粵通院：6G無線熱點技術研究白皮書（30頁）.pdf

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1、 1 6G6G 無線熱點技術研究無線熱點技術研究 白皮書白皮書 （20202020 年）年） 廣東省新一代通信與網絡創新研究院 清華大學，北京郵電大學，北京交通大學 中國聯合網絡通信有限公司，中興通訊股份有限公司 中國科學院空天信息創新研究院 2020 年 9 月 2 目目 錄錄 1. 引言引言 .3 2. 6G 信道仿真技術的發展信道仿真技術的發展 .4 2.1 面向 6G 的高性能射線跟蹤仿真技術 .4 2.2 面向 6G 應用場景與關鍵技術的射線跟蹤信道仿真 .6 2.3 高性能射線跟蹤信道仿真技術的未來發展趨勢 .8 3. 6G 寬帶系統綜述寬帶系統綜述 .8 3.1 基于用戶需求的內

2、生智能虛擬隨愿網絡.8 3.2 “空-天-陸-?！比S度網絡架構與實現 .9 3.3 人工智能算力與移動通信的結合 . 11 3.4 大帶寬與全頻譜協作 . 11 3.5 6G 空口技術 . 12 4. 軌道角動量技術軌道角動量技術 . 13 5. 寬帶太赫茲器件的發展寬帶太赫茲器件的發展 . 16 6. 6G 太赫茲無線通信平臺的構想太赫茲無線通信平臺的構想 . 19 6.1 大容量基帶處理技術的分析 . 19 6.2 太赫茲射頻技術 . 20 6.3 太赫茲天線技術 . 21 7. 6G 太赫茲無線平臺新波形的研究太赫茲無線平臺新波形的研究 . 21 7.1 候選太赫茲新波形研究 . 22

3、 7.2 新型調制方式研究 . 23 7.3 波束管理研究 . 23 8. 86G 核心技術研究的未來展望核心技術研究的未來展望 . 24 8.1 空天地一體化 . 24 8.2 太赫茲通信技術 . 25 8.3 電磁波軌道角動量技術 . 26 8.4 智能反射表面技術 . 27 8.5 可見光通信照明定位融合方向 . 28 8.6 區塊鏈與無線網絡融合方向 . 29 鳴謝鳴謝 . 30 3 1. 1. 引言引言 信息通信業是構建國家信息基礎設施，提供網絡和信息服務，全面支撐經濟 社會發展的戰略性、基礎性和先導性行業。隨著互聯網、物聯網、云計算、大數 據等技術加快發展，信息通信業內涵不斷豐富，

4、從傳統電信服務、互聯網服務延 伸到物聯網服務等新業態。當前，萬物互聯、信息互通，互聯網日益成為人們生 產和生活的基礎和平臺，極大提高了人們對世界的認知能力。目前，5G 在世界 范圍內開始進行商用，業務范圍和生態圈基本成熟，需要我們同步前瞻未來信息 社會的通信需求，啟動 6G 移動通信系統概念與技術研究。 6G 技術對數據傳輸速率、連接數量、時延等一系列指標有著較高要求，6G 時代將會在現有的場景上擴展到更廣泛的層面和空間， 真正實現空天地海全覆蓋 的網絡，實現任意設備之間的信息傳輸，即真正進入萬物互聯時代。 在 6G 研究領域，國際通信技術研發機構相繼提出了多種實現 6G 的技術路 線， 但這

5、些方案都處于概念階段， 能否落實還需驗證。 較具代表型的技術路線有： 韓國 SK 集團信息通信技術中心曾在 2018 年提出了“太赫茲去蜂窩化結構 高空無線平臺（如衛星等） ”的 6G 技術方案，不僅應用太赫茲通信技術，還要徹 底變革現有的移動通信蜂窩架構，并建立空天地一體的通信網絡。三星研究院新 設了一個下一代通信研究中心，配合 5G 商用化服務的擴張，加強移動通信先 導技術和標準方面研究組織的功能和作用。美國貝爾實驗室也提出了“太赫茲 網絡切片”的技術路線。這些方案在技術細節上都需要長時間試驗驗證。 目前隨著各國及產業界 6G 研究的推進，6G 通信的愿景，場景和基本指標 已經有了新的進展

