2020年6G无线热点技术研究白皮书.pdf

1 6G 无线 热点技 术研究 白皮书 （2020 年） 广东省新 一代通 信 与网络创 新研究 院 清华大学 ，北京 邮 电大学， 北京交 通 大学 中国联合 网络通 信 有限公司 ，中兴 通 讯股份有 限公司 中国科学 院空天 信 息创新研 究院 2020 年9 月2 目 录 1. 引言 .3 2. 6G 信道仿真技术 的发展 .4 2.1 面向 6G 的高性能射线 跟踪仿真 技术 .4 2.2 面向 6G 应用场景与关 键技术的 射线跟 踪信道 仿真 .6 2.3 高性能射线跟踪信 道仿 真技术的 未来发 展趋势 .8 3. 6G 宽带系统综述 .8 3.1 基于用户需求的内 生智 能虚拟随 愿网络.8 3.2 “空- 天- 陆- 海”全维度 网络架构 与实现 .9 3.3 人工智能算力与移 动通 信的结合 . 11 3.4 大带宽与全频谱协 作 . 11 3.5 6G 空口技术 . 12 4. 轨道角动量 技术 . 13 5. 宽带太赫兹 器件的 发展 . 16 6. 6G 太赫兹无线通 信平台 的构想 . 19 6.1 大容量基带处理 技术的 分析 . 19 6.2 太赫兹射频技术 . 20 6.3 太赫兹天线技术 . 21 7. 6G 太赫兹无线平 台新波 形的研究 . 21 7.1 候选太赫兹新波形 研究 . 22 7.2 新型调制方式研究 . 23 7.3 波束管理研究 . 23 8. 86G 核心技术研究的 未 来展望 . 24 8.1 空天地一体化 . 24 8.2 太赫兹通信技术 . 25 8.3 电磁波轨道角动量 技术 . 26 8.4 智能反射表面技术 . 27 8.5 可见光通信照明定 位融 合方向 . 28 8.6 区块链与无线网络 融合 方向 . 29 鸣谢 . 303 1. 引言 信息通信业是构建国家信息基础设施， 提供网络和信息服务， 全面支撑经济 社会发展的战略性、 基础性和先导性行业。 随着互联网、 物联网、 云计算、 大数 据等技术加快发展， 信息通信业内涵不断丰富， 从传统电信服务、 互联网服务延 伸到物联网服务等新业态。 当前， 万物互联、 信息互通， 互联网日益成为人们生 产和生活的基础和平台，极大提高了人们对世界的认知能力。目前，5G 在世界 范围内开始进行商用， 业务范围和生态圈基本成熟， 需要我们同步前瞻未来信息 社会的通信需求，启动 6G 移动通信系统概念与技术研究。 6G 技术对数据传输速率、 连接数量、 时延等一系列指标有着较高要求，6G 时代将会在现有的场景上扩展到更广泛的层面和空间， 真正实现空天地海全覆盖 的网络，实现任意设备之间的信息传输，即真正进入万物互联时代。 在 6G 研究领域，国际通信技术研发机构相继提出了多种实现 6G 的技术路 线， 但这些方案都处于概念阶段， 能否落实还需验证。 较具代表型的技术路线有： 韩国 SK 集团信息通信技术中心曾在 2018 年 提出了“太赫兹去蜂窝化结构 高空无线平台 （如卫星等） ” 的 6G 技术方案， 不仅应用太赫兹通信技术， 还要彻 底变革现有的移动通信蜂窝架构， 并建立空天地一体的通信网络。 三星研究院新 设了一个 下一代通信研究中心 ，配合 5G 商 用化服务的扩张，加强移动通信先 导技术和标准方面研究组织的功能和作用。 美国贝尔实验室也提出了 “太赫兹 网络切片”的技术路线。这些方案在技术细节上都需要长时间试验验证。 目前随着各国及产业界 6G 研究的推进，6G 通信的愿景，场景和基本指标 已经有了新的进展。 相 比于现行的 5G 通信， 6G 通信网络将与云计算、 大数据和 人工智能进一步集成。 为解决未来高度智能、 高度数字化和高度信息化社会对无 线传输的需求，6G 无线网络在无线连接的维度，广度都将有巨大的提升，支持 诸如超大带宽视频传输， 超低延时工业物联网， 空天地一体互联等诸多场景。 为 支持上述愿景和应用，6G 通信系统的性能要求必须实现如 1Tbps 超 大峰值速率 和 1Gbps 超大用户体 验速率，超低延时 0.1ms 和高移速通信，超 高频谱利用率 等。 本白皮书将 6G 无线通信中各热点技术的应用和发展进行梳理。 广东省新一代通信与网络创新研究院于 2019 年开始联合清华大学、北京邮 电大学、 北京交通大学、 中国科学院空天信息创新研究院、 中兴通讯股份有限公4 司等优势资源， 共同开展 “6G 热点候选技术原理研究与验证” 项目的研究。 