1.3 技术标准研究：从4G、5G到6G技术的演进
2015年9月，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）正式确认了5G的三大应用场景[1]，如图1-5所示。
①增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）。强调以用户为中心的应用场景，包括对多媒体内容、服务以及数据的存取。相对于移动宽带，eMBB在新的应用场景和新的要求下强调无缝的用户体验提升。使用场景主要包括娱乐场所（Hotspot）和广域覆盖。两种场景下都要求高速率。但广域覆盖更强调中高速场景下的速率提升，相较于Hotspot，广域覆盖对速率的要求可适当放宽。
②超可靠超低时延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）。该应用场景对吞吐量、时延和可用性等性能的要求十分严格。应用领域包括工业制造或生产流程的无线控制、远程手术、智能电网配电自动化以及运输安全等。
③大规模机器类通信（Massive Machine Type Communications，mMTC）。该应用场景的特点是连接设备数量庞大，这些设备通常传输相对少量的非时延敏感数据。设备成本需要降低，电池续航时间需要大幅延长。
图1-5 2015年9月，ITU正式确认5G的三大应用场景[1]
这三大场景有着明确的区别，对具体性能指标的要求也有着明显的不同，详见表1-2和表1-3。从表1-2和表1-3可以看到，实现三大场景的核心要求，大部分需要多天线技术。多天线不但能够提供更高的频谱利用率、更高的通信速率，同时也可以通过分集和冗余手段保证通信的稳定性和鲁棒性。
表1-2 eMBB的要求
表1-3 URLLC和mMTC的要求
注：MCS表示调制与编码策略（Modulation and Coding Scheme），CQI表示信道质量指示（Channel Quality Indicator）。
图1-6所示为第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）的5G相关协议演进的过程，可以看到，5G的技术能力和应用范围还将不断地扩展至2023年。
图1-6 3GPP的5G相关协议演进过程（图片来源：高通）
学术界对6G有着各种预测，例如，文献[2]指出，6G相比5G，可能会扩展出更多的应用场景，如图1-7所示。
图1-7 文献[2]指出的6G应用场景
描述6G的场景，一般的形容词就不够用了。ultra（极其）、super（超级）、hyper（超级）、extremely（非常）、enhanced（增强型）、further（进一步的）、massive（大规模）等都已用上，主要是为了表明在5G基础上的速率提升、容量扩充和进一步的场景拓展。
在5G基础上，6G扩展出了五大应用场景，范畴更广。其中，极低功率通信（Extremely Low-Power Communications，ELPC）、长距离和高机动性通信（Long-Distance and High-Mobility Communications，LDHMC）为新增场景。ELPC主要涉及低功耗身体域通信与传感，LDHMC涉及深海、深空探测与通信。
5G的三大场景将在6G得到进一步发展，性能将得到更极致的发挥。
•MIMO规模进一步扩大。
•支持更高清的视频，构建完全的数字化虚拟世界。
•无线连接的对象变成万物，连接数继续暴增。
•工业互联网和完全实现的自动驾驶。
图1-8和图1-9分别展示了从4G到5G、从5G到6G的八大关键性能指标。
图1-8 从4G到5G[1]
图1-9 从5G到6G[2]
从两幅图的对比中可以看到：从4G到5G、从5G到6G，最大的能力突破侧重于网络能量效率、峰值数据速率和区域通信能力；用户体验数据速率也以10倍/代的速度倍增。网络能量效率增长的速度远大于频谱效率，频谱的拥挤程度可见一斑。
各代移动通信的关键参数列举如下[1]。
（1）峰值数据速率
每名用户/每台设备理想条件下可获取的最大数据速率（单位：Gbit/s或Tbit/s）。
（2）用户体验数据速率
移动用户/设备在覆盖区域内随处可获取的可用数据速率（单位：Mbit/s或Gbit/s）。
（3）时延
信源通过无线电网络开始传送数据包到目的地接收到数据包之间的时间（单位：ms）。
（4）移动性
属于不同层和/或无线电接入技术（多层/多种无线接入技术）的经界定服务质量（Quality of Service，QoS）和无缝转换能够达到的最快速度（单位：km/h）。
（5）连接密度
每单位面积内连接设备和/或可访问设备的总数（单位：个/km2）。
（6）能量效率
能量效率包括两个方面：在网络层面上，指无线接入网络之单位能耗的用户传输或接收的信息比特数量（单位：bit/J）；在设备层面上，指通信模块之单位能耗的信息比特数量（单位：bit/J）。
（7）频谱效率
指单位频谱资源和每小区的平均数据吞吐量。这里值得注意的是，频谱效率的单位与信道容量完全一致。
（8）区域通信能力
指服务于每个地理区域的总通信吞吐量。
总体而言，5G、6G在不断强调吞吐率提升的基础上，特别强调了获得这个吞吐率的频谱效率和能量效率。对于天线设计而言，主要是无干扰带宽和辐射效率。
表1-4详细地总结了4G、5G及6G移动通信系统的使用场景、应用、网络特性和关键参数等[2]。
表1-4 4G、5G、6G移动通信系统的使用场景、应用、网络特性和关键参数等[2]
（续表）
这里可以将移动通信从4G、5G直至6G的演进特点概括为下面11条。
①场景扩展。
②应用激增。
③网络高级。
④对象丰富。
⑤速率提高。
⑥效率增加。
⑦容量扩充。
⑧密度加密。
⑨时延缩短。
⑩移动迅速。
⑪技术复杂。
无论如何演进，MIMO和Massive MIMO技术都是4G~6G通信系统的关键性技术，且天线数目不断成十倍百倍地提升。在通信理论没有革命性的革新之前，无论在Sub-10GHz频段还是毫米波频段，多天线技术都是最为直接和实用的提升信道容量和通信可靠性的手段。