6、。相比于現行的 5G 通信，6G 通信網絡將與云計算、大數據和 人工智能進一步集成。為解決未來高度智能、高度數字化和高度信息化社會對無 線傳輸的需求，6G 無線網絡在無線連接的維度，廣度都將有巨大的提升，支持 諸如超大帶寬視頻傳輸，超低延時工業物聯網，空天地一體互聯等諸多場景。為 支持上述愿景和應用，6G 通信系統的性能要求必須實現如 1Tbps 超大峰值速率 和 1Gbps 超大用戶體驗速率，超低延時 0.1ms 和高移速通信，超高頻譜利用率 等。 本白皮書將 6G 無線通信中各熱點技術的應用和發展進行梳理。 廣東省新一代通信與網絡創新研究院于 2019 年開始聯合清華大學、北京郵 電大學、

7、北京交通大學、中國科學院空天信息創新研究院、中興通訊股份有限公 4 司等優勢資源，共同開展“6G 熱點候選技術原理研究與驗證”項目的研究。后 來，中國聯合網絡通信有限公司和本研究團隊基于項目的研究成果，對 6G 無線 通信的新技術的現狀和后續發展方向及產業化能力延續評估并提出思考， 進一步 推動 6G 無線通信的研究和產業化發展，為 6G 未來的研究提供有力支撐。 2. 6G2. 6G 信道仿真技術的發展信道仿真技術的發展 第六代移動通信技術（6G）將在第五代移動通信技術（5G）的基礎上繼續 深化移動互聯，不斷擴展萬物互聯的邊界和范圍，提供全球覆蓋，最終實現萬物 互聯。6G 將在 5G 的基礎

8、上從陸地移動通信網路擴展至空天地海一體化通信網 絡，包括衛星通信網絡、無人機通信網絡、陸地超密集網絡、地下通信網絡、海 洋通信網絡等。 為了滿足超高傳輸速率和超高連接密度的應用需求， 包括毫米波、 太赫茲在內的全頻譜和信號高效傳輸新方法將被充分探索和挖掘。 為了滿足人與 人、物與人、物與物的角度出發，未來 6G 將帶來超能交通、智能交互、通感互 聯網、全息無線電等全新的應用場景。因此，為了支持 6G 更為多元的應用、更 加精致的技術需求，為了 6G 更為有效的設計、部署和評估，準確的信道信息變 得至關重要。 2.1 面向 6G 的高性能射線跟蹤仿真技術 作為確定性信道建模方法的代表，射線跟蹤（

9、Ray-tracing, RT）于上世紀 90 年代開始用于無線通信的研究。它能夠準確地考慮到電磁波的各種傳播途徑，包 括直射、反射、繞射、透射等，并能考慮到影響電波傳播的各種因素，從而針對 不同具體場景做準確的預測。但它受限于計算復雜度和計算能力，應用復雜度較 高。 近年來， 射線跟蹤技術在 5G 已得到越來越多的關注和認可， 在愈發精細化、 智能化的 6G 也將得到進一步的應用，其深層原因有三: 為 6G 提供大帶寬的 太赫茲電磁波，其傳播特性更接近于光（射線） ，因此以光學為理論基礎的射線 跟蹤與太赫茲的物理本質更加自洽。 一方面太赫茲對傳播環境和移動性高度敏 感， 而波束賦形等太赫茲大

10、規模多天線甚至是超大規模多天線技術對信道空間分 辨率的要求又極高；另一方面，太赫茲動態信道測量難度巨大，昂貴復雜。這使 得僅僅依靠測量，在太赫茲頻段已無法獲得全面且精細的信道空、時、頻信息。 射線跟蹤則不存在此類限制，利用被測量驗證的射線跟蹤器，可以充分探索信道 5 多徑的時延和角度特征。隨著空間搜索算法、硬件設備和高性能計算的發展， 大型復雜動態場景、大量采樣點的高效射線跟蹤仿真已成為可能。因此，在數據 驅動的時代，利用準確、高效的射線跟蹤仿真，可以突破測量的局限，獲得更多 維度的信道特性。 基于射線跟蹤的確定性信道建模方法可以提供準確的功率、時延、角度、極 化等信道信息，適用于不同頻段的時

