1、引言 信息通信業(yè)是構(gòu)建國家信息基礎(chǔ)設(shè)施，提供網(wǎng)絡(luò)和信息服務(wù)，全面支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性行業(yè)。隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)加快發(fā)展，信息通信業(yè)內(nèi)涵不斷豐富，從傳統(tǒng)電信服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)延伸到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等新業(yè)態(tài)。當(dāng)前，萬物互聯(lián)、信息互通，互聯(lián)網(wǎng)日益成為人們生產(chǎn)和生活的基礎(chǔ)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(nèi)開始進行商用，業(yè)務(wù)范圍和生態(tài)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(tǒng)概念與技術(shù)研究。6G 技術(shù)對數(shù)據(jù)傳輸速率、連接數(shù)量、時延等一系列指標有著較高要求，6G時代將會在現(xiàn)有的場景上擴展到更廣泛的層面和空間，真

2、正實現(xiàn)空天地海全覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)任意設(shè)備之間的信息傳輸，即真正進入萬物互聯(lián)時代。在 6G 研究領(lǐng)域，國際通信技術(shù)研發(fā)機構(gòu)相繼提出了多種實現(xiàn) 6G 的技術(shù)路線，但這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(shù)路線有：韓國 SK 集團信息通信技術(shù)中心曾在 2018 年提出了“太赫茲去蜂窩化結(jié)構(gòu)高空無線平臺（如衛(wèi)星等）”的 6G 技術(shù)方案，不僅應(yīng)用太赫茲通信技術(shù)，還要徹底變革現(xiàn)有的移動通信蜂窩架構(gòu)，并建立空天地一體的通信網(wǎng)絡(luò)。三星研究院新設(shè)了一個下一代通信研究中心，配合 5G 商用化服務(wù)的擴張，加強移動通信先導(dǎo)技術(shù)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(wǎng)絡(luò)切片”的

3、技術(shù)路線。這些方案在技術(shù)細節(jié)上都需要長時間試驗驗證。目前隨著各國及產(chǎn)業(yè)界 6G 研究的推進，6G 通信的愿景，場景和基本指標已經(jīng)有了新的進展。相比于現(xiàn)行的 5G 通信，6G 通信網(wǎng)絡(luò)將與云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能進一步集成。為解決未來高度智能、高度數(shù)字化和高度信息化社會對無線傳輸?shù)男枨螅?G 無線網(wǎng)絡(luò)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)，空天地一體互聯(lián)等諸多場景。為支持上述愿景和應(yīng)用，6G 通信系統(tǒng)的性能要求必須實現(xiàn)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

4、 無線通信中各熱點技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展進行梳理。廣東省新一代通信與網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院于 2019 年開始聯(lián)合清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京交通大學(xué)、中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、中興通訊股份有限公司等優(yōu)勢資源，共同開展“6G 熱點候選技術(shù)原理研究與驗證”項目的研究。后來，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)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(shù)的現(xiàn)狀和后續(xù)發(fā)展方向及產(chǎn)業(yè)化能力延續(xù)評估并提出思考，進一步推動 6G 無線通信的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為 6G 未來的研究提供有力支撐。6G 信道仿真技術(shù)的發(fā)展 第六代移動通信技術(shù)（6G）將在第五代移動通信技術(shù)（5G）的基礎(chǔ)上繼續(xù)深化移動互聯(lián)，不斷擴展萬物互聯(lián)

5、的邊界和范圍，提供全球覆蓋，最終實現(xiàn)萬物互聯(lián)。6G 將在 5G 的基礎(chǔ)上從陸地移動通信網(wǎng)路擴展至空天地海一體化通信網(wǎng)絡(luò)，包括衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、無人機通信網(wǎng)絡(luò)、陸地超密集網(wǎng)絡(luò)、地下通信網(wǎng)絡(luò)、海洋通信網(wǎng)絡(luò)等。為了滿足超高傳輸速率和超高連接密度的應(yīng)用需求，包括毫米波、太赫茲在內(nèi)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(fā)，未來 6G 將帶來超能交通、智能交互、通感互聯(lián)網(wǎng)、全息無線電等全新的應(yīng)用場景。因此，為了支持 6G 更為多元的應(yīng)用、更加精致的技術(shù)需求，為了 6G 更為有效的設(shè)計、部署和評估，準確的信道信息變得至關(guān)重要。面向 6G 的高性能射線跟蹤仿真技術(shù)作

