自上世纪80年代第一代移动电话出现以来，每隔十年左右就会有新一代无线技术问世，这使得移动通信取得了长足的进步。技术进步创造了新的服务和商业机会，推动了所谓的第三次通信浪潮。5G和未来的6G技术将为工业和社会提供更多的新服务，直到21世纪30年代甚至更久(图1)．
5G代表着下一波服务的第一步，它将扩大连通性，并在结合人工智能(AI)、机器学习(ML)和物联网(IoT)的多媒体能力方面进行重大升级。5G将是利用毫米波(mmWave)频段的第一代移动通信，支持数百兆赫的带宽，实现每秒多千兆比特的超高速无线数据通信。
本文探讨了5G/6G无线通信向新服务领域的扩展，这将推动另一波工业浪潮，并为工业和社会提供更大的商业价值。
第三波无线通信
5G和未来系统将缩小现实世界和网络世界之间的差距。今天，移动用户使用无线连接从几乎任何位置访问网络。在未来，高速覆盖将更加广泛和快速，更强调将真实世界的信息(无论是人还是物联网)上传到互联网。
一旦这些信息被放到云端，人工智能就可以在网络空间中重现现实世界，超越物理、经济和时间的限制，模拟现实世界，从而发现和共享“未来预测”和“新知识”。无线通信在这个信息-物理融合中的作用被假设为包括高容量和低延迟的传输真实世界的图像和传感信息，并通过高可靠性和低延迟控制信号反馈到真实世界。
在这个信息物理融合场景中，无线电通信相当于神经系统在大脑和身体之间传递信息的角色。通信通过增强的上行能力将真实世界的事件转换为网络世界，并通过低延迟下行功能向人类和设备提供反馈信息。
下一代服务领域
下一波通信将聚焦于三个服务领域(图2)包括:
- 增强移动宽带(eMBB)，扩展了当前的移动体验，数据吞吐量超过10gb /s，系统容量超过LTE的1000倍，频谱效率远高于LTE (3-4X)。它的使用案例包括高速移动宽带、虚拟现实、增强现实、游戏等等。
- 超可靠、低延迟通信(URLLC)，专注于实现低延迟、高可靠性和高可用性。预期的延迟小于1 ms。这基本上是针对关键任务用例和应用程序的。
- 海量机器类型通信(mMTC)，提供与大量设备的连接，这些设备的流量配置文件通常是少量的数据(零星分布)。因此，延迟和吞吐量不是一个大问题。主要的问题是这些设备的最佳电力利用率，因为它们是由电池供电的，电池的预期寿命大约是10年左右。
目前在毫米波前端设计中的活动，包括封装中的天线(AiP)相控阵(图3)大规模波束形成射频集成电路(rfic)、多技术集成、系统级电磁(EM)分析等将有助于实现低成本、易于安装的新型无线电(NR)接入技术。这将支持实现5G/6G性能的小蜂窝网络。
早期的5G部署和相关试验显示，在非视距环境和大流量使用情况下，覆盖和上行性能仍有改善空间。虽然未来的系统性能目标仍处于考虑的早期阶段，但下一波通信的承诺的充分实现创造了继续增强的需要。卓越的性能是提供高可靠性和低延迟的必要条件，这是关键任务(时间敏感)应用程序(如自动驾驶汽车)所要求的。
6克的性能目标
6G将采用许多不同的技术来实现其性能目标。其中包括由人工智能和ML控制的波束形成天线分布式网络的重叠单元拓扑，以动态选择最优传输路径。以前的蜂窝通信是基于六边形的蜂窝网络，这些蜂窝之间的距离足够远，以避免相邻蜂窝的信号干扰。在将来，将会有可以动态重新配置的重叠单元格。此外，通过太空、海上、高空等无人机的覆盖范围也将扩大。
在空间多路复用和大规模多输入多输出(mMIMO)方面的新功能正在研究中，包括使用反射表面和超材料来管理在拥挤的城市环境中有限的视线的信号传播。6G可以采用空间非正交、重叠和动态拓扑来增加路径选择。通过人工智能和ML的波束控制将有助于减少细胞间干扰，但代价是复杂性。
除了重新配置网络，5G/6G的大部分重点将放在无线接入前端的物理设计上。战略设计划分、利用最佳半导体工艺和多织物装配无疑将得到利用，这需要一系列模拟技术、设计和制造流程以及工具互操作性。这些趋势要求软件设计支持跨多个领域的下一代无线电子系统的共同设计和共同优化，包括射频、模拟和数字模拟，辅以大规模电磁和热分析，以及健壮的设计验证和签名。
一个常见的RFIC和系统封装(SiP)设计挑战是关于RF知识产权(IP)块如何受到电磁、电容、电源和衬底耦合的影响。这些潜在的有害相互作用是由高频信号产生的影响造成的。噪声，无论是进入或流出一个块，可以通过基板或通过电源总线传播。可产生噪音及对噪音敏感的楼宇的布局(楼面规划)是设计的关键。射频块内部/之间的寄生耦合电容，以及附近(100秒到1000秒的微米距离)传输的信号，会导致性能中断。连接到RF块上的任何网的自感，以及RF块内的任何网与相邻块网之间的互感，是另一个需要关注的问题。
射频IP块与数字IP块的交互有很大不同。大多数地点路由工具都不能解决RF IP集成中所面临的独特问题。使用RF感知设计工具的射频工程师需要在芯片、封装或板级成功地集成块。为了了解寄生耦合的影响，无论是电容的、感应的，还是通过衬底的，封闭的分布式传输模型和电磁分析是射频IP发展的必要条件。
使用6G (94 GHz到3 THz)的更高频段将有助于减少这些天线的尺寸，更容易缩小组件占用。然而，天线、馈电网络和封装互连都将更容易受到寄生和意外耦合(串扰)的影响，这需要严格的电磁分析和设计验证。这种向更高频谱的移动将导致广泛的设计和集成挑战。
无线技术改进的需要
5G部署和相关试验表明，NLOS环境和大流量使用案例的覆盖和上行性能仍有改善的空间和需要。为了完全实现下一波通信的承诺，我们需要不断增强，以确保高可靠性和低延迟，这是缩小网络世界和现实世界之间差距所必需的。5G的发展将专注于更好的上行和更多的交付保证，而不是“尽最大努力”，重点是URLLC(图4)．
在基于边缘云计算的网络中，实现URLLC性能与< 1-ms的延迟和高达99.9999999%的关键任务可靠性(针对工厂运营技术)将需要大量的小蜂窝无线接入点和分布式天线，并采用AI/ML控制波束导向。这种大规模部署非正交网络的要求隐含着降低波束形成天线阵列和复杂接收器成本的需要，特别是如果应用了比奈奎斯特更快的信号技术，同时大大改进(超出目前的最大努力)上行技术。
结论
5G的一个关键目标是，在mMTC和URLLC的支持下，将无线技术的范围和价值扩展到个人移动用户之外。扩大互联互通，包括网络到智能设备的通信，结合人工智能和物联网，将迎来新的产业浪潮，为行业和社会提供更大的商业价值。
大卫·维耶(David Vye)是苹果公司的技术营销总监节奏．