11、變多輸入多輸出信道的仿真、預測與建模。 然而在實際中，計算復雜度和可用性一直是制約射線跟蹤技術廣泛應用的瓶頸。 為此， 項目成員單位北京交通大學將射線跟蹤內核部署在高性能平臺上，利用分 布式計算功能進行云化，構建了高性能射線跟蹤仿真平臺CloudRT （http:/www.raytracer.cloud/） ，并和粵通院在一些基礎和應用方面合作。在準確 性方面， 超寬帶動態射線跟蹤信道仿真器， 在 6 GHz 以下頻段已經得到了大量的 測量數據驗證，也通過了大量的室內外、車聯網、軌道交通等場景的毫米波與太 赫茲頻段測量數據的校準與驗證。在高效性方面，項目團隊成員將射線跟蹤仿真 器部署到高性能計

12、算平臺，其系統架構如圖 2-1 所示，該平臺由 96 個計算節點 組成，共有 1600 個 CPU 核心、10 個 NVIDIA Tesla GPU 核心、1 個管理節點和 1 個網絡服務器；射線跟蹤引擎被部署于計算節點上從而實現并行計算處理。 圖 2-1 CloudRT 的硬件結構與組網 CloudRT 由數據存儲服務器、高性能計算服務器以及用戶終端組成，它們全 部通過網絡連接，以進行數據與命令傳輸，該平臺由 5 層組成，如圖 2-2 所示。 6 圖 2-2 CloudRT 的數據流 2.2 面向 6G 應用場景與關鍵技術的射線跟蹤信道仿真 本項目團隊研發的高精度高效率的信道仿真技術（Clo

13、udRT 平臺）現已成功 在多種應用場景中得到應用，并得到學術界和工業界的共同認可，也將在面向下 一代無線通信應用場景中發揮廣泛的作用。 （1）在信道建模以及推進國際標準化工作上，提供信道數據支撐基于數字 地圖的混合信道模型的研發，與實測結果相結合提出 6G 通信標準信道模型。如 和日本 NICT、NTT DoCoMo 聯合完成了 300 GHz 頻段的下載站場景信道建模， 被 IEEE 802.3d-2017 采納，成為首個面向 6G 的太赫茲通信標準信道模型。 （2）在實際通信系統鏈路級和系統級仿真方面，提供準確的信道模型，為 實際通信系統的設計與優化提供信道基礎信息。 圖 2-3 為 C

14、loudRT 支持了韓國電 子通信研究院（ETRI）在 25 GHz 頻段實現的增強移動熱點網絡（MHN-E）鏈路 級軟件演示。如圖 2-4 所示，在平昌冬奧會上，CloudRT 支持的 MHN-E 原型機 成功在 60 公里時速下實現了 5 Gbps 車地傳輸速率。如圖 2-5 所示，CloudRT 為 太赫茲智慧鐵路、無人機通信、工業物聯網、車聯網、空天車地組網等 5G 及 6G 的前沿研究提供著高精度的信道信息。 （3）高性能射線跟蹤平臺 CloudRT 可突破算力瓶頸，為全息無線電通信系 統設計與評估提供理論依據。智能全息無線電技術是 6G 候選熱點技術之一，利 用電流片 （Curre

15、nt Sheet） 的超寬帶緊耦合天線陣列 （Tightly Coupled Array, TCA） ， 實現連續孔徑的天線陣接收和測量信號波連續的波前相位。 從信道建模的角度而 言，只要能對 TCA 的每一個天線振子對應的多徑信道進行準確地表征，將每一 個天線振子對應的信道沖激響應 （Channel Impulse Response, CIR） 進行聯合處理， 即可得到全息無線電鏈路的整體信道。 然而， 由于要實現連續孔徑有源天線陣列， 7 TCA 的天線振子數目巨大，而且需要考慮天線振子之間的互耦效應，這使得計 算復雜度面臨計算效率的瓶頸。 利用 CloudRT 平臺， 則可以有效突破算力