6、為確定性信道建模方法的代表，射線跟蹤（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(yù)測。但它受限于計算復(fù)雜度和計算能力，應(yīng)用復(fù)雜度較高。近年來，射線跟蹤技術(shù)在 5G 已得到越來越多的關(guān)注和認可，在愈發(fā)精細化、智能化的 6G 也將得到進一步的應(yīng)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(xué)為理論基礎(chǔ)的射線跟蹤與太赫茲的物理本質(zhì)更加自洽。一方面太赫茲對傳播環(huán)境和移動性高度敏感，而波束賦形

7、等太赫茲大規(guī)模多天線甚至是超大規(guī)模多天線技術(shù)對信道空間分辨率的要求又極高；另一方面，太赫茲動態(tài)信道測量難度巨大，昂貴復(fù)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，可以充分探索信道多徑的時延和角度特征。隨著空間搜索算法、硬件設(shè)備和高性能計算的發(fā)展，大型復(fù)雜動態(tài)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(shù)據(jù)驅(qū)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變多輸入多輸

8、出信道的仿真、預(yù)測與建模。然而在實際中，計算復(fù)雜度和可用性一直是制約射線跟蹤技術(shù)廣泛應(yīng)用的瓶頸。為此，項目成員單位北京交通大學(xué)將射線跟蹤內(nèi)核部署在高性能平臺上，利用分布式計算功能進行云化，構(gòu)建了高性能射線跟蹤仿真平臺 CloudRT（ HYPERLINK http:/www.raytracer.cloud/ http:/www.raytracer.cloud/），并和粵通院在一些基礎(chǔ)和應(yīng)用方面合作。在準確性方面，超寬帶動態(tài)射線跟蹤信道仿真器，在 6 GHz 以下頻段已經(jīng)得到了大量的測量數(shù)據(jù)驗證，也通過了大量的室內(nèi)外、車聯(lián)網(wǎng)、軌道交通等場景的毫米波與太赫茲頻段測量數(shù)據(jù)的校準與驗證。在高效性方面，

9、項目團隊成員將射線跟蹤仿真器部署到高性能計算平臺，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2-1 所示，該平臺由 96 個計算節(jié)點組成，共有 1600 個 CPU 核心、10 個 NVIDIA Tesla GPU 核心、1 個管理節(jié)點和 1 個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；射線跟蹤引擎被部署于計算節(jié)點上從而實現(xiàn)并行計算處理。圖 2-1 CloudRT 的硬件結(jié)構(gòu)與組網(wǎng) CloudRT 由數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、高性能計算服務(wù)器以及用戶終端組成，它們?nèi)客ㄟ^網(wǎng)絡(luò)連接，以進行數(shù)據(jù)與命令傳輸，該平臺由 5 層組成，如圖 2-2 所示。圖 2-2 CloudRT 的數(shù)據(jù)流 面向 6G 應(yīng)用場景與關(guān)鍵技術(shù)的射線跟蹤信道仿真本項目團隊研發(fā)的高精度高效率的

10、信道仿真技術(shù)（CloudRT 平臺）現(xiàn)已成功在多種應(yīng)用場景中得到應(yīng)用，并得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的共同認可，也將在面向下一代無線通信應(yīng)用場景中發(fā)揮廣泛的作用。在信道建模以及推進國際標準化工作上，提供信道數(shù)據(jù)支撐基于數(shù)字地圖的混合信道模型的研發(fā)，與實測結(jié)果相結(jié)合提出 6G 通信標準信道模型。如和日本 NICT、NTT DoCoMo 聯(lián)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。在實際通信系統(tǒng)鏈路級和系統(tǒng)級仿真方面，提供準確的信道模型，為實際通信系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供信道基礎(chǔ)信息。圖 2-3 為 CloudR

11、T 支持了韓國電子通信研究院（ETRI）在 25 GHz 頻段實現(xiàn)的增強移動熱點網(wǎng)絡(luò)（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(xiàn)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、空天車地組網(wǎng)等 5G 及 6G的前沿研究提供著高精度的信道信息。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(tǒng)設(shè)計與評估提供理論依據(jù)。智能全息無線電技術(shù)是 6G 候選熱點技術(shù)之一，利用電流片（Current Sheet）的超寬帶緊耦合天