后 来， 中国联合网络通信有限公司和本研究团队基于项目的研究成果， 对 6G 无线 通信的新技术的现状和后续发展方向及产业化能力延续评估并提出思考， 进一步 推动 6G 无线通信的研究和产业化发展，为 6G 未来的研究提供有力支撑。 2. 6G 信道仿真技术的发 展 第六代 移动 通信 技术 （6G ）将 在第 五代移 动 通信技 术（5G ）的 基 础上继续 深化移动互联， 不断扩展万物互联的边界和范围， 提供全球覆盖， 最终实现万物 互联。6G 将在 5G 的基础上从陆地移动通信网路扩展至空天地海一体化通信网 络， 包括卫星通信网络、 无人机通信网络、 陆地超密集网络、 地下通信网络、 海 洋通信网络等。 为了满足超高传输速率和超高连接密度的应用需求， 包括毫米波、 太赫兹在内的全频谱和信号高效传输新方法将被充分探索和挖掘。 为了满足人与 人、 物与人、 物与物的角度出发， 未来 6G 将带来超能交通、 智能交互、 通感互 联网、 全息无线电等全新的应用场景。 因此， 为了支持 6G 更为多元的应用、 更 加精致的技术需求， 为了 6G 更为有效的设计、 部署和评估， 准确的信道信息变 得至关重要。 2.1 面向 6G 的高性能射线跟踪仿真技术 作为确定性信道建模方法的代表， 射线跟踪 （Ray-tracing, RT ） 于上 世纪 90 年代开始用于无线通信的研究。 它能够准确地考虑到电磁波的各种传播途径， 包 括直射、 反射、 绕射、 透射等， 并能考虑到影响电波传播的各种因素， 从而针对 不同具体场景做准确的预测。 但它受限于计算复杂度和计算能力， 应用复杂度较 高。 近年来， 射线跟踪技术在 5G 已得到越来越多的关注和认可， 在愈发精细化、 智能化的 6G 也将得到进一步的应用，其深层原因有三: 为 6G 提 供大带宽的 太赫兹电 磁波， 其传播 特性更接 近于光 （射线 ） ，因此 以光学 为理论 基础的射线 跟踪与太赫兹的物理本质更加自洽。 一方面太赫兹对传播环境和移动性高度敏 感， 而波束赋形等太赫兹大规模多天线甚至是超大规模多天线技术对信道空间分 辨率的要求又极高； 另一方面， 太赫兹动态信道测量难度巨大， 昂贵复杂。 这使 得仅仅依 靠测量 ，在太 赫兹频段 已无法 获得全 面且精细 的信道 空、时 、频信息。 射线跟踪则不存在此类限制， 利用被测量验证的射线跟踪器， 可以充分探索信道5 多径的时 延和角 度特征 。随着 空间搜 索算法 、硬件设 备和高 性能计 算的发展， 大型复杂动态场景、 大量采样点的高效射线跟踪仿真已成为可能。 因此， 在数据 驱动的时代， 利用准确、 高效的射线跟踪仿真， 可以突破测量的局限， 获得更多 维度的信道特性。 基于射线跟踪的确定性信道建模方法可以提供准确的功率、 时延、 角度、 极 化等信道 信息， 适用于 不同频段 的时变 多输入 多输出信 道的仿 真、预 测与建模。 然而在实 际中， 计算复 杂度和可 用性一 直是制 约射线跟 踪技术 广泛应 用的瓶颈。 为此， 项目成员单位北京交通大学将射线跟踪内核部署在高性能平台上， 利用分 布式计算功能进行云化，构建了高性能射线跟踪仿真平台CloudRT （raytracer.cloud/ ） ，并 和粤 通院 在 一些基 础和 应用 方面 合 作。在 准确 性方面， 超宽带动态射线跟踪信道仿真器， 在 6 GHz 以下频段已经得 到了大量的 测量数据验证， 也通过了大量的室内外、 车联网、 轨道交通等场景的毫米波与太 赫兹频段测量数据的校准与验证。 在高效性方面， 项目团队成员将射线跟踪仿真 器部署到高性能计算平台，其系统架构如图 2-1 所示，该平台由 96 个计算节点 组成，共有 1600 个 CPU 核心、10 个 NVIDIA Tesla GPU 核心、1 个管理节点和 1 个网络服务器；射线跟踪引擎被部署于计算节点上从而实现并行计算处理。 图2-1 CloudRT 的硬 件结构 与 组网 CloudRT 由数据存储服 务器、 高性能计算服务器以及用户终端组成， 它们全 部通过网络连接，以进行数据与命令传输，该平台由 5 层组成，如图 2-2 所示。6 图2-2 CloudRT 的数 据流 2.2 面向 6G 应用场景与关键技术的射线跟踪信道仿真 本项目团队研发的高精度高效率的信道仿真技术 （CloudRT 平台） 现 已成功 在多种应用场景中得到应用， 并得到学术界和工业界的共同认可， 也将在面向下 一代无线通信应用场景中发挥广泛的作用。 （1）在 信道建 模以及 推进国际 标准化 工作上 ，提供信 道数据 支撑基 于数字 地图的混合信道模型的研发， 与实测结果相结合提出 6G 通信标准信道模型。 如 和日本 NICT 、NTT DoCoMo 联合完成了 300 GHz 频段的下载站场景 信道建模， 被 IEEE 802.3d-2017 采 纳，成为首个面向 6G 的太赫兹通信标准信道模型。 （2）在 实际通 信系统 链路级和 系统级 仿真方 面，提供 准确的 信道模 型，为 实际通信系统的设计与优化提供信道基础信息。 图 2-3 为 CloudRT 支持了韩国电 子通信研究院 （ETRI）在 25 GHz 频段实现的 增强移动热点网络 （MHN-E）链 路 级软件演示。如图 2-4 所示，在平昌冬奥会上，CloudRT 支持的 MHN-E 原型机 成功在 60 公里时速下实现了 5 Gbps 车地传输速率。如图 2-5 所示，CloudRT 为 太赫兹智慧铁路、 无人机通信、 工业物联网、 车联网、 空天车地组网等 5G 及 6G 的前沿研究提供着高精度的信道信息。 （3） 高性能射线跟踪平台 CloudRT 可突破算 力瓶颈， 为全息无线电通信系 统设计与评估提供理论依据。 智能全息无线电技术是 6G 候选热点技术之一， 利 用电流片 （Current Sheet ） 的超宽带紧耦合天线阵列 （Tightly Coupled Array, TCA）， 实现连续孔径的天线阵接收和测量信号波连续的波前相位。 从信道建模的角度而 言，只要能对 TCA 的 每一个天线振子对应的多径信道进行准确地表征，将每一 个天线振子对应的信道冲激响应 （Channel Impulse Response, CIR ） 进行联合处理， 即可得到全息无线电链路的整体信道。 然而， 由 于要实现连续孔径有源天线阵列7 TCA 的天线振 子数 目 巨大，而 且需 要考虑 天 线振子之 间的 互耦效 应 ，这使得计 算复杂度面临计算效率的瓶颈。 利用 CloudRT 平台， 则可以有效突破算力瓶颈， 准确表征 TCA 接收信号的连续相位变化，生成准确的全息无线电信道信息。 图2-3 基于 CloudRT 的25 GHz 频段MHN-E 通信 系统 链 路级 软件 演示 图2-4 基于 CloudRT 生成的 信 道设 计的 MHN-E 原型 机，在 平昌 冬奥 会演 示 （mRU 为毫米波路边发射单元，mTE 为毫米波接收终端） 图2-5 CloudRT 所支 持的各 类 5G 及6G 的前 沿研 究8 2.3 高性能射线跟踪信道仿真技术的未来发展趋势 射线跟踪技术成为推动不仅是当前 5G 更是未来 6G 发展的关键技术。如图 2-6 所示，未来，高性能射线跟踪平台将向着场景重建智能化、传播机理模型自 适应以及增加链路级和系统级仿真功能的方向发展， 为 6G 的研发从电波传播与 信道的仿真、 建模一直到系统级的性能评估形成统一的整体， 支撑以太赫兹、 全 息通信、 空天地一体化等为代表的关键技术和应用场景， 实现 6G 智慧 未来愿景。 图2-6 以高 性能 云射 线跟踪 平 台为 基础 的未 来研 究方 向 ，助力 6G 智 慧未 来愿景 的 实现 3. 6G 宽带系统综述 6G 宽带通信系统将把应用场景从物理空间推动到虚拟空间，在宏观上将实 现满足全球无缝覆盖的 “空- 天- 陆- 海” 融合通 信网络， 在微观上满足不同个体的 个性化需求， 提供 “随时随地随心” 的通信体验， 不仅解决了偏远地区和无人区 的通信问题， 还能以类人思维服务于每位客户， 实现智慧连接、 深度连接、 全息 连接和泛在连接。 而建立这样的系统， 需要海量异构网络的接入和全频谱融合协 作， 要把人工智能日益增强的算力更好地应用到通信系统， 以物理层全新的空口 技术甚至轨道角动量的革命性突破， 来满足 6G 应用场景对超低时延、 超大带宽、 超大容量和极高可靠性、确定性的要求。 3.1 基于用户需求的内生智能虚拟随愿网络 未来垂直应用的新场景将是智能体交互和虚实空间互动， 其中智能体包括可 以独立完 成推理 决策的 实体（如 机器人 、无人 机、无人 汽车等 ） ，虚 拟空间指对9 现实物理 世界的 模拟重 构（如扩 展现实 、全息 影像和数 字孪生 系统等 ） 。