16、瓶頸， 準確表征 TCA 接收信號的連續相位變化，生成準確的全息無線電信道信息。 圖 2-3 基于 CloudRT 的 25 GHz 頻段 MHN-E 通信系統鏈路級軟件演示 圖 2-4 基于 CloudRT 生成的信道設計的 MHN-E 原型機，在平昌冬奧會演示 （mRU 為毫米波路邊發射單元，mTE 為毫米波接收終端） 圖 2-5 CloudRT 所支持的各類 5G 及 6G 的前沿研究 8 2.3 高性能射線跟蹤信道仿真技術的未來發展趨勢 射線跟蹤技術成為推動不僅是當前 5G 更是未來 6G 發展的關鍵技術。如圖 2-6 所示，未來，高性能射線跟蹤平臺將向著場景重建智能化、傳播機理模型自

17、 適應以及增加鏈路級和系統級仿真功能的方向發展，為 6G 的研發從電波傳播與 信道的仿真、建模一直到系統級的性能評估形成統一的整體，支撐以太赫茲、全 息通信、 空天地一體化等為代表的關鍵技術和應用場景， 實現6G智慧未來愿景。 圖 2-6 以高性能云射線跟蹤平臺為基礎的未來研究方向，助力 6G 智慧未來愿景的實現 3. 6G3. 6G 寬帶系統綜述寬帶系統綜述 6G 寬帶通信系統將把應用場景從物理空間推動到虛擬空間，在宏觀上將實 現滿足全球無縫覆蓋的“空-天-陸-?！比诤贤ㄐ啪W絡，在微觀上滿足不同個體的 個性化需求，提供“隨時隨地隨心”的通信體驗，不僅解決了偏遠地區和無人區 的通信問題，還能以

18、類人思維服務于每位客戶，實現智慧連接、深度連接、全息 連接和泛在連接。而建立這樣的系統，需要海量異構網絡的接入和全頻譜融合協 作， 要把人工智能日益增強的算力更好地應用到通信系統，以物理層全新的空口 技術甚至軌道角動量的革命性突破， 來滿足6G應用場景對超低時延、 超大帶寬、 超大容量和極高可靠性、確定性的要求。 3.1 基于用戶需求的內生智能虛擬隨愿網絡 未來垂直應用的新場景將是智能體交互和虛實空間互動， 其中智能體包括可 以獨立完成推理決策的實體（如機器人、無人機、無人汽車等） ，虛擬空間指對 9 現實物理世界的模擬重構（如擴展現實、全息影像和數字孿生系統等） 。隨著這 些應用場景的發展，

19、6G 時代將依托“信息隨心至，萬物觸手及” 的 5G 愿景， 探索出以人類需求為根本的“隨時隨地隨心”的智慧網絡。 6G 將完成“海量物聯”和“萬物智聯” 。未來十年，物聯網連接設備的數量 預計將增長三倍(從 2019 年的約 110 億臺增長到 2030 年的 300 億臺)，為各種需 求高度多樣化的用例提供服務。隨著應用范圍的進一步深化和拓展，近乎即時的 無限無線連接性是整個數字化的主要推動力，數據驅動的“數字孿生”社會需要 更先進的通信基礎設施來實現海量數據高速、無延遲、安全可靠的分發。 6G 階段的萬物智聯，將具備更強的性能，更加綠色智能，并實現更廣的覆 蓋，峰值速率將達到 100 G

20、bit/s1 Tbit/s；空口時延低至 0.1 ms；連接數密度支持 1000 萬連接/平方公里；定位精度將達到厘米量級，有效降低成本和能耗，大幅 提升網絡能效，實現可持續發展。 6G 網絡基于無處不在的大數據，將 AI 賦能各個領域的應用，創造出“智能 泛在”的世界，而移動邊緣計算（MEC）正是實現智能泛在的關鍵之一。邊緣計 算技術將網絡的資源、內容和功能遷移到更靠近終端的位置，由于部分計算、存 儲和業務功能從數據中心下沉到網絡邊緣，極大減少傳輸時延，提高業務的時效 性，進而能提供豐富面向垂直行業的業務。6G 將進一步超越 5G 時代的邊緣計 算，走向“在網計算” ，進而為“泛在智能”提供