12、線陣列（Tightly Coupled Array, TCA），實現(xiàn)連續(xù)孔徑的天線陣接收和測量信號波連續(xù)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(yīng)的多徑信道進行準確地表征，將每一個天線振子對應(yīng)的信道沖激響應(yīng)（Channel Impulse Response, CIR）進行聯(lián)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(xiàn)連續(xù)孔徑有源天線陣列，TCA 的天線振子數(shù)目巨大，而且需要考慮天線振子之間的互耦效應(yīng)，這使得計算復(fù)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瓶頸，準確表征 TCA 接收信號的連續(xù)相位變化，生成準確的全息無線電信

13、道信息。圖 2-3 基于 CloudRT 的 25 GHz 頻段 MHN-E 通信系統(tǒng)鏈路級軟件演示 圖 2-4 基于 CloudRT 生成的信道設(shè)計的 MHN-E 原型機，在平昌冬奧會演示 （mRU 為毫米波路邊發(fā)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 高性能射線跟蹤信道仿真技術(shù)的未來發(fā)展趨勢射線跟蹤技術(shù)成為推動不僅是當(dāng)前 5G 更是未來 6G 發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。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、傳播機理模型自適應(yīng)以及增加鏈路級和系統(tǒng)級仿真功能的方向發(fā)展，為 6G 的研發(fā)從電波傳播與信道的仿真、建模

14、一直到系統(tǒng)級的性能評估形成統(tǒng)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(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場景，實現(xiàn) 6G 智慧未來愿景。圖 2-6 以高性能云射線跟蹤平臺為基礎(chǔ)的未來研究方向，助力 6G 智慧未來愿景的實現(xiàn) 6G 寬帶系統(tǒng)綜述 6G 寬帶通信系統(tǒng)將把應(yīng)用場景從物理空間推動到虛擬空間，在宏觀上將實現(xiàn)滿足全球無縫覆蓋的“空-天-陸-海”融合通信網(wǎng)絡(luò)，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(qū)和無人區(qū)的通信問題，還能以類人思維服務(wù)于每位客戶，實現(xiàn)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(tǒng)，需要海量異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入和全頻譜融合協(xié)作，要把人

15、工智能日益增強的算力更好地應(yīng)用到通信系統(tǒng)，以物理層全新的空口技術(shù)甚至軌道角動量的革命性突破，來滿足 6G 應(yīng)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。基于用戶需求的內(nèi)生智能虛擬隨愿網(wǎng)絡(luò)未來垂直應(yīng)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），虛擬空間指對現(xiàn)實物理世界的模擬重構(gòu)（如擴展現(xiàn)實、全息影像和數(shù)字孿生系統(tǒng)等）。隨著這些應(yīng)用場景的發(fā)展，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(wǎng)絡(luò)。6G 將完成“海量物聯(lián)”和“萬物智聯(lián)”。未來十年，物聯(lián)網(wǎng)連

16、接設(shè)備的數(shù)量預(yù)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(wù)。隨著應(yīng)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(shù)字化的主要推動力，數(shù)據(jù)驅(qū)動的“數(shù)字孿生”社會需要更先進的通信基礎(chǔ)設(shè)施來實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)高速、無延遲、安全可靠的分發(fā)。6G 階段的萬物智聯(lián)，將具備更強的性能，更加綠色智能，并實現(xiàn)更廣的覆蓋，峰值速率將達到 100 Gbit/s1 Tbit/s；空口時延低至 0.1 ms；連接數(shù)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(wǎng)絡(luò)能效，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。6G 網(wǎng)絡(luò)基

17、于無處不在的大數(shù)據(jù)，將 AI 賦能各個領(lǐng)域的應(yīng)用，創(chuàng)造出“智能泛在”的世界，而移動邊緣計算（MEC）正是實現(xiàn)智能泛在的關(guān)鍵之一。邊緣計算技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)的資源、內(nèi)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(yè)務(wù)功能從數(shù)據(jù)中心下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，極大減少傳輸時延，提高業(yè)務(wù)的時效性，進而能提供豐富面向垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)。6G 將進一步超越 5G 時代的邊緣計算，走向“在網(wǎng)計算”，進而為“泛在智能”提供算力基礎(chǔ)，算力將從外延走向內(nèi)生，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與計算的深度融合。“空-天-陸-海”全維度網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與實現(xiàn)陸海空天融合通信網(wǎng)絡(luò)可以分解為兩個子網(wǎng)絡(luò)（圖 1）：一個由陸基（即陸地蜂窩、非蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等）、空基（無人