随着这 些应用场景的发展，6G 时代将依托“信息随心至，万物触手及” 的 5G 愿景， 探索出以人类需求为根本的“随时随地随心”的智慧网络。 6G 将完成 “海量物联” 和 “万物智联” 。 未 来十年， 物联网连接设备的数量 预计将增长三倍( 从 2019 年的约 110 亿台增长到 2030 年的 300 亿台) ， 为各种需 求高度多样化的用例提供服务。 随着应用范围的进一步深化和拓展， 近乎即时的 无限无线连接性是整个数字化的主要推动力， 数据驱动的 “数字孪生” 社会需要 更先进的通信基础设施来实现海量数据高速、无延迟、安全可靠的分发。 6G 阶段的万物智联，将具备更强的性能，更加绿色智能，并实现更广的覆 盖， 峰值速率将达到 100 Gbit/s1 Tbit/s ； 空口 时延低至 0.1 ms ； 连接数密度支持 1000 万连接/ 平方公里；定位精度将达到厘米量级，有效降低成本和能耗，大幅 提升网络能效，实现可持续发展。 6G 网络基于无处不在的大数据， 将 AI 赋能 各个领域的应用， 创造出 “智能 泛在” 的世界， 而移动边缘计算 （MEC ） 正是 实现智能泛在的关键之一。 边缘计 算技术将网络的资源、 内容和功能迁移到更靠近终端的位置， 由于部分计算、 存 储和业务功能从数据中心下沉到网络边缘， 极大减少传输时延， 提高业务的时效 性，进而能提供丰富面向垂直行业的业务。6G 将进一步超越 5G 时代的边缘计 算，走向 “在网 计算” ，进而为 “泛在 智能” 提供算力 基础， 算力将 从外延走向 内生，最终实现网络与计算的深度融合。 3.2 “空- 天- 陆- 海 ”全维度网络架构与实现 陆海空天融合通信网络可以分解为两个子网络 （图 1） ： 一个由陆基 （ 即陆地 蜂窝、非 蜂窝网 络设施 等） 、空 基（无 人机、 飞艇、飞 机等各 类飞行 器）及天基 （各类卫星、 星链等） 构成的空天地一体化子网； 另一个是由水下、 海基 （海面 及深海通 信设备 等） 、 岸基，并 结合空 基与天 基构成的 深海远 洋通信 子网。地面 网 络（ TN ） 与非地面网 络 （NTN） 融合组网是 6G 系统建设要解决的难点之一。1 图3-1 “空- 天-陆-海” 融合 通信网 络 为了完成覆盖全球全地形的全维度通信系统， 地球卫星网络以及飞机、 无人 机、 飞艇等空中飞行设备组成的 “空天” 网络也将融合进来， 同时 6G 主要开发 的太赫兹频段在太空不存在吸收损耗的问题， 应用于卫星的太赫兹通信， 具有传 输速度快和传输距离远的优点， 因此卫星辅助的无线通信可以提供更大的覆盖范 围并解决 高速移 动终端 的覆盖问 题。低 轨道卫 星通信可 以实现 较低的 传输时延， 同时卫星 通信融 合也能 解决全维 度网络 架构对 大量空中 移动节 点（例 如无人机、 平流层飞艇等）的管理问题。 卫星融合最简单的方式是卫星网络作为地面基站和核心网的回传或者作为 地面有线回传的备份。 此外， 学界还提出了 Non-3GPP 接入和 3 G P P R AT 接入两 种方式。 前者将卫星接入到 6G 核心网， 和地面移动网络共用核心网； 而后者是 卫星网络和地面网络的深度融合方式， 将卫星作为一种特殊的 6G 基 站接入到 6G 核心网。 随着太赫兹相关研究的推进和技术进步， 太赫兹波段在卫星通信上的应 用也将更加成熟可靠。 学界通常所说的海洋通信网络包括海上无线通信系统、 海洋卫星通信系统和 基于陆地蜂窝网络 的岸 基移动通信系统， 它能 够保障近海、远海 和远 洋的船舶- 海岸、船舶- 船舶的日常通信，而深海远洋通信子网也将纳入水下/ 深海通信。目 前， 实现水下无线通信的载体主要有三种： 声波、 电磁波和光波， 基于三种载体1 的通信方式各具利弊，将两种甚至多种通信方式结合起来是当下的研究热点。 3.3 人工智能算力与移动通信的结合 传统的物理层设计是分模块分别优化的， 这样的设计虽然可以保证每个模块 是最优的情况， 但是整体上做不到最优。 比如编码、 调制与波形在传统系统中是 分别设计 的，一 旦把三 者综合起 来考虑 ，则往 往因为接 收端复 杂度太 高而放弃。 但是对于机器学习来说， 可以不需要精心地设计各类的编码方案， 也不需要仔细 思考各种星座图， 可以通过神经网络来代替这种模块级联的方式， 通过网络自主 学习的方式来获取最优的端到端映射方式。 