现代智能汽车中的无线技术11——蜂窝移动通信技术（10）

未来篇 ------ 迈向 6G

1 太赫兹通信（Terahertz）

太赫兹通信 (Terahertz, THz) 被公认为是 6G 网络 的核心物理层技术，也是 6G 实现 Tbps (万兆/太比特) 级网速的秘密武器。 如果说 5G 的毫米波是在"高速公路"上跑，那么 6G 的太赫兹就是在"光速隧道"里飞。它处于电子学（无线电）向光子学（光通信）过渡的中间地带。 一、 什么是太赫兹？（频率的蛮荒之地） 太赫兹波是指频率在 0.1 THz 到 10 THz 之间的电磁波。

• 位置： 它夹在 5G 毫米波（微波的尽头）和 红外线（光的开始）之间。

• 现状： 这是一块长期被人类遗忘的频段，被称为 "Terahertz Gap" (太赫兹空隙)。因为电子学设备很难产生这么高的频率，而光学设备又很难产生这么低的频率。

• 优势： 频谱资源极其丰富。5G 毫米波只能给你 800MHz 的带宽，而太赫兹随便一划就是 几十 GHz 的带宽。带宽越大，网速越快。

二、 太赫兹能干什么？（科幻级应用）

全息通信 (Holographic Comm)：

• 目前的 VR 还需要头显。6G 时代，通过太赫兹的 Tbps 级速率，可以实时传输无压缩的 3D 全息影像（像《星球大战》里的全息投影）。

数字孪生 (Digital Twin)：

• 实时传输整个物理世界的毫米级细节数据，在虚拟世界重建一个一模一样的工厂或城市。

超短距秒传 (Kiosk Downloading)：

• 手机在售货机上一碰，1 秒钟下载完 100 部 4K 电影。

微观网络 (Nano-Networks)：

• 因为太赫兹波长极短（微米级），天线可以做得只有沙粒那么大。这使得纳米机器人在人体内进行通信成为可能。

三、 致命弱点与挑战 既然太赫兹这么好，为什么以前不用？因为它有几个物理学上的"死穴"：

极高的路径损耗：

• 根据物理公式，频率越高，在空气中传播衰减越快。太赫兹信号离开天线几米后，能量就几乎衰减没了。

大气的"吸收峰"：

• 太赫兹波非常怕水蒸气和氧气。空气中的水分子会强烈吸收特定频率的太赫兹波。这导致它很难在大气层中远距离传输。

完全无法穿墙：

• 如果说 5G 毫米波怕树叶，太赫兹波连一张纸都穿不过去。它几乎具有光的特性，遇到任何遮挡就挂。

四、 6G 如何驾驭太赫兹？ 为了克服上述缺点，6G 必须引入配套的黑科技：

Ultra-Massive MIMO (超大规模 MIMO)：

• 5G 是 64 根天线。6G 太赫兹基站可能会集成 1024 根甚至 4096 根 微型天线。

• 通过极高增益的铅笔波束 (Pencil Beam)，把能量极度聚焦，强行打穿空气的衰减。

RIS (智能超表面)：

• 既然太赫兹不能绕弯，我们就在墙上贴一种"智能镜子"（RIS）。

• 它可以把照射过来的太赫兹波，按照我们想要的角度反射给死角里的用户，解决遮挡问题。

总结 太赫兹通信 是 6G 挑战物理极限的尝试。 它让无线通信的速度第一次逼近了有线光纤。虽然目前还有很多材料学和芯片工艺的难题（如何低成本产生 THz 波），但它是未来 10 年通信基础研究的皇冠明珠。

2 通感一体化（ISAC）：基站既是通信塔也是雷达

通感一体化 (ISAC, Integrated Sensing and Communication) 是 6G 网络最酷炫的新能力。它标志着移动通信网络从单纯的"信息传递者"进化为"环境感知者"。

简单来说，就是让 6G 基站不仅能打电话上网，还能当雷达用。

一、 核心原理：像蝙蝠一样"一边唱歌一边看路"