18、機、飛艇、飛機等各類飛行器）及天基（各類衛(wèi)星、星鏈等）構(gòu)成的空天地一體化子網(wǎng)；另一個是由水下、海基（海面及深海通信設(shè)備等）、岸基，并結(jié)合空基與天基構(gòu)成的深海遠洋通信子網(wǎng)。地面網(wǎng)絡(luò)（TN）與非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）融合組網(wǎng)是 6G 系統(tǒng)建設(shè)要解決的難點之一。圖 3-1 “空-天-陸-海”融合通信網(wǎng)絡(luò) 為了完成覆蓋全球全地形的全維度通信系統(tǒng)，地球衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以及飛機、無人機、飛艇等空中飛行設(shè)備組成的“空天”網(wǎng)絡(luò)也將融合進來，同時 6G 主要開發(fā)的太赫茲頻段在太空不存在吸收損耗的問題，應(yīng)用于衛(wèi)星的太赫茲通信，具有傳輸速度快和傳輸距離遠的優(yōu)點，因此衛(wèi)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

19、蓋問題。低軌道衛(wèi)星通信可以實現(xiàn)較低的傳輸時延，同時衛(wèi)星通信融合也能解決全維度網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對大量空中移動節(jié)點（例如無人機、平流層飛艇等）的管理問題。衛(wèi)星融合最簡單的方式是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為地面基站和核心網(wǎng)的回傳或者作為地面有線回傳的備份。此外，學(xué)界還提出了 Non-3GPP 接入和 3GPP RAT 接入兩種方式。前者將衛(wèi)星接入到 6G 核心網(wǎng)，和地面移動網(wǎng)絡(luò)共用核心網(wǎng)；而后者是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的深度融合方式，將衛(wèi)星作為一種特殊的 6G 基站接入到 6G核心網(wǎng)。隨著太赫茲相關(guān)研究的推進和技術(shù)進步，太赫茲波段在衛(wèi)星通信上的應(yīng)用也將更加成熟可靠。學(xué)界通常所說的海洋通信網(wǎng)絡(luò)包括海上無線通信系統(tǒng)、海洋衛(wèi)星通信系

20、統(tǒng)和基于陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)的岸基移動通信系統(tǒng)，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(wǎng)也將納入水下/深海通信。目前，實現(xiàn)水下無線通信的載體主要有三種：聲波、電磁波和光波，基于三種載體的通信方式各具利弊，將兩種甚至多種通信方式結(jié)合起來是當(dāng)下的研究熱點。人工智能算力與移動通信的結(jié)合傳統(tǒng)的物理層設(shè)計是分模塊分別優(yōu)化的，這樣的設(shè)計雖然可以保證每個模塊是最優(yōu)的情況，但是整體上做不到最優(yōu)。比如編碼、調(diào)制與波形在傳統(tǒng)系統(tǒng)中是分別設(shè)計的，一旦把三者綜合起來考慮，則往往因為接收端復(fù)雜度太高而放棄。但是對于機器學(xué)習(xí)來說，可以不需要精心地設(shè)計各類的編碼方案，也不需要仔細思考各種星座

21、圖，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來代替這種模塊級聯(lián)的方式，通過網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)的方式來獲取最優(yōu)的端到端映射方式。利用人工智能和機器學(xué)習(xí)進行物理層端到端優(yōu)化和聯(lián)合優(yōu)化是學(xué)界的研究熱點，但通信領(lǐng)域數(shù)據(jù)和其后隱藏的物理規(guī)律與計算機視覺面向的圖像和視頻數(shù)據(jù)差別非常大，現(xiàn)在人工智能框架強項是針對圖像、視頻、文本和語音數(shù)據(jù)，直接把這些框架拿來解決通信領(lǐng)域數(shù)據(jù)，匹配效果無法達到最優(yōu)，相比于成熟的模塊級聯(lián)設(shè)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(huán)境下訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的效率需要考慮，訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對不同測試環(huán)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(lián)”時代，在陸地、海洋和天空中都會有大量的互聯(lián)終端設(shè)備，利用

