可能使太赫茲(THz)通訊具有經濟可行性。在單一晶片中可以放置一個完整的相位陣列。如果使用無線電源，這種相位陣列晶片無需外部電源接腳便可進行通訊。
另一項因素為RF元件的靈活性。美國國防高級研究計畫局(DARPA)推出的「刺蝟(HEDGEHOG)」專案是此類技術的示例，其依託射頻現場可程式設計邏輯閘陣列(FPGA)創建尺寸非常小的高度可配置無線裝置，覆蓋10MHz至40GHz範圍內的各種頻段，如表1及圖2所示。
圖2 「刺蝟」頻段覆蓋範圍
這種靈活性將與AI技術一同使用，使無線系統適應使用者服務需求和射頻環境。如欲充分利用此類技術，需要制定新的通訊協定。
單頻全雙工已得到論證，是射頻技術不斷改進的證明。在這類系統中，發射器和接收器以相同頻率同時運行，無需頻率或時間雙工，從理論上將系統的頻譜效率提升一倍。此類系統的工作方式是在射頻階段執行干擾消除，以去除高功耗發射訊號。此類技術將使第6代無線通訊頻譜管理技術擁有前所未有的靈活性。
6G將會把95GHz以上的頻率擴大至高頻毫米波和THz範圍，包括光譜。此類頻率側重短距離通訊，但可以使用極小的設備來支援超大規模天線等技術以及小型群體(Swarm)機器人等應用。
光學6G也因干擾下降、極大的頻寬、視距傳播以及收發設備的既定技術而嶄露頭角。值得關注的是，紫外光不需要視距傳播，而是在大氣中以散射方式傳輸訊號。
網路技術
與5G相似，6G將繼續使用SDN、NFV和網路切片技術。但6G可以將這些概念發揮到極致，允許根據設備需求和應用客製化網路切片，獲得真正的客製化品質體驗。這類採用個性化網路切片的系統勢必將利用大規模邊緣運算，並在核心網路與邊緣運算節點之間創建非常複雜的網路職責分配。
6G潛在性能及服務
新標準具有多種不同指標，包括資料速率、延遲及可用性等常見指標。與5G剛開始時一樣，6G將繼續透過各項指標定義體驗品質(QoE)。毋庸置疑的是，資料速率將會更快，可能達到每秒數個兆位元組(TB)。延遲可能低至幾十微秒(μs)，也許可藉由資訊年齡顯示資訊的「新鮮」程度，確定資訊處理的優先順序。10年電池壽命是5G物聯網設備降低功耗的目標，如今，功耗可以進一步降低，以實現能量採集，包括反向散射通訊。6G同時也包含符合能量採集和無線電源要求的指標和標準，可預期在6G標準中找到安全恢復能力指標，尤其在6G出現時，量子運算可能已經能夠破解大多數加密標準。
那麼，6G及未來的無線系統可提供哪些服務？6G將以5G為依託，不斷增強現有服務並引入新模式來應對具有各種不同需求的應用。例如，5G將引入全息影像(Hologram)，而6G可能大規模支援高保真全息影像。一種可能的新應用領域是，透過能量採集或無線電源為極小設備提供超低功率通訊。此類設備可編織於布料中，或者嵌入塑膠/玻璃，在小型無人機群或飛行機器人群之間建立通訊，共同執行組裝和維修等複雜任務。獨立設備最終可能採用數千個無線裝置。實現這個目標需要一個標準，其中協定可進行能源傳送(無線能源)或能源採集配置，與通訊協定結合。
一些新應用對延遲管理的要求已經提升到全新高度。例如，對分散式能量的來源和去向進行精準電網控制，需要足夠低的延遲。觸覺感測應用也不斷推進低延遲的極限。實現這一目標的可行方法是，根據資訊年齡指標判斷資訊新鮮度，最終確定處理的優先順序，或者利用AI對通訊、應用需求或潛在問題進行預測，以提供穩定的連接。這種能力可實現無可匹敵的無縫覆蓋，包括在衛星通訊與地面通訊之間快速轉換。
需要更高甚至超高資料速率的服務是不可避免的趨勢。一種可能出現的應用是影像壁紙，使用大型顯示技術在房間牆壁呈現投影圖像。現在可看到8K影像不斷普及，支援8K影像的資料速度約為360Mbps。在房間牆壁上推廣8K影像可為使用者帶來沉浸式體驗，這代表可能需要遠超10Gbps的通訊速度，才能在牆壁上實現即時顯示。在這種情況下，提出速率級別達到Tbps的鏈路需求順理成章。