在 5G 及以前，通信和雷达是两个完全平行的世界：

• 通信： 关注怎么把数据传过去，尽量消除反射波（多径干扰）。

• 雷达： 关注反射波，通过反射回来的波推算物体的位置和速度。

ISAC 的原理： 利用 6G 的高频段（毫米波、太赫兹）和超大规模天线，基站发出的无线电波可以一波两用：

1. 对于手机： 这是一段包含数据的信号（上网）。

2. 对于环境： 这是一段探测波。信号碰到汽车、无人机或人，会反射回基站。基站通过分析回波的时延和多普勒频移，就能算出目标的位置、速度甚至形状。

二、 为什么 6G 能做这个？

为什么 4G/5G 做不了，非要等到 6G？

1. 频率够高： 6G 使用的太赫兹频段波长极短，接近光。波长越短，雷达的分辨率越高，甚至能实现毫米级成像。

2. 天线够多： 6G 的超大规模 MIMO 天线阵列，就像昆虫的复眼，能进行极高精度的扫描。

3. 算力够强： 6G 网络内置 AI 算力，能实时处理复杂的雷达回波数据。

三、 ISAC 的三大杀手级应用

一旦基站变成了雷达，整个城市的管理方式将被重塑：

1. 智慧交通 (上帝视角)

• 现状： 现在的自动驾驶靠车上的雷达，视野受限（看不到拐角后的车）。

• ISAC： 路边的 6G 基站变成了"交通雷达"。它能实时扫描路面上每一辆车的位置和速度，并把这个"上帝视角"推送到你的车机屏幕上。基站就是最好的红绿灯和交警。

2. 无接触健康监测 (智慧家庭)

• 场景： 独居老人。

• ISAC： 不需要老人戴手环，也不需要装摄像头（侵犯隐私）。

• 原理： 房间里的 WiFi/6G 信号会因为人的呼吸和心跳产生的微小胸部起伏而发生相位变化。ISAC 基站能通过分析这些回波，监测老人的呼吸频率。一旦发现呼吸停止或跌倒，立即报警。

3. 入侵检测与安防

• 场景： 机场、低空空域。

• ISAC： 基站能直接探测到"黑飞"的无人机或非法入侵者，构筑一道看不见的电子围栏。

四、 面临的挑战

要把通信和雷达这两个冤家撮合在一起，难度极大：

1. 波形冲突： 通信喜欢的波形（如 OFDM）和雷达喜欢的波形（如 Chirp）是不一样的。6G 需要设计一种全新的一体化波形。

2. 算力争抢： 基站既要算通信数据，又要算雷达回波，CPU 可能会冒烟。

总结

通感一体化 (ISAC) 让 6G 网络变成了一个巨大的神经感知网络。 未来的 6G 基站，就是城市的眼睛和耳朵。它不仅连接万物，还能看清万物。

3 空天地海一体化：无死角的全球覆盖

空天地海一体化 是 6G 网络宏伟愿景中最为壮观的一部分。它的目标是消灭地球上所有的"信号盲区"。 目前的 4G/5G 网络覆盖了地球陆地面积的 20% 左右（主要是有人居住区），但对于海洋、沙漠、高空、深山，依然是"信息荒漠"。 6G 将打破地面的限制，构建一张3D 立体的全球网。 一、 四维拼图：从平面到立体 6G 网络将不再只是地面的基站，而是由四层网络无缝融合而成：

天 (Space)：卫星互联网

• 主力： 低轨卫星星座 (LEO)，如 Starlink 的进化版。

• 作用： 距离地面 500-1000公里。负责全球打底覆盖。无论你在太平洋中心还是撒哈拉沙漠，抬头就是基站。

空 (Air)：平流层基站 (HAPS)

• 主力： 高空飞艇、太阳能无人机。

• 作用： 悬停在 20公里高空（平流层）。

• 优势： 比卫星近，时延低；比地面高，覆盖广（一个飞艇覆盖一个地级市）。它是处理突发流量（如大型集会）和救灾的神器。

地 (Ground)：蜂窝基站

• 主力： 现有的铁塔基站。

• 作用： 依然是容量的主力。负责城市、人口密集区的高速数据传输。

海 (Sea)：海洋通信

• 主力： 远洋货轮基站、海上浮标、水下声呐通信网。

• 作用： 实现"水下物联网"。

二、 核心挑战：一体化 (Integration) 以前也有卫星电话（海事卫星），也有地面手机。但它们是两张皮，终端不同、号码不同、互不兼容。 6G 的核心在于**"一体化"**：