利用人工智能和机器学习进行物理层端到端优化和联合优化是学界的研究 热点， 但通信领域数据和其后隐藏的物理规律与计算机视觉面向的图像和视频数 据差别非常大， 现在人工智能框架强项是针对图像、 视频、 文本和语音数据， 直 接把这些框架拿来解决通信领域数据， 匹配效果无法达到最优， 相比于成熟的模 块级联设计所能达到的性能还有一定差距， 而且变化快、 实时性高的环境下训练 网络的效率需要考虑， 训练好的网络对不同测试环境下的鲁棒性也同样是一个需 要攻破的难题。 6G 的“海量物联”时代，在陆地、海洋和天空中都会有大量的互联终端设 备， 利用这些数以亿计的传感器的实时感知与智能计算能力， 支持多终端共享 AI 算力，智能终端设备侧 AI 也必将从单设备、多设备正式走向分布式和去中心化 模式，为 6G 的异构、 多终端实时感知计算提供了有力的支持。去中心化 AI 通 信不仅要满足海量、 异构的终端设备通信， 也要保证节点高度自治和数据计算共 享，并在“虚拟随愿网络”中动态自适应地协作完成用户的个性化任务计算。 3.4 大带宽与全频谱协作 信息时代， 随着互联网的不断发展， 人们对无线数据流量的需求呈现爆炸式 增长。 如何满足人们高速率低延时的业务需求成为了亟需研究和解决的问题。 在 优化现有频谱的使用分配， 提高效率的同时， 人们将放眼于更高的频率和更大的 通信带宽。在 6G 系统当中室内和室外连接的峰值数据速率最高将可达 1 Tbps 。 并且保证 95% 用户位置 的用户体验数据速率预计将达到 1 Gbps 。为了支持极高 的峰值速率， 支持的最大接入带宽必须大幅增加。 毫米波频段可支持高达 10 GHz 的带宽， 而太赫兹和可见光频段可达 100 GHz ， 因此激光、 可见光通信和太赫兹1 波段通信是 6G 研究的主题。 6G 的许多应用场景需要多频段电磁波兼容共存，其中海量终端间的实时交 互对有效利用频谱空间提出了更高的要求。 以 3GPP 非授权频谱新空口技术 （NR- Unlicensed ，NR-U ） 为 代表的非授权频谱共享， 以及基于环境反向散射的频谱共 享等都为未来频谱共享的标准提供了参考。 目前开展频谱融合研究首先要获取系统的所用频段和干扰保护准则， 随后结 合具体场景构建干扰分析模型， 最后采用频谱兼容共存分析方法 （包括确定性计 算、 仿真分析、 内场测试和外场测试等） 得出结论。 同时， 学界也在研究性能更 好的多端口频段协同天线， 如 “信号导向” 天线 （Signal Routing） 可 以将微波信 号和毫米波信号分别单独 “导入” 到对应的天线辐射单元之中。 另外， 基于大数 据和人工智能的动态频谱规划是未来的发展趋势。 3.5 6G 空口技术 随着各项研究技术的推进和发展 5G 已经逐步由愿景变为现实，5G 所提出 的网络特性，空口指标也在逐步的实现。在落实好 5G 各项基础上，对 6G 的规 划、网络性能特点的分析和 6G 空口的实现技术也已经进入了研究的阶段。 相较于 5G 空口，6G 应该具有更加强大的网络结构和能力。从具象的角度 看，6G 网络应该实现超高速率的通信、极低的延迟和超高的容量密度以及支持 超大的连接密度。 同时 6G 网络应该是具有柔性弹性和智慧绿色的网络。 从延续 性角度来看， 6G 网络应该对 5G 网络趋势有一个进一步的增强和延续， 如 5G 网 络本身所具有的特性如高速率， 绿色节能， 智能便捷和泛在覆盖等特性。 同时 6G 网络也应该拥有自己的创新业务需求， 如内生智能、 可信增强、 自生自治和内生 安全等。 6G 空口能力不仅仅需要实现对 5G 空口能力的延续和增强，也需要对未来 的通信需求带来的挑战， 做出合理的可引导式的应对。 应该作为实现数字化驱动 的社会，万物互通互联，信息智能泛在等美好愿景的基石。 面对海量物联的需求，6G 通信也需要在已有频谱资源下实现更高的数据传 输速率。 要进一步提高频谱效率， 一方面靠多天线、 调制编码、 双工等传统物理 层技术进步， 另一方面要持续探索新的物理维度和传输载体， 从信息传输方式角 度实现革命性突破，如轨道角动量技术（OAM）。1 4. 轨道角动量技术 电磁波轨道角动量 （Orbital Angular Momentum, OAM ） 是区别于电磁 波电场 强度的另一个重要物理量。具有 OAM 的电磁波又称“涡旋电磁波” ，其相位面 沿着传播方向呈现螺旋状， 已经不是平面电磁波。 