6G 有望帶來數(shù)據(jù)速度，為智能手機、家庭、城市和自動駕駛汽車提供高度集成和響應(yīng)的技術(shù)，但實現(xiàn)這一目標還需要做更多的工作。

到處都會有更多的天線，嵌入到城鎮(zhèn)周圍的基礎(chǔ)設(shè)施、基站、邊緣設(shè)備以及介于兩者之間的一切中。它們將以不同的速度和波長發(fā)送和接收更多信號，包括一些更容易受到干擾的信號。

從物理上講，這些新天線將比今天的巨型手機信號塔更不明顯。“你可以把它們裝成燈柱，”Ansys（現(xiàn)為新思科技的一部分）5G/6G項目總監(jiān)Shawn Carpenter說?！坝袔准夜疽恢痹陂_發(fā)路燈和 Wi-Fi 中繼器的組合，或者路燈和蜂窩中繼器系統(tǒng)，只需直接擰入螺栓插座，所以你甚至看不到它。這些塔之所以這么大，是因為它們必須承載最低頻段，從而為您提供最長的覆蓋范圍，而這些頻段是為了公共安全特性和功能。當您用手機撥打 911 時，很可能會訪問需要使用最大天線的最低頻段之一。這必須到位，但這些天線不必是定向的，而且你也不需要那么多天線。

從 3G 轉(zhuǎn)向 6G 意味著天線必須具有多頻段功能，因為需要適應(yīng)較低的 LTE 頻段以及一些新頻段。“一旦政府機構(gòu)協(xié)調(diào)了頻譜，制造商就必須深入研究并說，'哦，天哪，我們一直在設(shè)計 3.5 到 4 GHz 的天線，'”卡彭特說?！艾F(xiàn)在我們必須設(shè)計 7、10、12 GHz 的天線。”這將是對天線系統(tǒng)的徹底重新設(shè)計。

必須解決不同的頻率并適應(yīng)相同的外形尺寸，這樣運營商就不必花費更多的錢來建造新塔或租用新塔。“希望你能把它們?nèi)垦b進一個包中，它仍然位于同一個塔上，但可以在更多頻段和更寬的頻段上運行。現(xiàn)在基站天線技術(shù)的內(nèi)容比以前復(fù)雜得多，“他指出。

對于電話等小型邊緣設(shè)備，較高頻率使用較小的天線，但天線數(shù)量更多。毫米波頻段可能有多達 16 根天線，而這僅適用于手機。

“一部手機必須準備好在全球范圍內(nèi)運行，并且能夠處理大約 10 個頻段，對于現(xiàn)在這樣做的人來說，這將是一個相當大的設(shè)計挑戰(zhàn)，”卡彭特說?！叭绻阌懈叩慕殡娦阅懿牧希@使你能夠縮小天線的尺寸，因為這些奇異材料的波長尺寸會變得更小。我們已經(jīng)發(fā)展了開發(fā)適合機箱外形尺寸的天線的能力。我們現(xiàn)在可以打印平面天線，也可以方便地折疊它們。我們可以使用基板的一部分，或移動設(shè)備內(nèi)部的載波基板來打印電話或?qū)⑻炀€打印到系統(tǒng)中，然后我們想出了可以為我們調(diào)整天線的電路，使其產(chǎn)生諧振。當您接收信號時，這并不是特別重要。接收天線不是那么靈敏。你確實需要注意你如何設(shè)計它們，但當你發(fā)射時，天線必須非常有效地輻射你給它們的東西，否則它們輻射的東西將與它們的物理尺寸成正比。

根據(jù)英飛凌的一份應(yīng)用說明，天線還可以通過一種稱為“孔徑調(diào)諧”的技術(shù)進行調(diào)諧，該技術(shù)通過將天線的自然諧振轉(zhuǎn)移到所需的工作頻段來提高天線效率?！斑@減少了發(fā)射器側(cè) （Tx） 天線驅(qū)動硬件的壓力，并提高了接收器側(cè) （Rx） 的靈敏度?？讖秸{(diào)諧還允許天線同時在多個頻段上進行通信，以支持載波聚合。另一種選擇是天線阻抗匹配，它在天線饋電點進行，“通過補償頻率和環(huán)境影響，有助于最大限度地提高射頻前端 （RFFE） 和天線之間的信號傳輸。

根據(jù) Cadence 的一份白皮書，波束控制天線還需要將輻射能量從基站天線陣列引導(dǎo)到最終用戶，同時克服在這些頻率下發(fā)生的更高路徑損耗?！靶疫\的是，較短的波長轉(zhuǎn)化為更小的天線，這反過來又推動了更多基于 IC 的天線陣列解決方案。單片微波IC（MMIC）和RFIC設(shè)計將在未來毫米波頻率下運行的5G系統(tǒng)的波束控制技術(shù)中發(fā)揮重要作用。隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，將需要具有更好性能的更小設(shè)備，將基于多技術(shù)的模塊設(shè)計與不同的 IC 和印刷電路板 （PCB） 工藝技術(shù)相結(jié)合。