22、這些數(shù)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(shè)備側(cè) AI 也必將從單設(shè)備、多設(shè)備正式走向分布式和去中心化模式，為 6G 的異構(gòu)、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(gòu)的終端設(shè)備通信，也要保證節(jié)點高度自治和數(shù)據(jù)計算共享，并在“虛擬隨愿網(wǎng)絡(luò)”中動態(tài)自適應(yīng)地協(xié)作完成用戶的個性化任務(wù)計算。大帶寬與全頻譜協(xié)作信息時代，隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，人們對無線數(shù)據(jù)流量的需求呈現(xiàn)爆炸式增長。如何滿足人們高速率低延時的業(yè)務(wù)需求成為了亟需研究和解決的問題。在優(yōu)化現(xiàn)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

23、系統(tǒng)當(dāng)中室內(nèi)和室外連接的峰值數(shù)據(jù)速率最高將可達 1 Tbps。并且保證 95%用戶位置的用戶體驗數(shù)據(jù)速率預(yù)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波段通信是 6G 研究的主題。6G 的許多應(yīng)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(quán)頻譜新空口技術(shù)（NR- Unlicensed，NR-U）為代表的非授權(quán)頻譜共享，以及基于環(huán)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。

24、目前開展頻譜融合研究首先要獲取系統(tǒng)的所用頻段和干擾保護準則，隨后結(jié)合具體場景構(gòu)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(nèi)場測試和外場測試等）得出結(jié)論。同時，學(xué)界也在研究性能更好的多端口頻段協(xié)同天線，如“信號導(dǎo)向”天線（Signal Routing）可以將微波信號和毫米波信號分別單獨“導(dǎo)入”到對應(yīng)的天線輻射單元之中。另外，基于大數(shù)據(jù)和人工智能的動態(tài)頻譜規(guī)劃是未來的發(fā)展趨勢。6G 空口技術(shù)隨著各項研究技術(shù)的推進和發(fā)展 5G 已經(jīng)逐步由愿景變?yōu)楝F(xiàn)實，5G 所提出的網(wǎng)絡(luò)特性，空口指標也在逐步的實現(xiàn)。在落實好 5G 各項基礎(chǔ)上，對 6G 的規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)性能特點的分析和 6G

25、 空口的實現(xiàn)技術(shù)也已經(jīng)進入了研究的階段。相較于 5G 空口，6G 應(yīng)該具有更加強大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和能力。從具象的角度看，6G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該實現(xiàn)超高速率的通信、極低的延遲和超高的容量密度以及支持超大的連接密度。同時 6G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是具有柔性彈性和智慧綠色的網(wǎng)絡(luò)。從延續(xù)性角度來看，6G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該對 5G 網(wǎng)絡(luò)趨勢有一個進一步的增強和延續(xù)，如 5G 網(wǎng)絡(luò)本身所具有的特性如高速率，綠色節(jié)能，智能便捷和泛在覆蓋等特性。同時 6G網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)該擁有自己的創(chuàng)新業(yè)務(wù)需求，如內(nèi)生智能、可信增強、自生自治和內(nèi)生安全等。6G 空口能力不僅僅需要實現(xiàn)對 5G 空口能力的延續(xù)和增強，也需要對未來的通信需求帶來的挑戰(zhàn)，做出合理的可引

26、導(dǎo)式的應(yīng)對。應(yīng)該作為實現(xiàn)數(shù)字化驅(qū)動的社會，萬物互通互聯(lián)，信息智能泛在等美好愿景的基石。面對海量物聯(lián)的需求，6G 通信也需要在已有頻譜資源下實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。要進一步提高頻譜效率，一方面靠多天線、調(diào)制編碼、雙工等傳統(tǒng)物理層技術(shù)進步，另一方面要持續(xù)探索新的物理維度和傳輸載體，從信息傳輸方式角度實現(xiàn)革命性突破，如軌道角動量技術(shù)（OAM）。軌道角動量技術(shù) 電磁波軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）是區(qū)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(xiàn)螺旋狀，已經(jīng)不是平面電磁波。電磁波軌道角動量提供了除頻率、

27、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(shù)倍 OAM 模態(tài)數(shù)的電磁波之間相互正交，在同一個頻點可以通過 OAM復(fù)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(fù)用傳輸獲得頻譜效率的大幅提高”是目前 OAM 電磁波應(yīng)用于通信領(lǐng)域最大的關(guān)注點，也是未來無線通信，特別是大規(guī)模無線中繼傳輸?shù)闹匾l(fā)展方向。具有不同模態(tài)數(shù)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(xiàn)大數(shù)據(jù)量的傳輸,這種 OAM 電磁波復(fù)用技術(shù)可有效提高頻譜利用率。1992 年，Allen L. 首次在光學(xué)領(lǐng)域研究了 OAM 光