电磁波轨道角动量提供了除频 率、 相位、 空间之外的另一个维度， 给人们提供了一个新的视角去认识和利用电 磁波。 整数倍 OAM 模态数的 电磁波之间相互正交，在同一个频点可以通过 OAM 复用传输多路正交信号， 从而提高频谱效率， 增加信道容量。 “OAM 复用传输获 得频谱效率的大幅提高” 是目前 OAM 电磁波应用于通信领域最大的关注点， 也 是未来无线通信， 特别是大规模无线中继传输的重要发展方向。 具有不同模态数 的电磁涡 旋波间 相互正 交,因此 在无线 传输过 程中,可 以在同 一载波 上将信息 加载 到具有不同轨道角动量的电磁波上,实现大数据量的传输,这种 OAM 电磁波复用 技术可有效提高频谱利用率。 1992 年，Allen L. 首次在光学领域研究了 OAM 光束的数学机理，并讨论 了采用不同模态 OAM 光束为传输容量提升 带来的优势。从本质上 讲，光波同 样是电磁波的一种， 而在现代无线通信中人们大量采用微波频段的电磁波， 因此 在最近的十几年中， 微波频段 OAM 的应用研究突飞猛进。 通过特殊 OAM 天线 或传统天线阵列辐射携带 OAM 的微波波束，不同模态 OAM 波束之间可以被 正交分离，因此，采用 微波 OAM 波束复用传输有望大大提高现有 无线通信链 路的传输容量。 根据 OAM 域是否与传统域独立，并且模态之间是否相互正交，可以将 OAM 与传统域之间的关系总结为三种情形， 即：1）OAM 独立于传 统域， 且模 态间相互正交； 2） OAM 与传统域非独立， 但模态间仍然可以正交分离； 3） OAM 与传统域非独立，并且 模态间不易正交分离，OAM 被映射成为一种新自由度。 为了更清晰地归纳说明， 可以通过三条典型的传输容量边界， 将 OAM 对传输容 量的提升划分为四个区域，如图 4-1 所示。1 信噪比 信道容量 A 区域 LoS MIMO ( 闭环) LoS MIMO (开环) C 区域 B 区域 最大MIMO 容量界 D 区域 图4-1 应用 OAM 提升 传输容 量 的方 法分 类概 念图 （1）在 A 区域中， 利 用 OAM 量子发射机和 OAM 量子传感器分别产生 和接收独立于传统物理量以外的新维度， 此时 通过多模态 OAM 信道复用传输， 其传输容量超过相同环境下采用 MIMO 方法的容量上界。 这个容量 上界指的是 在极为丰富的理想多径 环境下，信道的特征值 基本相同时，MIMO 系统所能达 到的最 大信道 容量。A 区域的 数学模 型对应 OAM 独立 于传统 域， 且模态 间相 互正交的理想情况。 （2）在 B 区域中， 由 于没有 OAM 传感器， 只能采用天线间接测量 OAM 在传统域中引起的电场 强度变化。为了提升链 路的传输容量，MIMO 体制是现 在普遍采用的通信方式。 而由于 MIMO 复用信道的相关性， 信道矩阵是不满秩 的。 如果此时采用特殊 OAM 天线取代传统平面波天线， 基于 OAM 模态之间 的正交性，这种替换有助于改善传统 MIMO 信道之间的相关性，从而改善通信 系统的传输容量。 值得注意的是， 在该区域中， 仍然采用传统天线来产生和接收 电磁波， OAM 新维度实际上映射到了传统域中。 该区域对应于 OAM 与传统域 不独立，但是模态之间 仍然正交分离的情况。 由于采用了特殊 OAM 天线来改 善信道之间的相关性， 理想情况下， 有望将信道矩阵的秩从视距 （LoS ） 信道情 况改善到满秩信道状态。 （3）在 C 区域中， 如果不使用特殊 OAM 天线， 而仅仅使用传统阵列天线 来产生和接收 OAM 波束，其本质上也可以被看作是一种特殊的 MIMO 传输1 方案。 为了产生和接收 OAM 电磁波束， 发射端和接收端可以自由组阵， 而均匀 环形天线阵（UCA）是一种被广泛采用的有效组阵方式。相对于普通 MIMO 系 统，OAM 波束传输条件要求严格的 LoS 直射传输场景。因此，在这种 LoS 场 景下， 基于天线阵的 OAM 系统传输容量接近于闭环 LoS-MIMO 系统容量的上 界， 并且受到 LoS 信道 条件限制。 更具体地说是由于传统阵列天线相关性很强， 特别是 LoS 传输条件 下，系统传输容量受到 LoS 信道秩的限制 。