前言|Preface|

隨著無線技術的迅速發展，相關應用已經形成了龐大的市場規模。2019年初，在韓國的三家移動運營商與美國的威瑞森通信公司（Verizon）爭論誰才是全球第一個5G通信服務供應商時，我們正式邁入了5G時代。過去三年，5G一直是最熱議的話題之一，引起了全社會前所未有的關注。除了進一步提升網絡容量之外，5G還將移動通信服務從人擴展到物，從消費者擴展到垂直行業。移動通信用戶的潛在規模從數十億人大幅擴大到海量的人，并實現了機器和事物之間的互聯互通。5G將支持從傳統移動寬帶到工業4.0、虛擬現實、物聯網和自動駕駛等更多更廣泛的新興業務。近些年，網絡和數字基礎設施在保持社會運轉和家庭聯系方面越來越重要，特別是5G服務和應用越來越有價值，例如遠程外科醫生、在線教育、遠程工作、無人駕駛汽車、無人配送、機器人、智能治療和自動制造等。

隨著5G技術在全球范圍內的廣泛部署，學術界和工業界已經前瞻性地將焦點轉向了5G演進或更為先進的第六代移動通信技術（sixth-generation，6G），且許多研究團隊、標準化和監管組織等已經啟動了6G的相關研究。2018年7月，國際電信聯盟電信（International Telecommunication Union Telecommunication，ITU-T）標準部成立了一個名為“網絡2030技術”的小組，該小組致力于研究在2030年及之后可支持新型前瞻性場景（如全息型通信、普惠智能、觸覺互聯網、多維感知體驗和數字孿生等）的網絡。此外，歐盟委員會開始贊助B5G的研究活動，于2020年初啟動了一系列6G開創性研究項目，包括ICT-20 5G長期演進和ICT-52超5G智能互聯。2020年10月，下一代移動網絡（Next Generation Mobile Networks，NGMN）聯盟啟動了6G愿景和驅動因素項目，旨在為全球6G活動提供及時且前瞻性的指導。2020年2月，國際電信聯盟無線通信（International Telecommunication Union Radiocommunication，ITU-R）部決定啟動國際移動通信（IMT-2030）的未來演進和技術趨勢的研究。

5G技術彰顯了移動通信系統對經濟繁榮和國家安全的重要性。近幾年，許多國家都宣布了6G發展計劃或已正式啟動相關研究。在芬蘭，奧盧大學開展了6G無線智能社會和生態系統（芬蘭科學院旗艦項目）的研究，該研究專注于可靠的近實時無線連接、分布式計算和智能，以及未來用于電路和電子設備的材料和天線這幾個具有挑戰性的研究領域。美國聯邦通信委員會于2019年3月宣布，為6G及未來通信系統開放95GHz～3THz的實驗許可證，以促進太赫茲通信的測試。2020年10月，美國電信行業解決方案聯盟發起了下一代通信技術聯盟（包括AT&T、T-Mobile、Verizon、高通、愛立信、諾基亞、蘋果、谷歌、臉書、微軟等），旨在提升北美移動技術在6G領域的地位。此外，美國太空探索技術公司SpaceX，于2015年宣布了Starlink（超大規模的低軌通信衛星）項目，旨在為全球提供無處不在的互聯網接入服務。可以預見的是，空間通信基礎設施將重塑下一代移動通信的架構。2019年11月，中國科學技術部發起了6G技術研發工作，同時還成立了由來自高校、科研院所和企業的37名專家組成的總體專家組。2017年末，日本內務通信省成立了一個工作組來研究下一代無線技術。韓國宣布計劃在2026年進行首次6G試驗，預計將在五年內花費約1.69億美元來開發6G關鍵技術。2021年8月開始，德國聯邦教育和研究部（German Federal Ministry of Education and Research，BMBF）資助建立了四個6G未來技術研究中心，預計在前四年內提供高達2.5億歐元的科研經費。

我們堅信一本關于6G的啟發性指南可以激發人們對6G的興趣并吸引學術界和工業界相關領域開展進一步的研究。然而，目前市場上仍缺乏一本全面而系統地闡述6G及其關鍵技術的書籍，本書應運而生，力求填補這一空白。本書由兩位業內專家撰寫，他們從技術研發角度出發，旨在為全球讀者提供一本翔實且具有高度一致性的關于6G無線傳輸和信號處理使能技術的權威之作。本書共分為三個部分、10章，內容涵蓋了6G愿景、新頻譜、新傳輸、新空口以及智能無線系統。

第一部分 6G愿景和技術演進

在技術發展和應用實踐方面，本書第一部分通過回顧1G標準到5G標準的演進以及Pre-6G技術與系統演進來呈現6G愿景（驅動因素、應用案例、應用場景、性能需求、路線圖和關鍵推動技術）。第一部分由3章組成。

第1章 蜂窩系統標準的演進

為了更好地理解當今復雜的蜂窩系統，讀者需要對蜂窩系統的演進有一個完整認知。第1章簡要回顧從準蜂窩系統到5G移動蜂窩系統的演進。通過本章，讀者能夠為深入了解6G技術做好充分的準備。