1. 统一协议： 无论连卫星还是连地面基站，用的都是 3GPP 6G 标准。

2. 统一终端： 一部普通手机，不需要像大哥大那样拉天线，就能自动切换。

3. 无缝切换： 当你坐飞机起飞时，手机信号自动从"地面基站"平滑切换到"平流层飞艇"，再切换到"低轨卫星"，你正在看的直播完全不卡顿。

三、 典型应用场景

真正的民航互联网：

• 现在的飞机 WiFi 慢且贵。6G 时代，飞机机身就是个大终端，直接连接 6G 卫星/HAPS，乘客可以像在地面一样刷 4K 视频。

全球物流追踪：

• 一个集装箱从出厂，经过卡车（地）、货轮（海）、飞机（空），全程实时在线，温湿度数据永不丢失。

极端灾难救援：

• 当大地震摧毁了地面所有的铁塔和光缆。天上的卫星和飞艇能瞬间补位，保证救援区的通信生命线不断。

总结 6G 空天地海一体化 意味着**"连接"将像空气一样无处不在**。人类通信网络将彻底摆脱地理环境的束缚，实现真正意义上的地球村。

4 内生 AI：让网络自己思考与优化

内生 AI (AI-Native / Native AI) 是 6G 与 5G 在架构设计上最本质的区别之一。 在 5G 时代，AI 只是一个**"外挂"（比如用 AI 来优化一下网络调度，或者做个故障预测）。 而在 6G 时代，AI 将成为网络的"DNA"**。网络从设计之初，就是为了运行 AI 而生，同时利用 AI 来驱动网络本身的运行。

一、 为什么网络需要"自己思考"？ 随着 6G 引入太赫兹、卫星、通感一体化，网络参数的复杂度已经是天文数字。

• 以前（人工规则）： 工程师写好固定的公式（算法），告诉基站"如果信号低于 X，就切换"。

• 现在（AI 自决）： 变量太多（天气、卫星位置、车流、干扰），人写的规则已经算不过来了。必须让神经网络自己去学习，找出最优解。

二、 内生 AI 的三大核心能力 1. AI 定义空口 (AI for Air Interface) 这是最激进的变革。传统的通信物理层是由一个个固定的数学模块组成的（信道编码、调制、波形）。

• 6G 的构想： 用深度神经网络 (Deep Learning) 替代传统的数学模块。

• 效果： 基站和手机像两个"AI 大脑"。它们不需要约定死是用 QAM 还是 OFDM，而是通过训练，自己发明一种**"只有它们俩听得懂"**的高效语言（波形）来传输数据。这能逼近香农极限。

2. 语义通信 (Semantic Communication) 这是通信哲学的改变。

• 传统通信： 传**"比特"**。我要传一张猫的照片，网络就傻傻地把几百万个像素点的 0101 传过去。

• AI 通信： 传**"含义"**。发送端 AI 识别出图片是"一只橘猫在草地上"，只把这个特征信息发过去（数据量极小）。接收端 AI 根据这个特征，生成一张一模一样的图。

• 意义： 极大地节省带宽。

3. 零接触运维 (Zero-Touch Network)

• 自愈： 网络断了，AI 自动分析是哪里出了问题，自动调度旁边的卫星或无人机补位，全程不需要人工干预。

• 节能： AI 精准预测这个小区晚上 3 点只有 2 个人上网，于是自动关掉 90% 的射频模块进入休眠，有人来了毫秒级唤醒。

三、 分布式智能：手机也是网络的大脑 内生 AI 还意味着算力的去中心化。

• 联邦学习 (Federated Learning)：

• 以前训练 AI，要把大家的数据都传到阿里云/谷歌云（有隐私风险）。

• 6G 时代，你的手机利用本地算力，用自己的数据训练一个小模型，然后只把**"学习成果"**（梯度）传给基站。

• 结果： 网络变聪明了，但你的隐私（照片、聊天记录）从未离开过手机。

总结 6G 内生 AI 让网络变成了一个有生命的巨大神经网络。 它不再需要工程师没日没夜地配置参数，它会像生物进化一样，根据环境的变化，自我学习、自我优化、自我修复。