21、算力基礎，算力將從外延走向 內生，最終實現網絡與計算的深度融合。 3.2 “空-天-陸-?！比S度網絡架構與實現 陸?？仗烊诤贤ㄐ啪W絡可以分解為兩個子網絡 （圖 1） ： 一個由陸基 （即陸地 蜂窩、非蜂窩網絡設施等） 、空基（無人機、飛艇、飛機等各類飛行器）及天基 （各類衛星、星鏈等）構成的空天地一體化子網；另一個是由水下、?；êＣ?及深海通信設備等） 、岸基，并結合空基與天基構成的深海遠洋通信子網。地面 網絡（TN）與非地面網絡（NTN）融合組網是 6G 系統建設要解決的難點之一。 1 圖 3-1 “空-天-陸-?！比诤贤ㄐ啪W絡 為了完成覆蓋全球全地形的全維度通信系統，地球衛星網絡以及飛

22、機、無人 機、飛艇等空中飛行設備組成的“空天”網絡也將融合進來，同時 6G 主要開發 的太赫茲頻段在太空不存在吸收損耗的問題，應用于衛星的太赫茲通信，具有傳 輸速度快和傳輸距離遠的優點， 因此衛星輔助的無線通信可以提供更大的覆蓋范 圍并解決高速移動終端的覆蓋問題。低軌道衛星通信可以實現較低的傳輸時延， 同時衛星通信融合也能解決全維度網絡架構對大量空中移動節點（例如無人機、 平流層飛艇等）的管理問題。 衛星融合最簡單的方式是衛星網絡作為地面基站和核心網的回傳或者作為 地面有線回傳的備份。此外，學界還提出了 Non-3GPP 接入和 3GPP RAT 接入兩 種方式。前者將衛星接入到 6G 核心網

23、，和地面移動網絡共用核心網；而后者是 衛星網絡和地面網絡的深度融合方式， 將衛星作為一種特殊的 6G 基站接入到 6G 核心網。隨著太赫茲相關研究的推進和技術進步，太赫茲波段在衛星通信上的應 用也將更加成熟可靠。 學界通常所說的海洋通信網絡包括海上無線通信系統、 海洋衛星通信系統和 基于陸地蜂窩網絡的岸基移動通信系統，它能夠保障近海、遠海和遠洋的船舶- 海岸、船舶-船舶的日常通信，而深海遠洋通信子網也將納入水下/深海通信。目 前，實現水下無線通信的載體主要有三種：聲波、電磁波和光波，基于三種載體 1 的通信方式各具利弊，將兩種甚至多種通信方式結合起來是當下的研究熱點。 3.3 人工智能算力與移

24、動通信的結合 傳統的物理層設計是分模塊分別優化的， 這樣的設計雖然可以保證每個模塊 是最優的情況，但是整體上做不到最優。比如編碼、調制與波形在傳統系統中是 分別設計的，一旦把三者綜合起來考慮，則往往因為接收端復雜度太高而放棄。 但是對于機器學習來說，可以不需要精心地設計各類的編碼方案，也不需要仔細 思考各種星座圖，可以通過神經網絡來代替這種模塊級聯的方式，通過網絡自主 學習的方式來獲取最優的端到端映射方式。 利用人工智能和機器學習進行物理層端到端優化和聯合優化是學界的研究 熱點， 但通信領域數據和其后隱藏的物理規律與計算機視覺面向的圖像和視頻數 據差別非常大，現在人工智能框架強項是針對圖像、視

25、頻、文本和語音數據，直 接把這些框架拿來解決通信領域數據，匹配效果無法達到最優，相比于成熟的模 塊級聯設計所能達到的性能還有一定差距，而且變化快、實時性高的環境下訓練 網絡的效率需要考慮， 訓練好的網絡對不同測試環境下的魯棒性也同樣是一個需 要攻破的難題。 6G 的“海量物聯”時代，在陸地、海洋和天空中都會有大量的互聯終端設 備， 利用這些數以億計的傳感器的實時感知與智能計算能力， 支持多終端共享 AI 算力，智能終端設備側 AI 也必將從單設備、多設備正式走向分布式和去中心化 模式，為 6G 的異構、多終端實時感知計算提供了有力的支持。去中心化 AI 通 信不僅要滿足海量、異構的終端設備通信