在 C 区域中， 采用 OAM 波束对传输容量上界并没有突出的贡献，但由于 OAM 波束的特殊 结构， 接收端不需要将信道估计信息反馈给发射端， 模态间的解复用可以采用类 似逆快速傅利叶变换 （IFFT ） 方法实现， 或者直接在射频链路上采用模拟移相网 络完成， 从而大大降低了接收端的计算复杂度， 这为 OAM 微波波束走向实际应 用奠定了理论基础。 值得注意的是， 无论是 C 区域还是 B 区域， 都对应于 OAM 非独立但模态间可正交分离的第 2 种情况。 （4）D 区域是一个特殊的 OAM 传输区域。在 D 区域中，针对于长距离 传输场景，由于只能用 普通平面波天线测量 OAM 波束的部分相位面信息，此 时 OAM 任意模态之间难以被正交分离，因 此将这种传输体制称为 非独立且非 正交传输。 又由于与传 统域相重叠，OAM 模 态的变化映射到空域、 频域等其他 传统域中，通过控制 OAM 模态的变化可以对电磁波束起到调控作 用，因此又 可以将其称之为一种新的自由度（DoF ） 。这里自由度的概念是指对电磁波进行 调控的变量种类。 由于在接收端只需要采样接收部分相位面信息， 因此它适合进 行长距离传输而不必担心波束发散角的问题。 但是， 部分相位面接收的代价是带 来了传输容量的损失， 而模态之间的非正交也给信息的检测分离带来了极大困难。 同样地，基于 5G 的关 键性能指标（KPI）， 6G 中 OAM 的 KPI 指标 包括频 谱效率， 端到端延迟， 连接密度， 网络能效， 区域流量密度， 移动性， 频率带宽， 基站运行容量， 抖动， 可靠性等。 OAM 对这 些 KPI 的主要贡献将显示出领先一 代的优势。KPI 在未来 6G 中随着 OAM 的增加而增加，运营商在经济效益方面 将有很大的附加值。 未来OAM 统计波 束传 输在6G 场景中 的应用 可以是从宏基站到 微基 站的链路 回传， 也可以是终端与 终端之间的近场通信。 此外， 广义OAM 波束 用于微基站 到用户端接入的6G 场景，尤其可以考虑作为OAM 多址的接入方案。1 5. 宽带太 赫兹器件的发展 太赫兹波(Terahertz ，THz) 是频率在 0.1-10THz (1THz=1012Hz) 范围内 的电磁 波， 处于电子学向光子学的过渡区域， 具有不同于微波和光波的独特特性， 是电 磁波谱中唯一尚待开发、 亟待全面探索的、 具 有重大科学意义和应用前景的新频 段。在过去的 25 年里 ，无线通信对通信速率的需求以摩尔定律的方式增长，无 线移动通信从 2G 时代到现在即将进入的 5G 时代， 通信速率从200Kbps 发展到 10Gbps ，而未来 6G 移动通信速率将超过 100Gbps 。对于电磁频谱中目前许可 的频段， 不太可能实现如此高的无线数据传输速率。 相比于微波毫米波， 太赫兹 波载波频率高、 通讯容量大。 考虑到太赫兹波段尚未分配给全球特定的有源业务， 借助太赫兹频段大带宽特性， 其有望具备实现未来无线通信所需高数据速率的潜 力，已成为无线通信发展的必然趋势。 在太赫兹通信系统中， 上下变频是实现基带信号与太赫兹信号之间的转换的 有效途径， 其核心功能器件是太赫兹频段的混频器， 其在通信系统中应用具有以 下优势：1) 采用超外差原理和固态电子学器件， 通信理论完备；2) 通过全数字 矢量调制信号生成实现太赫兹信号调制解调， 提高了频谱效率、 通信速率和信号 传输质量、系统灵活、可重构；3) 频率扩展空间较大。 目前太赫兹频段混频器通常是基于具有非线性效应的肖特基二极管来实现 的。 与传统的 Si 基材料 肖特基二极管相比， 采用 GaAs 材料有效地促 进了太赫兹 肖特基二极管的发展。GaAs 材料可以生长于 之匹配的异质材料，通过选择湿法 腐蚀将衬底减到非常薄， 甚至将衬底完全去除而将二极管转移到低损耗的衬底上， 从而大幅度减小了太赫兹传输过程中的损耗， 使 GaAs 肖特基二极管 的太赫兹频 段有了广泛的应用。与 GaAs 材料相比，InP 基材料具有更高的载流子迁移率和 非常高的饱和速度， 使得肖特基二极管可以向更高的频率拓展。 目前国际上， 美 国 VDI 公司在肖特基二极管混频器方面处于技术领跑地位，其研制的肖特基二 极管的混频器工作频率可覆盖 0.12THz 频段。 但频率越高， 可利用的带宽越大， 但其变频损耗也随之增加，影响系统的发射功率和接收灵敏度。 尽管基于肖特基二极管的混频器可以在太赫兹频段有效实现通信信号的上 下变频， 但其发 射功率 和接收灵 敏度还 远远不 能满足实 际应用 的需求 。