28、束的數(shù)學(xué)機理，并討論了采用不同模態(tài) OAM 光束為傳輸容量提升帶來的優(yōu)勢。從本質(zhì)上講，光波同樣是電磁波的一種，而在現(xiàn)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(yīng)用研究突飛猛進。通過特殊 OAM 天線或傳統(tǒng)天線陣列輻射攜帶 OAM 的微波波束，不同模態(tài) OAM 波束之間可以被正交分離，因此，采用微波 OAM 波束復(fù)用傳輸有望大大提高現(xiàn)有無線通信鏈路的傳輸容量。根據(jù) OAM 域是否與傳統(tǒng)域獨立，并且模態(tài)之間是否相互正交，可以將 OAM 與傳統(tǒng)域之間的關(guān)系總結(jié)為三種情形，即：1）OAM 獨立于傳統(tǒng)域，且模態(tài)間相互正交；2）OAM 與傳統(tǒng)域非獨立，但模態(tài)間仍然

29、可以正交分離；3）OAM與傳統(tǒng)域非獨立，并且模態(tài)間不易正交分離，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(qū)域，如圖 4-1 所示。D區(qū)域C區(qū)域LoS MIMO (開環(huán))B區(qū)域A區(qū)域LoS MIMO (閉環(huán))最大MIMO容量界信道容量信噪比圖 4-1 應(yīng)用 OAM 提升傳輸容量的方法分類概念圖 在 A 區(qū)域中，利用 OAM 量子發(fā)射機和 OAM 量子傳感器分別產(chǎn)生和接收獨立于傳統(tǒng)物理量以外的新維度，此時通過多模態(tài) OAM 信道復(fù)用傳輸，其傳輸容量超過相同環(huán)境下采用 MIMO 方法的容量上界。這個容量上界指的是在極

30、為豐富的理想多徑環(huán)境下，信道的特征值基本相同時，MIMO 系統(tǒng)所能達到的最大信道容量。A 區(qū)域的數(shù)學(xué)模型對應(yīng) OAM 獨立于傳統(tǒng)域，且模態(tài)間相互正交的理想情況。在 B 區(qū)域中，由于沒有 OAM 傳感器，只能采用天線間接測量 OAM在傳統(tǒng)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(xiàn)在普遍采用的通信方式。而由于 MIMO 復(fù)用信道的相關(guān)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(tǒng)平面波天線，基于 OAM 模態(tài)之間的正交性，這種替換有助于改善傳統(tǒng) MIMO 信道之間的相關(guān)性，從而改善通信系統(tǒng)的傳輸容量。值得注意的是，在該區(qū)域中，仍然采用傳統(tǒng)天線來產(chǎn)生和接收電磁

31、波，OAM 新維度實際上映射到了傳統(tǒng)域中。該區(qū)域?qū)?yīng)于 OAM 與傳統(tǒng)域不獨立，但是模態(tài)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(guān)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(tài)。在 C 區(qū)域中，如果不使用特殊 OAM 天線，而僅僅使用傳統(tǒng)陣列天線來產(chǎn)生和接收 OAM 波束，其本質(zhì)上也可以被看作是一種特殊的 MIMO 傳輸方案。為了產(chǎn)生和接收 OAM 電磁波束，發(fā)射端和接收端可以自由組陣，而均勻環(huán)形天線陣（UCA）是一種被廣泛采用的有效組陣方式。相對于普通 MIMO 系統(tǒng)，OAM 波束傳輸條件要求嚴格的 LoS 直射傳輸場景。因此，在這

32、種 LoS 場景下，基于天線陣的 OAM 系統(tǒng)傳輸容量接近于閉環(huán) LoS-MIMO 系統(tǒng)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(tǒng)陣列天線相關(guān)性很強，特別是 LoS 傳輸條件下，系統(tǒng)傳輸容量受到 LoS 信道秩的限制。在 C 區(qū)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(jié)構(gòu)，接收端不需要將信道估計信息反饋給發(fā)射端，模態(tài)間的解復(fù)用可以采用類似逆快速傅利葉變換（IFFT）方法實現(xiàn)，或者直接在射頻鏈路上采用模擬移相網(wǎng)絡(luò)完成，從而大大降低了接收端的計算復(fù)雜度，這為 OAM 微波波束走向?qū)嶋H應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。值得注意的是，無論是 C 區(qū)域還