26、，也要保證節點高度自治和數據計算共 享，并在“虛擬隨愿網絡”中動態自適應地協作完成用戶的個性化任務計算。 3.4 大帶寬與全頻譜協作 信息時代，隨著互聯網的不斷發展，人們對無線數據流量的需求呈現爆炸式 增長。 如何滿足人們高速率低延時的業務需求成為了亟需研究和解決的問題。在 優化現有頻譜的使用分配，提高效率的同時，人們將放眼于更高的頻率和更大的 通信帶寬。在 6G 系統當中室內和室外連接的峰值數據速率最高將可達 1 Tbps。 并且保證 95%用戶位置的用戶體驗數據速率預計將達到 1 Gbps。為了支持極高 的峰值速率， 支持的最大接入帶寬必須大幅增加。 毫米波頻段可支持高達 10 GHz 的

27、帶寬，而太赫茲和可見光頻段可達 100 GHz，因此激光、可見光通信和太赫茲 1 波段通信是 6G 研究的主題。 6G 的許多應用場景需要多頻段電磁波兼容共存，其中海量終端間的實時交 互對有效利用頻譜空間提出了更高的要求。 以 3GPP 非授權頻譜新空口技術 （NR- Unlicensed，NR-U）為代表的非授權頻譜共享，以及基于環境反向散射的頻譜共 享等都為未來頻譜共享的標準提供了參考。 目前開展頻譜融合研究首先要獲取系統的所用頻段和干擾保護準則， 隨后結 合具體場景構建干擾分析模型，最后采用頻譜兼容共存分析方法（包括確定性計 算、仿真分析、內場測試和外場測試等）得出結論。同時，學界也在研

28、究性能更 好的多端口頻段協同天線，如“信號導向”天線（Signal Routing）可以將微波信 號和毫米波信號分別單獨“導入”到對應的天線輻射單元之中。另外，基于大數 據和人工智能的動態頻譜規劃是未來的發展趨勢。 3.5 6G 空口技術 隨著各項研究技術的推進和發展 5G 已經逐步由愿景變為現實，5G 所提出 的網絡特性，空口指標也在逐步的實現。在落實好 5G 各項基礎上，對 6G 的規 劃、網絡性能特點的分析和 6G 空口的實現技術也已經進入了研究的階段。 相較于 5G 空口，6G 應該具有更加強大的網絡結構和能力。從具象的角度 看，6G 網絡應該實現超高速率的通信、極低的延遲和超高的容量

29、密度以及支持 超大的連接密度。同時 6G 網絡應該是具有柔性彈性和智慧綠色的網絡。從延續 性角度來看，6G 網絡應該對 5G 網絡趨勢有一個進一步的增強和延續，如 5G 網 絡本身所具有的特性如高速率， 綠色節能， 智能便捷和泛在覆蓋等特性。 同時 6G 網絡也應該擁有自己的創新業務需求，如內生智能、可信增強、自生自治和內生 安全等。 6G 空口能力不僅僅需要實現對 5G 空口能力的延續和增強，也需要對未來 的通信需求帶來的挑戰，做出合理的可引導式的應對。應該作為實現數字化驅動 的社會，萬物互通互聯，信息智能泛在等美好愿景的基石。 面對海量物聯的需求，6G 通信也需要在已有頻譜資源下實現更高的

30、數據傳 輸速率。要進一步提高頻譜效率，一方面靠多天線、調制編碼、雙工等傳統物理 層技術進步，另一方面要持續探索新的物理維度和傳輸載體，從信息傳輸方式角 度實現革命性突破，如軌道角動量技術（OAM） 。 1 4.4. 軌道角動量技術軌道角動量技術 電磁波軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）是區別于電磁波電場 強度的另一個重要物理量。具有 OAM 的電磁波又稱“渦旋電磁波” ，其相位面 沿著傳播方向呈現螺旋狀，已經不是平面電磁波。電磁波軌道角動量提供了除頻 率、相位、空間之外的另一個維度，給人們提供了一個新的視角去認識和利用電 磁波。 整數倍 OAM 模態數的電