第2章 Pre-6G技術與系統演進

第2章將從技術角度對前幾代蜂窩系統進行深入研究，闡述在全球商業市場上取得主導地位的標準中的主流技術。在這一章，讀者將了解每一代具有代表性的蜂窩系統的總體架構，包括主要網元、功能劃分、互聯互通、交互和操作流程。

第3章 6G愿景

在了解6G技術細節之前，闡明研發6G的意義和動機，并讓讀者相信6G一定會像前幾代移動通信一樣至關重要。本章將提供一個關于驅動因素、應用案例和應用場景的全面視圖，給出基本的性能需求和關鍵推動技術。

第二部分 6G全頻譜通信

本書第二部分分為3章，重點介紹6G的全頻譜通信，包括與毫米波、太赫茲通信和光無線通信相關的新頻譜機會。

第4章 6G增強的毫米波無線通信

毫米波已被用于5G系統，但其應用尚處于起步階段。因此，增強的毫米波無線通信是6G的關鍵推動技術。除了豐富的頻譜資源和連續的大帶寬，毫米波信號的傳播特性也不同于特高頻（UHF）和微波頻段的低頻帶。本章將重點介紹毫米波信號傳播的特點以及釋放高頻潛力的關鍵毫米波傳輸技術。

第5章 6G太赫茲技術和系統

為了滿足6G系統中設想的每秒兆比特數量級的極高傳輸速率的需求，無線通信需要利用太赫茲（THz）頻帶中豐富的頻譜。除了太赫茲通信，太赫茲頻段還應用于其他特定應用，如成像、傳感和定位，這些應用有望與6G中的太赫茲通信實現協同作用。本章除了闡述太赫茲的潛力外，還將分析高自由空間路徑損耗、大氣衰減、天氣影響、阻塞和高多普勒波動等主要挑戰，并將介紹太赫茲的關鍵推動技術，如超大規模MIMO系統中的子陣列波束賦形和透鏡天線陣列。同時，將介紹世界上第一個太赫茲通信標準IEEE 802.15.3d。

第6章 6G光無線通信

光無線通信使用光譜作為傳輸介質進行通信，包括無線紅外通信、可見光通信和無線紫外通信。光無線通信在如家庭網絡、車輛通信、飛機乘客照明和對射頻干擾敏感的電子醫療設備等部署場景中，顯示出了巨大的優勢。本章將介紹光頻譜、光無線通信的應用和發展、光學設備、光MIMO以及光通信的主要挑戰。

第三部分 6G智能無線網絡和空口技術

第三部分分為4章，主要闡述智能反射面（intelligent reflecting surface，IRS）、6G多維技術和天線技術、6G蜂窩和無蜂窩大規模MIMO技術以及6G自適應非正交多址接入系統。

第7章 智能反射面輔助6G通信

IRS由大量小尺寸、無源且低成本的反射單元構成，可以主動實現智能可編程的無線環境。因此，IRS能以低成本、低復雜度和低能耗實現容量和性能的可持續增長，為6G無線系統的設計提供新的自由度。本章將介紹平坦衰落信道和頻率選擇性衰落信道兩種情況下的IRS輔助通信的系統模型和信號傳輸過程，同時考慮了單天線基站和多天線基站。

第8章 6G多維技術和天線技術

本章將探討多天線傳輸的基本原理，包括空間分集、波束賦形和空間復用。雖然6G之前的標準已經采用了這些多天線技術，但它們也將在6G系統中發揮關鍵作用，特別是與智能反射面、無蜂窩架構、非正交多址、太赫茲以及光無線通信等新興技術相結合時。因此，本章將闡述對這些技術的全面見解，以挖掘其在6G中的更多潛能。

第9章 6G蜂窩和無蜂窩大規模MIMO技術

本章首先介紹包括著名的臟紙編碼原理在內的多用戶MIMO技術的關鍵問題。接著介紹具有革命性的大規模MIMO技術，該技術通過增加系統規模而非試圖達到完全的香農極限來打破可擴展性的限制。最后，本章著重介紹無蜂窩大規模MIMO這一前沿技術。無蜂窩架構對于即將到來的6G部署場景尤其具有吸引力，例如校園或垂直領域工業專用網絡，被視為6G的關鍵技術之一。

第10章 6G自適應非正交多址接入系統

蜂窩網絡需要在有限的時頻資源上同時容納大量活躍用戶。正交和非正交多址接入系統將進一步發展并在即將到來的6G系統設計中扮演重要角色。盡管OFDM、OFDMA、SC-FDMA和NOMA已經在6G之前的標準中使用，但這些技術仍將是6G傳統的6GHz以下頻段和更高頻段通信的基礎。當與智能反射面技術、無蜂窩架構、毫米波、太赫茲和可見光無線通信等技術相結合時，這些技術仍有很大的探索空間。