Abstract The fifth generation (5G) wireless communication networks are being deployed worldwide from 2020 and more capabilities are in the process of being standardized, such as mass connectivity, ultra-reliability, and guaranteed low latency. However, 5G will not meet all requirements of the future in 2030 and beyond, and sixth generation (6G) wireless communication networks are expected to provide global coverage, enhanced spectral/energy/cost efficiency, better intelligence level and security, etc. To meet these requirements, 6G networks will rely on new enabling technologies, i.e., air interface and transmission technologies and novel network architecture, such as waveform design, multiple access, channel coding schemes, multi-antenna technologies, network slicing, cell-free architecture, and cloud/fog/edge computing. Our vision on 6G is that it will have four new paradigm shifts. First, to satisfy the requirement of global coverage, 6G will not be limited to terrestrial communication networks, which will need to be complemented with non-terrestrial networks such as satellite and unmanned aerial vehicle (UAV) communication networks, thus achieving a space-air-ground-sea integrated communication network. Second, all spectra will be fully explored to further increase data rates and connection density, including the sub-6 GHz, millimeter wave (mmWave), terahertz (THz), and optical frequency bands. Third, facing the big datasets generated by the use of extremely heterogeneous networks, diverse communication scenarios, large numbers of antennas, wide bandwidths, and new service requirements, 6G networks will enable a new range of smart applications with the aid of artificial intelligence (AI) and big data technologies. Fourth, network security will have to be strengthened when developing 6G networks. This article provides a comprehensive survey of recent advances and future trends in these four aspects. Clearly, 6G with additional technical requirements beyond those of 5G will enable faster and further communications to the extent that the boundary between physical and cyber worlds disappears.

One of the key enablers of future wireless communications is constituted by massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems, which can improve the spectral efficiency by orders of magnitude. In existing massive MIMO systems, however, conventional phased arrays are used for beamforming. This method results in excessive power consumption and high hardware costs. Recently, reconfigurable intelligent surface (RIS) has been considered as one of the revolutionary technologies to enable energy-efficient and smart wireless communications, which is a two-dimensional structure with a large number of passive elements. In this paper, we develop a new type of high-gain yet low-cost RIS that bears 256 elements. The proposed RIS combines the functions of phase shift and radiation together on an electromagnetic surface, where positive intrinsic-negative (PIN) diodes are used to realize 2-bit phase shifting for beamforming. This radical design forms the basis for the world’s first wireless communication prototype using RIS having 256 two-bit elements. The prototype consists of modular hardware and flexible software that encompass the following: the hosts for parameter setting and data exchange, the universal software radio peripherals (USRPs) for baseband and radio frequency (RF) signal processing, as well as the RIS for signal transmission and reception. Our performance evaluation confirms the feasibility and efficiency of RISs in wireless communications. We show that, at 2.3 GHz, the proposed RIS can achieve a 21.7 dBi antenna gain. At the millimeter wave (mmWave) frequency, that is, 28.5 GHz, it attains a 19.1 dBi antenna gain. Furthermore, it has been shown that the RIS-based wireless communication prototype developed is capable of significantly reducing the power consumption.

Millimeter wave (MmWave) communications is capable of supporting multi-gigabit wireless access thanks to its abundant spectrum resource. However, severe path loss and high directivity make it vulnerable to blockage events, which can be frequent in indoor and dense urban environments. To address this issue, in this paper, we introduce intelligent reflecting surface (IRS) as a new technology to provide effective reflected paths to enhance the coverage of mmWave signals. In this framework, we study joint active and passive precoding design for IRS-assisted mmWave systems, where multiple IRSs are deployed to assist the data transmission from a base station (BS) to a single-antenna receiver. Our objective is to maximize the received signal power by jointly optimizing the BS's transmit precoding vector and IRSs' phase shift coefficients. Although such an optimization problem is generally non-convex, we show that, by exploiting some important characteristics of mmWave channels, an optimal closed-form solution can be derived for the single IRS case and a near-optimal analytical solution can be obtained for the multi-IRS case. Our analysis reveals that the received signal power increases quadratically with the number of reflecting elements for both the single IRS and multi-IRS cases. Simulation results are included to verify the optimality and near-optimality of our proposed solutions. Results also show that IRSs can help create effective virtual line-of-sight (LOS) paths and thus substantially improve robustness against blockages in mmWave communications.

