Porsche闡述下一代6G移動通信的「第六感」特性，晶片將與天線合而為一

CarStuff 人車事 2024-01-04 07:36:13

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Written by: Bear

世界各地的研究人員和工程師已經在努力開發下一代6G移動通信，該技術將於2030年左右推出。車輛尤其可以從其高數據速率，以及通信和環境檢測的融合中受益。目前，網路運營商正在全速推出5G網路，這使他們能夠在此過程中引入大量新應用，尤其是在汽車領域，Porsche Engineering納爾德奧技術中心(Nardò Technical Center)的智慧互聯汽車開發就證明了這一點。但在美國、中國和歐洲，相關研究機構和公司正在思考更遠的未來，並且已經開始開發下一代移動通信的競賽。到本世紀末，新的6G標準預計將提供更高的數據速率、更低的延遲，以及更高的可靠性。

弗勞恩霍夫積體電路研究所IIS寬带和廣播部門負責人Bernhard Niemann表示，「世界所有地區都認識到，下一代移動通信是一個具有戰略重要性的問題。然而，在6G進入私人和商業使用者的日常生活之前，研究人員仍然有很多工作要做，因為未來的6G網路將需要在技術上可行的邊界上發生重大轉變。例如：開發人員發現了第三個維度的影響，以確保全球不間斷的數據交換。」到目前為止，移動通信主要局限於地球表面。而另一方面，有了6G，衛星將首次從一開始就能集成到網路中。」

從衛星到衛星的切換

這些衛星可以是高度為36,000公里的地球靜止軌道(GEO，Geostationary orbit)中的靜止衛星，也可以是低軌道衛星，例如：在地球表面以上200至2,000公里的低地球軌道(LEO)中。甚至氣球也可以用作15至20公里高度的6G基站的高空平台。

在10 GHz或更高的頻率下，6G設備的天線必須指向衛星或氣球的方向。LEO衛星帶來了另一個挑戰：由於它們在天空中快速移動，因此必須定期將連接從一顆衛星傳遞到另一顆衛星，並且讓使用者不會注意到。6G的性能也有望在人工智慧(AI)的幫助下得到增強。

有了6G，衛星將首次從一開始就集成到網路中

例如：人工智慧演算法可以使行動網路靈活地適應當前條件，從而優化其操作。Fraunhofer研究員Niemann解釋道，「機器學習可用於識別一天中的典型使用方式，這些資訊可用於以最少的能量輸入運行6G網络。」

Bosch專家Müller還可以想像移動網路為其使用者提供的基本人工智慧支持服務，他表示，「可以想像，6G網络將提供影片錄製中的對象分類等服務。」Müller甚至認為，數據傳輸可能不再像傳統方式那樣須透過精確指定信號的生成方式進行標準化，而是讓發射器和接收器端的神經網絡在當前情況下選擇每種情況下的最佳方法。

Rohde & Schwarz和晶片製造商NVIDIA已經邁出了邁向人工智慧硬體的第一步。2023年2月，他們推出了一款神經接收器，其中人工智慧模型的性能明顯優於強大的標準演算法。這種新方法也可以集成到未來的6G智能手機中。

進軍兆赫茲範圍

為了實現計劃中的高數據速率，還需要進行許多創新，Niemann表示，「未來應該可以達到每秒1太比特(Terabit)。要做到這一點，你必須利用更高的頻率範圍，因為這是唯一提供快速數據傳輸所需頻寬的地方。因此，計劃使用90至300千兆赫茲以下的兆赫茲頻率，也可能使300千兆赫茲以上的兆赫茲頻率。相比之下：4G的工作頻率低於6千兆赫茲，雖然5G理論上提供高達71千兆赫茲的數據傳輸，但目前很少用於移動寬頻服務。三位數千兆赫茲範圍內的頻率提供了大量頻寬，但那裡的物理特性使6G開發人員遇到了困難。」

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優化範圍：為了在高頻下擴展範圍，天線陣列將用於波束成形。專門反射無線電波的智慧表面都是新創的技術。

無線電波在空氣中會迅速衰減失去能量，因此只能傳播幾米。為了擴大範圍，研究人員依靠「大規模MIMO」(大規模多輸入多輸出)，即數百個微型天線相互連接，並使用軟體對準發射器和接收器之間的無線波束。例如：這種使用512或1,024天線的波束成形工藝，即使在如此高的頻率下也可以顯著增加無線電波的範圍。