天線的另一個挑戰(zhàn)是交叉耦合，因為需要在更小的空間內(nèi)使用更多的天線。“我們需要非常好的仿真模型來預(yù)測天線之間以及天線與封裝之間是否存在某種耦合，”弗勞恩霍夫 IIS 自適應(yīng)系統(tǒng)工程部高效電子部門負責人 Andy Heinig 說。“你真的必須小心不同天線的這種行為，以及一個天線對另一個天線的影響?！?/p>

6G將成為天線的更精細的網(wǎng)狀配置，波長方面存在很多問題。“真正的挑戰(zhàn)在于整個事情的電磁學(xué)，Ansys產(chǎn)品營銷總監(jiān)Marc Swinnen說?！盚FSS（高頻結(jié)構(gòu)仿真）可以對廣泛系統(tǒng)中的邊緣節(jié)點進行建模，并評估它們的信號完整性、電源完整性、熱完整性、結(jié)構(gòu)完整性、天線系統(tǒng)和大型系統(tǒng)部署。

在當今的 5G 系統(tǒng)中，邊緣計算節(jié)點內(nèi)置了 5G NR 毫米波和 sub-6 GHz 無線連接功能，并結(jié)合了復(fù)雜的微服務(wù)器。6G 將包括所有這些以及更多。

5G/6G 增加天線數(shù)量的優(yōu)勢之一是空間敏捷性?！八麄兝?5G 技術(shù)開發(fā)的一件美妙事情是能夠從基站為每個用戶提供自己的特殊聚光燈，”卡彭特說?！爱斈闼奶幾邉訒r，你會得到自己的私人波束，因為他們正在用基帶處理器將其編碼到你的信號中。這需要大量的定制芯片，因為你不能只購買現(xiàn)成的芯片來做這種事情。愛立信、華為、諾基亞或其他設(shè)計人員必須推出能夠進行這種非常繁重處理的芯片，因為你必須弄清楚每個用戶的光束重量是多少，并在用戶通過真正的交互式環(huán)境時定期更新。他們可能會增加該陣列中天線元件的數(shù)量，因為他們已經(jīng)有了基站天線表面的基線尺寸。他們會說，'嘿，我們習(xí)慣于使用這種尺寸的天線，所以當我們使用更高的頻率時，我們可以在其中添加更多元件。如果我們添加更多元素，我們就會獲得更多的敏捷性。我們可以將該用戶的功率壓縮到一個更緊密的光束中，并帶有一個更大的電陣列。如果我們能夠讓硅上的處理來唯一地處理每個用戶信號，那么我們就可以在它們四處移動時給它們自己的小聚光燈，并將能量集中在它們身上，最大限度地減少對現(xiàn)場其他用戶的干擾，最大限度地減少其他基站的用戶，然后我們就可以提高每個用戶獲得的帶寬?，F(xiàn)在你可以同時以高清流式傳輸 15 個貓視頻。

弗勞恩霍夫的海尼格說，未來天線甚至可能具有雷達能力，但這也可能在天線集成方面產(chǎn)生問題?！袄走_和通信對天線的要求略有不同。當然，我們在這兩種情況下都有波束成形。但是你如何形成波束呢？

芯片設(shè)計和邊緣人工智能計算挑戰(zhàn)
6G 由于其更高的數(shù)據(jù)速度，將給設(shè)備帶來很大壓力。“關(guān)于 6G 新頻譜的大量研究正在進行中，因為它的帶寬可能是 4G 的 10 到 5 倍，”西門子 EDA 解決方案網(wǎng)絡(luò)專家 Ron Squiers 說?！拔覀冋?wù)摰氖敲棵胩忍氐脑O(shè)備，而不是每秒 20 吉比特的設(shè)備。移動性有所擴展，我們將實現(xiàn)每小時 500 到 600 公里，而不是每小時 400 公里。這些都在 IMT 2030 的 6G 目標文件中列出，在未來 5 到 10 年內(nèi)，您將在各種 3GPP 發(fā)布標準工作組中看到這些東西受到單獨攻擊。