33、是 B 區(qū)域，都對應(yīng)于 OAM非獨立但模態(tài)間可正交分離的第 2 種情況。（4）D 區(qū)域是一個特殊的 OAM 傳輸區(qū)域。在 D 區(qū)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(tài)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(tǒng)域相重疊，OAM 模態(tài)的變化映射到空域、頻域等其他 傳統(tǒng)域中，通過控制 OAM 模態(tài)的變化可以對電磁波束起到調(diào)控作用，因此又 可以將其稱之為一種新的自由度（DoF）。這里自由度的概念是指對電磁波進行 調(diào)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

34、輸而不必擔(dān)心波束發(fā)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(tài)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(guān)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(wǎng)絡(luò)能效，區(qū)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(lǐng)先一代的優(yōu)勢。KPI 在未來 6G 中隨著 OAM 的增加而增加，運營商在經(jīng)濟效益方面將有很大的附加值。未來OAM統(tǒng)計波束傳輸在6G場景中的應(yīng)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

35、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。寬帶太赫茲器件的發(fā)展 太赫茲波(Terahertz，THz)是頻率在 0.1-10THz (1THz=1012Hz)范圍內(nèi)的電磁波，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū)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(fā)、亟待全面探索的、具有重大科學(xué)意義和應(yīng)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(xiàn)在即將進入的 5G 時代，通信速率從200Kbps 發(fā)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

36、可能實現(xiàn)如此高的無線數(shù)據(jù)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(yè)務(wù)，借助太赫茲頻段大帶寬特性，其有望具備實現(xiàn)未來無線通信所需高數(shù)據(jù)速率的潛力，已成為無線通信發(fā)展的必然趨勢。在太赫茲通信系統(tǒng)中，上下變頻是實現(xiàn)基帶信號與太赫茲信號之間的轉(zhuǎn)換的有效途徑，其核心功能器件是太赫茲頻段的混頻器，其在通信系統(tǒng)中應(yīng)用具有以下優(yōu)勢：1) 采用超外差原理和固態(tài)電子學(xué)器件，通信理論完備；2) 通過全數(shù)字矢量調(diào)制信號生成實現(xiàn)太赫茲信號調(diào)制解調(diào)，提高了頻譜效率、通信速率和信號傳輸質(zhì)量、系統(tǒng)靈活、可重構(gòu)；3) 頻率擴展空間較大。目前太赫茲頻段混頻器通常是基于具

37、有非線性效應(yīng)的肖特基二極管來實現(xiàn) 的。與傳統(tǒng)的 Si 基材料肖特基二極管相比，采用 GaAs 材料有效地促進了太赫茲 肖特基二極管的發(fā)展。GaAs 材料可以生長于之匹配的異質(zhì)材料，通過選擇濕法 腐蝕將襯底減到非常薄，甚至將襯底完全去除而將二極管轉(zhuǎn)移到低損耗的襯底上，從而大幅度減小了太赫茲傳輸過程中的損耗，使 GaAs 肖特基二極管的太赫茲頻 段有了廣泛的應(yīng)用。與 GaAs 材料相比，InP 基材料具有更高的載流子遷移率和 非常高的飽和速度，使得肖特基二極管可以向更高的頻率拓展。目前國際上，美 國 VDI 公司在肖特基二極管混頻器方面處于技術(shù)領(lǐng)跑地位，其研制的肖特基二 極管的混頻器工作頻率可覆蓋

38、 0.12THz 頻段。但頻率越高，可利用的帶寬越大， 但其變頻損耗也隨之增加，影響系統(tǒng)的發(fā)射功率和接收靈敏度。盡管基于肖特基二極管的混頻器可以在太赫茲頻段有效實現(xiàn)通信信號的上下變頻，但其發(fā)射功率和接收靈敏度還遠遠不能滿足實際應(yīng)用的需求。可以說，當(dāng)前太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展很大程度上受制于高功率信號產(chǎn)生和高靈敏信號檢測技術(shù)。在太赫茲信號功率放大方面，目前包括固態(tài)功放和真空電子學(xué)放大器兩種技術(shù)途徑。兩者相比，前者功率相對較小，但結(jié)構(gòu)緊湊、功耗與偏壓低，使用起來更為便捷，且有望通過功率合成進一步提升功率，在很多應(yīng)用場合得到青睞。比如，由 Northrop Grumman 研制的 220GHz 固態(tài)功放