感知服務可能是6G的新應用類別。探索中的可能應用包括使用6G訊號測量空氣中的水分或其他顆粒物，以構建微氣候檔案，以及利用6G訊號作為雷達訊號，對室內飛行的無人機進行精準定位。
現在很難確定6G會帶來哪些變革。6G的初始版本可能在2030年問世，並在數年中進行多次修訂。預測這項標準在2035年將發展到什麼程度，是一件吸引人但極為燒腦的事情。
回顧5G性能升級 6G大幅改寫遊戲規則
5G R15標準定義高性能NR空中介面和靈活的網路架構，為增強未來版本的功能奠定堅實的基礎。R16和後續版本側重新的垂直領域，可顯著擴展無線通訊的應用。這種支援垂直領域的趨勢有望在6G加速。
超越以eMBB為中心的R15標準，R16和後續版本將有效擴展支援的服務。5G LAN可以替代或增強固定或無線LAN，並提供靈活性和增強性能。在非地面網路中，衛星可藉由5G提供無處不在、靈活擴展並且連續不斷的服務；重要的醫療應用同為5G性能的受益者，可以有效改善醫療保健效果並顯著降低成本；5G支援新的V2X用例，例如隊列行駛(Platooning)、先進駕駛和遠端駕駛；基於5G的UAV可以支援多種應用場景，包括在災難狀態下運送醫療物資；5G也為工作室內外的視聽製作提供便利性；虛實整合控制應用可以利用5G實現大規模工業4.0；基於NR的定位支援多種用例，包括緊急狀況、UAV操作、AR/VR/XR和工廠自動化；觸覺通訊則積極利用觸覺感知，將用戶體驗提升到全新水準。
NR在R16之後的版本性能不斷增強，NR-U在未授權頻譜中使用NR，支援載波聚合和雙連接等多種場景。除了傳統存取方式外，IAB還支援將頻譜應用於回程，以降低部署成本並簡化無線核心網路連接。以URLLC為中心的增強功能包括提升可靠性、加快處理速度、提高混合式自動重送請求(HARQ)靈活性、上行鏈路取消和增強的上行鏈路功率控制。與工業IoT相關的NR增強功能包括對TSN參考時間和乙太網路的支援，以及靈活的授權和調度。7GHz至24GHz及53GHz以上等新頻段為眾多用例開放了更多的頻譜，包括密集化、工業IoT、回程、前傳和ITS。NR也進行MIMO、移動性、定位和UE省電相關的增強功能。
R15定義基於架構的虛擬化服務，針對V2X、網路自動化、CLI/RIM、eCAPIF和IMS進行增強。與V2X相關的增強功能包括支援基於NR的PC5介面。NWDAF及其與其他網路功能(NF)的互動正在擴展，可提高自動化程度並促進基於AI的操作。CLI/RIM的工作目標是在減少總體干擾的同時啟用動態分時雙工(TDD)。eCAPIF支援多家API供應商並滿足收費要求。IMS正在逐步增強，以便與SBA協作，並支援邊緣運算。
此外，3GPP也為5G定義SEAL和SON並增強安全框架。在應用層中，SEAL透過垂直應用層(VAL)為各種垂直服務應用提供群組管理和配置管理等服務。5G SON支援傳統LTE-like演算法，例如ANR和PCI配置以及與網路切片相關的新演算法。行動通訊拓展至新的垂直領域，安全性問題也將愈發受到重視。
雖然R16和5G的後續版本蘊藏著巨大的開發潛力，但6G可全面升級用戶體驗並徹底顛覆許多產業生態。設備和網路直追兆位元/秒的資料速率、幾微秒延遲，以及極高的能源效率都將成為6G的標誌。高保真全息通訊和多感官通訊未來將成為日常生活的一部分。雖然醫療、製造、娛樂和交通等產業剛開始受到5G影響，但6G才是將為這些產業帶來重大變革的推進器。
(本文作者皆為Rohde&Schwarz特約作家)