普渡大學(xué)校長、2025 年 IEEE 創(chuàng)始人獎?wù)芦@得者 Mung Chiang 表示，雖然消費類應(yīng)用將繼續(xù)發(fā)展，但 6G 的可擴展性和不可預(yù)測性部分將落在物理人工智能上，以表彰他在通信網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用方面的領(lǐng)導(dǎo)力和研究。“對于與農(nóng)業(yè)、交通和制造業(yè)交互的人工智能，或工業(yè) 4.0 機器人和自動化，6G 將推動所有其他垂直領(lǐng)域。這不僅僅是消費電子產(chǎn)品的事情。它將像電力一樣——所有現(xiàn)代技術(shù)和垂直應(yīng)用的基礎(chǔ)。要實現(xiàn)這一目標，您需要更好的延遲和響應(yīng)能力。不僅僅是更高的吞吐量 — 峰值吞吐量、平均吞吐量、最壞情況吞吐量，無論您使用什么作為指標。你的響應(yīng)能力有多強，因為只有在響應(yīng)方面有可靠和低延遲的情況下，你才能在實時決策和行動中投入穩(wěn)定的控制循環(huán)和反饋。這就是流行的邊緣計算將發(fā)揮作用的地方，它允許你說，“我可能無法完全準確，但我可以在為時已晚之前將其作為學(xué)習(xí)或推理作獲得。當它還及時時，它就足夠好了。這就是為什么邊緣計算具有許多優(yōu)勢的原因。一是減少延遲和減少抖動。

據(jù) Cadence 稱，6G 可能會加劇現(xiàn)有的 5G 設(shè)計挑戰(zhàn)，這會影響網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備。其中：

• 5G 手機：外形尺寸承受巨大壓力，需要對 RFIC/MMIC、BAW/SAW 濾波器、封裝和模塊進行協(xié)同設(shè)計，并具有系統(tǒng)級熱和電磁設(shè)計分析，以及緊湊型 DSP。

• 5G無線電頭：為了應(yīng)對毫米波頻率下發(fā)生的高信號衰減，5G 天線系統(tǒng)采用電子波束成形來將信號能量集中并引導(dǎo)到更遠的距離。組件包括混合技術(shù)射頻前端芯片組、多層互連 PCB 饋電網(wǎng)絡(luò)和一系列天線元件。

• 5G 基帶和邊緣計算：SoC 設(shè)計包含越來越多的 CPU 和 AI 處理器內(nèi)核，需要通過射頻通信系統(tǒng)預(yù)算和雜散發(fā)射分析、電磁和熱系統(tǒng)分析來實現(xiàn)基帶。

• 5G 前傳和回傳：需要用于遠程無線電頭的高速光互連和光收發(fā)器，通過光收發(fā)器的集成硅光子和電子協(xié)同設(shè)計以及 100G 以太網(wǎng) IP 支持來實現(xiàn)。

在人工智能方面，基站將承擔很多繁重的工作，并且它們需要混合芯片架構(gòu)。Ansys的Carpenter說：“在該接入點上，您將需要各種處理類型，這些處理類型將具有不同的架構(gòu)，這些架構(gòu)將適合人們將在那里應(yīng)用的各種任務(wù)?！癆I/ML 就是其中之一，但有很多事情正在發(fā)生?！?/p>

還需要定制芯片?！耙恍C器用例將非常低功耗，”普渡大學(xué)的 Chiang 說?！坝行┬枰谒璧拇鎯π酒愋秃瓦壿嬓酒墓β史矫娣浅Ｃ舾?。有些將運行不同的頻段，因此你需要新型的模擬/混合信號前端芯片。

對于 6G 邊緣設(shè)備，公司是否能夠設(shè)計出滿足所有條件的芯片還有待觀察?！拔也淮_定是否有一個答案可以滿足你想要的一切——低功耗、高性能、高帶寬、小外形——一切，”蔣說?！暗銓碛幸粋€可以定制的套件。在該選擇范圍內(nèi)，您可能會獲得不同類型的選擇。它將是 GPU、TPU 等的混合體，定制將很有用。它們必須協(xié)同工作，因為邊緣設(shè)備的激增以及從云到邊緣的連續(xù)體——整個迷霧——將為您提供如此多不同的配置。沒有一種方法適合所有人。

圖1：按協(xié)議層和技術(shù)準備情況劃分的6G技術(shù)重點領(lǐng)域。資料來源：普渡大學(xué)

新思科技移動、汽車和消費類IP產(chǎn)品管理執(zhí)行董事兼MIPI聯(lián)盟主席Hezi Saar表示，公司可以通過在基礎(chǔ)芯片上啟用一個網(wǎng)絡(luò)（例如3G、4G或5G）來瞄準多個市場，然后為高端產(chǎn)品提供6G和更強大的人工智能的第二個芯片。“一位供應(yīng)商說，'我將瞄準功能手機市場和高端智能手機市場。我該怎么做？如果是 2nm，我將花費數(shù)百萬美元購買它。因此，他們可能會決定做一個可以用于功能手機的基本單片芯片。它有足夠的功能——比方說，三個攝像頭，一個中距離顯示器，一個不需要轉(zhuǎn)到 6G 的調(diào)制解調(diào)器，只需 5G，存儲空間有限，因此它符合他們將要追求的價格點考慮到多芯片。這意味著他們可以使用該底座，然后添加 AI 加速器，因此現(xiàn)在它可以做更多的 AI。有了這個額外的芯片，具有額外的 I/O，或更高的存儲容量，或更高的計算 DDR 連接，與調(diào)制解調(diào)器的更高連接，現(xiàn)在它成為高端引擎。它是多芯片的，它可以追趕那個市場。