31、磁波之間相互正交，在同一個頻點可以通過 OAM 復用傳輸多路正交信號，從而提高頻譜效率，增加信道容量。 “OAM 復用傳輸獲 得頻譜效率的大幅提高”是目前 OAM 電磁波應用于通信領域最大的關注點，也 是未來無線通信，特別是大規模無線中繼傳輸的重要發展方向。具有不同模態數 的電磁渦旋波間相互正交,因此在無線傳輸過程中,可以在同一載波上將信息加載 到具有不同軌道角動量的電磁波上,實現大數據量的傳輸,這種 OAM 電磁波復用 技術可有效提高頻譜利用率。 1992 年，Allen L. 首次在光學領域研究了 OAM 光束的數學機理，并討論 了采用不同模態 OAM 光束為傳輸容量提升帶來的優勢。從本質

32、上講，光波同 樣是電磁波的一種，而在現代無線通信中人們大量采用微波頻段的電磁波，因此 在最近的十幾年中， 微波頻段 OAM 的應用研究突飛猛進。 通過特殊 OAM 天線 或傳統天線陣列輻射攜帶 OAM 的微波波束，不同模態 OAM 波束之間可以被 正交分離，因此，采用微波 OAM 波束復用傳輸有望大大提高現有無線通信鏈 路的傳輸容量。 根據 OAM 域是否與傳統域獨立，并且模態之間是否相互正交，可以將 OAM 與傳統域之間的關系總結為三種情形，即：1）OAM 獨立于傳統域，且模 態間相互正交； 2） OAM 與傳統域非獨立， 但模態間仍然可以正交分離； 3） OAM 與傳統域非獨立，并且模態間

33、不易正交分離，OAM 被映射成為一種新自由度。 為了更清晰地歸納說明， 可以通過三條典型的傳輸容量邊界， 將 OAM 對傳輸容 量的提升劃分為四個區域，如圖 4-1 所示。 1 信噪比信噪比 信道容量信道容量 A區域區域 LoS MIMO (閉環閉環) LoS MIMO (開環開環) C區域區域 B區域區域 最大最大MIMO容量界容量界 D區域區域 圖 4-1 應用 OAM 提升傳輸容量的方法分類概念圖 （1）在 A 區域中，利用 OAM 量子發射機和 OAM 量子傳感器分別產生 和接收獨立于傳統物理量以外的新維度， 此時通過多模態 OAM 信道復用傳輸， 其傳輸容量超過相同環境下采用 MIM

34、O 方法的容量上界。 這個容量上界指的是 在極為豐富的理想多徑環境下，信道的特征值基本相同時，MIMO 系統所能達 到的最大信道容量。A 區域的數學模型對應 OAM 獨立于傳統域，且模態間相 互正交的理想情況。 （2） 在 B 區域中， 由于沒有 OAM 傳感器， 只能采用天線間接測量 OAM 在傳統域中引起的電場強度變化。為了提升鏈路的傳輸容量，MIMO 體制是現 在普遍采用的通信方式。而由于 MIMO 復用信道的相關性，信道矩陣是不滿秩 的。如果此時采用特殊 OAM 天線取代傳統平面波天線，基于 OAM 模態之間 的正交性，這種替換有助于改善傳統 MIMO 信道之間的相關性，從而改善通信

35、系統的傳輸容量。值得注意的是，在該區域中，仍然采用傳統天線來產生和接收 電磁波，OAM 新維度實際上映射到了傳統域中。該區域對應于 OAM 與傳統域 不獨立，但是模態之間仍然正交分離的情況。由于采用了特殊 OAM 天線來改 善信道之間的相關性，理想情況下，有望將信道矩陣的秩從視距（LoS）信道情 況改善到滿秩信道狀態。 （3）在 C 區域中，如果不使用特殊 OAM 天線，而僅僅使用傳統陣列天線 來產生和接收 OAM 波束，其本質上也可以被看作是一種特殊的 MIMO 傳輸 1 方案。 為了產生和接收 OAM 電磁波束， 發射端和接收端可以自由組陣， 而均勻 環形天線陣（UCA）是一種被廣泛采用的