可以说， 当前太赫兹通信技术的发展很大程度上受制于高功率信号产生和高灵敏信号检1 测技术。 在太赫兹信号功率放大方面， 目前包括固态功放和真空电子学放大器两种技 术途径。 两者相比， 前者功率相对较小， 但结构紧凑、 功耗与偏压低， 使用起来 更为便捷，且有望通过功率合成进一步提升功率，在很多应用场合得到青睐。 比如， 由 Northrop Grumman 研制的 220GHz 固 态功放， 基于 50nm InP HEMT 工艺， 使用 八端 口功 率 耦合， 单个 模块在 205-225GHz 的范 围内 输 出功率 大于 60mW ，峰值功率功率在 210GHz 达到 75mW 。使用四端口功率耦合，单个模块 在 210-225GHz 的范围 内功率达到 100mW ，峰值功率在 210GHz 达到 185mW 。 由 DARPA 资助的 Raytheon Missile Systems 项目 ， Darin Gritters ， Ken Brown 等人与 Teledyne Scientific 的 Zach Griffith, Miguel Urteaga 合作，将 32 个 50mW 的 Inp HBT PA MMICs 进行 32 路功率合成，该功率合成器采用 2 级，第一级为 一分四功分器将输入信号从入口分配到到四层独立的板， 第二级为四个独立的一 分八路功率合成器板， 在这个板上每个 MMIC 放大器都由独立的驱动电路控制， 波导功分器与每个 MMIC 放大芯片之间都由高性能的微带- 波导转换连接，每层 板都由独立的散热结构。 该放大器模块在 200-260GHz 的频率范围内 ， 小信号增 益能达到 40dB ，并能产生几百毫瓦的饱和输出功率。 另外，Nuvotronics 的 Jean-Marc Rollin, David Miller 等人也与 Teledyne Scientific 的 Zach Griffith, Miguel Urteaga 合作 ，采用金属层叠三维造技术，制作 了一个新颖的 1 分 16 路 的功率合成网络， 该模块使用的 MMIC 放大芯片有 80mW 输出功率和 15dB 的小信号增益，芯片被安装在 16 路合成器的上下两面，每一 个芯片都安装在有一个独立的 WR4 端口 E 面 探针到 CPW 结构的转 换结构上， 该转换结构有这极低的损耗。 这个新颖的模块有这超紧凑的体积， 其输出功率在 220GHz 大气窗口频段 也可达到几百毫瓦。 在真空电子学放大器方面， 美国 DARPA 启动了高频真空集成电子学 （HIFIVE ）计划，频 率为 220GHz 。目标是 利用 MEMS 技术制造全集成“芯片 级”微型真空功率器件，并和固态放大器集成在一起，形成功率带宽积达到 500W GHz ， 主要技术 难点在于大电流密度阴 极及带状注电子光学系 统，高深宽 比互作用结构加工工艺， 硅深刻技术， 散热技术等。 目前， 国际上 220GHz 频段 的真空电子学放大器输出平均功率可达到百瓦以上量级。1 在太赫兹信号低噪声接收方面， 目前主流的思路是研发太赫兹频段的低噪声 放大器， 但目前在 200GHz 及以上频段的 MMIC 低噪放芯片技术 （尤其是国内） 还不成熟， 正在不断发展的过程中， 裸芯片噪声系数很难优于 7dB ， 研发封装成 模块后， 噪声系数会进一步恶化， 需要在理论方法和技术层面不断加强研究， 提 升器件性能。 比如，IAF 采用 20 nm mHEMT 技术， 基于接地共面波导研制出适 用于 WR-1.5 波导的低 噪放。在 576GHz 达到 最大增益 15.4dB ，在 555-619GHz 的频率范围内增益大于 10dB 。600GHz 小信号的增益可以达到 14.1dB ，室温的 噪声系数约为 9.5dB 。Northrop Grumman 基于 20nm InP HEMT 工艺研制了 0.85THz 放大器， 增益 约为 13.6dB ， 噪声系数 11.1dB 。 另外， 在低温致 冷情况下， 基于超导体- 绝缘体- 超导体隧道结(SIS tunnel junctions) 混频器和 Hot electron bolometer (HEB) 混频器 ， 可实现远高于常规太赫兹肖特基二极管混频器的灵敏度， 在一些特殊应用场合可发挥出重要作用。 除了太赫兹发射接收电路， 太赫兹天线在太赫兹通信系统中也发挥着至关重 要的作用 。通信 用太