其他公司將專注于下一代 Wi-Fi、藍牙和 Zigbee 芯片，并將 5G/6G 留給老牌企業(yè)。“蜂窩市場由非常強大的現(xiàn)有企業(yè)主導(dǎo)，例如高通和其他一些公司，”Synaptics 低功耗邊緣人工智能高級產(chǎn)品經(jīng)理 Ananda Roy 說。“他們必須做出很大的變化來選擇新供應(yīng)商，而新參與者的機會相對較低。我們希望非常專注于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而不是更多的基礎(chǔ)設(shè)施方面，即 5G/6G 基帶技術(shù)。

砷化鎵、氮化鎵、硅和其他所需的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)
運營商和無線電制造商將需要以相同的總成本管理更高的數(shù)據(jù)能力，因此需要顯著降低每比特成本。這可以通過將頻段組合在一個無線電單元中來實現(xiàn);采用更寬的頻帶以減少所需的無線電數(shù)量;減小收音機的尺寸和重量以降低塔的租賃成本;并減少每臺無線電消耗的能量，以降低運營商的能源費用。為了細分 5G 無線電的這些要求，射頻功率放大器 （PA） 需要支持更高的頻率、顯著更寬的瞬時帶寬以及在寬回退范圍內(nèi)的高效率。這些無線電還必須能夠在低于 50 dBc 的電平下進行線性化，并具有數(shù)字預(yù)失真。據(jù)英飛凌稱，能夠以商業(yè)上可行的價格提供這些目標的半導(dǎo)體技術(shù)是 RF GaN-on-SiC（碳化硅上的氮化鎵）和 RF GaN-on-Si（在 Si 襯底上生長的 GaN）。

對氮化鎵的需求也得到了廣泛的討論。手掌大小的天線陣列可能覆蓋無線電頭模塊的一側(cè)，波束控制 RFIC、收發(fā)器和 PA 從 PCB 的反面驅(qū)動它們。這種緊湊的高頻模塊需要具有技術(shù)意識的設(shè)計平臺，這些平臺支持分立和嵌入式射頻元件設(shè)計和系統(tǒng)集成，包括設(shè)計中的電磁 （EM） 和熱分析、射頻電路仿真，以及工作流程支持，以使用 GaAs、砷化鎵、GaN 和 Si 技術(shù)共同設(shè)計 IC、IC 封裝和模塊。

最近的 6G 發(fā)展：

• 用于高效 6G 功率放大器 （imec） 的 RF GaN-on-Si 晶體管

• GaN 的鎖存效應(yīng)為 6G 解鎖了更高的射頻器件性能（布里斯托大學(xué)）

• 專為 6G 無線信號處理 （MIT） 設(shè)計的光子 AI 硬件加速器

• 低成本、可擴展的 3D 芯片，將高速 GaN 晶體管集成到標準 Si 芯片上，是下一代高速通信系統(tǒng) （MIT） 的理想選擇

• 6G 片上基站：RISC-V 矢量處理器上的無線通信內(nèi)核（德累斯頓工業(yè)大學(xué)，CeTI）

• 使用 Nordic 的小型蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模塊與 Omnispace 和 Gatehouse Satcom 進行 5G 窄帶物聯(lián)網(wǎng)非地球靜止軌道衛(wèi)星演示。

正如上述 Nordic/Omnispace/Gatehouse Satcom 5G 試驗所表明的那樣，衛(wèi)星將成為 6G 革命的關(guān)鍵部分。下面顯示了一個示例。

圖 2：與最終用戶設(shè)備的直接衛(wèi)星連接。資料來源：普渡大學(xué) 6G 全球路線圖分類報告

結(jié)論
到 2030 年，普渡大學(xué)的 Chiang 預(yù)計邊緣計算和分散式人工智能將更加普遍，以及不同類型的芯片定制、協(xié)議、用戶和用例。“當我們到達那里時，人們可能會說，'我們錯過了 5G。需要 6G 才能實現(xiàn)這一目標。其他人可能會說，'我會在應(yīng)得的信用處給予 5G 信用。5G 開啟了這一轉(zhuǎn)變。只是其他事情需要更長的時間才能成熟——商業(yè)案例和經(jīng)濟性、用戶體驗和監(jiān)管環(huán)境。如果我們談?wù)摰氖俏锢韺ο?，如果您?Netflix 流媒體上錯過一個字節(jié)是一回事。如果您錯過了物理對象上的一個字節(jié)，那就另當別論了。最重要的是技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展。