With the exponential growth of the data traffic in wireless communication systems, terahertz (THz) frequency band is envisioned as a promising candidate to support ultra-broadband for future beyond fifth generation (5G), bridging the gap between millimeter wave (mmWave) and optical frequency ranges. The purpose of this paper is to provide a comprehensive literature review on the development towards THz communications and presents some key technologies faced in THz wireless communication systems. Firstly, despite the substantial hardware problems that have to be developed in terms of the THz solid state superheterodyne receiver, high speed THz modulators and THz antennas, the practical THz channel model and the efficient THz beamforming are also described to compensate for the severe path attenuation. Moreover, two different kinds of lab-level THz communication systems are introduced minutely, named a solid state THz communication system and a spatial direct modulation THz communication system, respectively. The solid state THz system converts intermediate frequency (IF) modulated signal to THz frequency while the direct modulation THz system allows the high power THz sources to input for approving the relatively long distance communications. Finally, we discuss several potential application scenarios as well as some vital technical challenges that will be encountered in the future THz communications.

We consider the problem of downlink channel estimation for millimeter wave (mmWave) MIMO-OFDM systems, where both the base station (BS) and the mobile station (MS) employ large antenna arrays for directional precoding/beamforming. Hybrid analog and digital beamforming structures are employed in order to offer a compromise between hardware complexity and system performance. Different from most existing studies that are concerned with narrowband channels, we consider estimation of wideband mmWave channels with frequency selectivity, which is more appropriate for mmWave MIMO-OFDM systems. By exploiting the sparse scattering nature of mmWave channels, we propose a CANDECOMP/PARAFAC (CP) decomposition-based method for channel parameter estimation (including angles of arrival/departure, time delays, and fading coefficients). In our proposed method, the received signal at the MS is expressed as a third-order tensor. We show that the tensor has the form of a low-rank CP, and the channel parameters can be estimated from the associated factor matrices. Our analysis reveals that the uniqueness of the CP decomposition can be guaranteed even when the size of the tensor is small. Hence the proposed method has the potential to achieve substantial training overhead reduction. We also develop Cramér-Rao bound (CRB) results for channel parameters and compare our proposed method with a compressed sensing-based method. Simulation results show that the proposed method attains mean square errors that are very close to their associated CRBs and present a clear advantage over the compressed sensing-based method.

Mobile relaying has aroused great interest in wireless communications recently, thanks to the rapid development and evolvement of unmanned aerial vehicles. This letter establishes the utility of mobile relaying in facilitating secure wireless communications. In particular, we consider transmit optimization in a four-node (source, destination, buffer-aided mobile relay, and eavesdropper) channel setup, wherein we aim at maximizing the secrecy rate of this system. However, the secrecy rate maximization problem is nonconvex and intractable to solve. To circumvent the nonconvexity, we exploit the difference-of-concave (DC) program to develop an iterative algorithm, which is proven to have Karush-Kuhn-Tucker point convergence guarantee. The algorithm conducts a water-filling-based solution in each DC iteration, and thus is computationally efficient to implement. In addition, for a given special case, we show that each DC iteration could yield a closed-form solution, which further reduces the computational complexity. Simulation results demonstrate that the proposed mobile relaying scheme could significantly outperform the static relaying scheme in terms of secrecy enhancement.

Terahertz (THz) communications open a new frontier for the wireless network thanks to their dramatically wider available bandwidth compared to the current micro-wave and forthcoming millimeter-wave communications. However, due to the short length of THz waves, they also suffer from severe path attenuation and poor diffraction. To compensate for the THz-induced propagation loss, this paper proposes to combine two promising techniques, viz., massive multiple input multiple output (MIMO) and intelligent reflecting surface (IRS), in THz multi-user communications, considering their significant beamforming and aperture gains. Nonetheless, channel estimation and low-cost beamforming turn out to be two main obstacles to realizing this combination, due to the passivity of IRS for sending/receiving pilot signals and the large-scale use of expensive RF chains in massive MIMO. In view of these limitations, this paper first develops a cooperative beam training scheme to facilitate the channel estimation with IRS. In particular, we design two different hierarchical codebooks for the proposed training procedure, which are able to balance between the robustness against noise and searching complexity. Based on the training results, we further propose two cost-efficient hybrid beamforming (HB) designs for both single-user and multi-user scenarios, respectively. Simulation results demonstrate that the proposed joint beam training and HB scheme is able to achieve close performance to the optimal fully digital beamforming which is implemented even under perfect channel state information (CSI).