36、有效組陣方式。相對于普通 MIMO 系 統，OAM 波束傳輸條件要求嚴格的 LoS 直射傳輸場景。因此，在這種 LoS 場 景下，基于天線陣的 OAM 系統傳輸容量接近于閉環 LoS-MIMO 系統容量的上 界， 并且受到 LoS 信道條件限制。 更具體地說是由于傳統陣列天線相關性很強， 特別是 LoS 傳輸條件下，系統傳輸容量受到 LoS 信道秩的限制。在 C 區域中， 采用 OAM 波束對傳輸容量上界并沒有突出的貢獻，但由于 OAM 波束的特殊 結構， 接收端不需要將信道估計信息反饋給發射端，模態間的解復用可以采用類 似逆快速傅利葉變換（IFFT）方法實現，或者直接在射頻鏈路上采用模擬移相

37、網 絡完成，從而大大降低了接收端的計算復雜度，這為 OAM 微波波束走向實際應 用奠定了理論基礎。 值得注意的是， 無論是 C 區域還是 B 區域， 都對應于 OAM 非獨立但模態間可正交分離的第 2 種情況。 （4）D 區域是一個特殊的 OAM 傳輸區域。在 D 區域中，針對于長距離 傳輸場景，由于只能用普通平面波天線測量 OAM 波束的部分相位面信息，此 時 OAM 任意模態之間難以被正交分離，因此將這種傳輸體制稱為非獨立且非 正交傳輸。又由于與傳統域相重疊，OAM 模態的變化映射到空域、頻域等其他 傳統域中，通過控制 OAM 模態的變化可以對電磁波束起到調控作用，因此又 可以將其稱之為一

38、種新的自由度（DoF） 。這里自由度的概念是指對電磁波進行 調控的變量種類。由于在接收端只需要采樣接收部分相位面信息，因此它適合進 行長距離傳輸而不必擔心波束發散角的問題。 但是，部分相位面接收的代價是帶 來了傳輸容量的損失， 而模態之間的非正交也給信息的檢測分離帶來了極大困難。 同樣地，基于 5G 的關鍵性能指標（KPI） ，6G 中 OAM 的 KPI 指標包括頻 譜效率， 端到端延遲， 連接密度， 網絡能效， 區域流量密度， 移動性， 頻率帶寬， 基站運行容量，抖動，可靠性等。 OAM 對這些 KPI 的主要貢獻將顯示出領先一 代的優勢。KPI 在未來 6G 中隨著 OAM 的增加而增加

39、，運營商在經濟效益方面 將有很大的附加值。 未來OAM統計波束傳輸在6G場景中的應用可以是從宏基站到微基站的鏈路 回傳，也可以是終端與終端之間的近場通信。 此外，廣義OAM波束用于微基站 到用戶端接入的6G場景，尤其可以考慮作為OAM多址的接入方案。 1 5.5. 寬帶太赫茲器件的發展寬帶太赫茲器件的發展 太赫茲波(Terahertz，THz)是頻率在 0.1-10THz (1THz=1012Hz)范圍內的電磁 波，處于電子學向光子學的過渡區域，具有不同于微波和光波的獨特特性，是電 磁波譜中唯一尚待開發、亟待全面探索的、具有重大科學意義和應用前景的新頻 段。在過去的 25 年里，無線通信對通信速率的需求以摩爾定律的方式增長，無 線移動通信從 2G 時代到現在即將進入的 5G 時代， 通信速率從200Kbps 發展到 10Gbps，而未來 6G 移動通信速率將超過 100Gbps。對于電磁頻譜中目前許可 的頻段，不太可能實現如此高的無線數據傳輸速率。相比于微波毫米波，太赫茲 波載波頻率高、 通訊容量大。 考慮到太赫茲波段尚未分配給全球特定的有源業務， 借助太赫茲頻段大帶寬特性， 其有望具備實現未來無線通信所需高數據速率的潛 力，已成為無線通信發展