弗勞恩霍夫可靠性和微集成研究所射頻和智慧感測器系統部門(RF & Smart Sensor Systems Department at the Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration)負責人Ivan Ndip教授解釋道，「波束成形實現了通信的高移動性和靈活性，但也增加了硬體的複雜性，因為需要大量的收發器通道。它還增加了能源消耗和成本。對於點對點通信，透鏡天線提供了一種替代解決方案。它們可以在100 GHz以上的6G頻率下實現長達數百米的範圍。」

因此，為了確保具有成本效益和節能的6G解決方案，應根據應用確定收發器架構、天線配置和天線數量。另一種增加範圍的方法也有望在6G中首次使用：可重構智慧表面(Reconfigurable smart surfaces)。Eichler解釋說「到目前為止，無線電波的傳播特性和通道一直被認為是不可變的，例如：由建築物內的牆壁預先確定。然而，在未來，信號可以從表面反射出來，以便將它們引導到特定方向，從而實現更好的覆蓋範圍。這是一種全新的方法。」

可重構的智慧表面是帶有集成電子電路的扁平結構，例如：特殊二極管或液晶結構與微小天線元件相結合。它們可以被程式設計為以有針對性的方式重定向入射的無線電波，從而將它們精確地重新路由到預期的接收器。新技術的優勢：據說它比傳統的無線電中繼器更節能、更便宜，每個中繼器都包含一個完整的發射器和接收器。

然而，在這一領域仍然需要大量的研究。高頻晶元和系統的設計人員也面臨著重大挑戰。一方面，他們必須使用頻率在高千兆赫茲範圍內的特殊半導體，例如：矽鏗(Silicon-germanium)或氮化鎵(Nallium nitride)；另一方面，將所有元件集成到一個系統中也起著關鍵作用。Ndip說，「你必須重新考慮這裡的一切，很難以盡可能少的損耗將能量從發射器傳遞到天線，同時從晶片中散發熱量。」

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第三維度：6G開發人員從一開始就利用衛星和氣球，而不是將自己局限於地球表面。

同樣，新材料以及組裝和連接技術是成功的關鍵：由聚合物、玻璃或陶瓷製成的基板可以成為集成6G晶片和天線封裝的基礎。除了高數據速率之外，高頻的使用還開闢了另一種新的可能性：通信和環境檢測的融合。未來，6G無線電波還可用於使用反射輻射檢測附近的物體、表面和運動，就像在雷達技術中一樣。例如：車輛可以使用6G相互交換數據，同時拾取由此產生的反射以了解周圍環境，Bosch專家Müller解釋道，「雖然通信和雷達今天仍然是完全分開的，但幾年後我們可以為兩者使用相同的頻率、晶元和天線。」

在6G-ICAS4Mobility研究專案中，Bosch正在與合作夥伴合作，將目前獨立的通信和雷達系統更緊密地集成到一個6G系統中。為此，將透過6G技術協調和組合來自各種移動車輛的即時感測器數據，以提供更準確的車輛周圍環境圖像。

目標是提高道路安全性和效率。專家Ndip還看到了汽車領域許多潛在的6G應用，例如：自動駕駛汽車需要能夠將其位置即時傳達給其他道路使用者，精確測量距離，並同時獲得周圍環境的360°影像。他說，還需要下載大量數據，例如：高解析度城市地圖、來自其他車輛的影片圖像以及用於駕駛時娛樂的高解析度影片。

由於6G數據速率很高，將不會成為問題，例如：4K影片或廣泛的地圖更新可以透過十字路口或加油站的基站在短時間內下載到車輛上。弗勞恩霍夫研究員Niemann將這一過程稱為數據浴(Data shower)。除汽車行業外，6G還有望在工業製造、遠端醫療和機器人…等領域實現新的應用。各國政府對這種多功能技術的支持也相應很高：僅在德國，研究部就為未來的移動通信技術提供了約7億歐元的資金，直到2025年。5G在這個國家已經開始有點被忽視了。

發展看不到盡頭

到本十年末，6G網路將可能首次投入使用，但功能範圍可能仍然教小。2030年後，所有新功能應逐步引入。但即便如此，弗勞恩霍夫專家Niemann表示，「6G不會是移動技術的盡頭，我相信未來會再次出現新的東西。正如人工智慧今天首次進入移動通信一樣，基於量子的過程和演算法可以在下一代中發揮重要作用，例如：加密。」

他還認為，使用區塊鏈可以保護交易並建立信任。例如：它可用於以防篡改的方式記錄車輛之間的消息。車輛-兩車通信中的每一次數據交換(例如：道路上障礙物的通知)，都將存儲在區塊鏈中。即使是這幾個例子也表明了，未來7G將繼續融合新趨勢，實現今天仍然無法想像的創新服務。