39、，基于 50nm InP HEMT工藝，使用八端口功率耦合，單個模塊在 205-225GHz 的范圍內(nèi)輸出功率大于 60mW，峰值功率功率在 210GHz 達到 75mW。使用四端口功率耦合，單個模塊在 210-225GHz 的范圍內(nèi)功率達到 100mW，峰值功率在 210GHz 達到 185mW。由 DARPA 資助的 Raytheon Missile Systems 項目，Darin Gritters，Ken Brown等人與 Teledyne Scientific 的 Zach Griffith, Miguel Urteaga 合作，將 32 個 50mW的 Inp HBT PA MMI

40、Cs 進行 32 路功率合成，該功率合成器采用 2 級，第一級為一分四功分器將輸入信號從入口分配到到四層獨立的板，第二級為四個獨立的一分八路功率合成器板，在這個板上每個MMIC 放大器都由獨立的驅(qū)動電路控制，波導(dǎo)功分器與每個 MMIC 放大芯片之間都由高性能的微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換連接，每層板都由獨立的散熱結(jié)構(gòu)。該放大器模塊在 200-260GHz 的頻率范圍內(nèi)，小信號增益能達到 40dB，并能產(chǎn)生幾百毫瓦的飽和輸出功率。另外，Nuvotronics 的 Jean-Marc Rollin, David Miller 等人也與 Teledyne Scientific 的 Zach Griffith, M

41、iguel Urteaga 合作，采用金屬層疊三維造技術(shù)，制作了一個新穎的1 分16 路的功率合成網(wǎng)絡(luò)，該模塊使用的MMIC 放大芯片有80mW輸出功率和 15dB 的小信號增益，芯片被安裝在 16 路合成器的上下兩面，每一個芯片都安裝在有一個獨立的 WR4 端口 E 面探針到 CPW 結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上，該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有這極低的損耗。這個新穎的模塊有這超緊湊的體積，其輸出功率在 220GHz 大氣窗口頻段也可達到幾百毫瓦。在真空電子學(xué)放大器方面， 美國 DARPA 啟動了高頻真空集成電子學(xué)（HIFIVE）計劃，頻率為 220GHz。目標是利用 MEMS 技術(shù)制造全集成“芯片級”微型真空功率器件，并

42、和固態(tài)放大器集成在一起，形成功率帶寬積達到 500WGHz，主要技術(shù)難點在于大電流密度陰極及帶狀注電子光學(xué)系統(tǒng)，高深寬比互作用結(jié)構(gòu)加工工藝，硅深刻技術(shù)，散熱技術(shù)等。目前，國際上 220GHz 頻段的真空電子學(xué)放大器輸出平均功率可達到百瓦以上量級。在太赫茲信號低噪聲接收方面，目前主流的思路是研發(fā)太赫茲頻段的低噪聲 放大器，但目前在 200GHz 及以上頻段的 MMIC 低噪放芯片技術(shù)（尤其是國內(nèi)） 還不成熟，正在不斷發(fā)展的過程中，裸芯片噪聲系數(shù)很難優(yōu)于 7dB，研發(fā)封裝成 模塊后，噪聲系數(shù)會進一步惡化，需要在理論方法和技術(shù)層面不斷加強研究，提 升器件性能。比如，IAF 采用 20 nm mHEM

43、T 技術(shù)，基于接地共面波導(dǎo)研制出適 用于 WR-1.5 波導(dǎo)的低噪放。在 576GHz 達到最大增益 15.4dB，在 555-619GHz 的頻率范圍內(nèi)增益大于 10dB。600GHz 小信號的增益可以達到 14.1dB，室溫的 噪聲系數(shù)約為 9.5dB。Northrop Grumman 基于 20nm InP HEMT 工藝研制了 0.85THz 放大器，增益約為 13.6dB，噪聲系數(shù) 11.1dB。另外，在低溫致冷情況下， 基于超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體隧道結(jié)(SIS tunnel junctions)混頻器和 Hot electron bolometer (HEB)混頻器，可實現(xiàn)遠高于常

44、規(guī)太赫茲肖特基二極管混頻器的靈敏度，在一些特殊應(yīng)用場合可發(fā)揮出重要作用。除了太赫茲發(fā)射接收電路，太赫茲天線在太赫茲通信系統(tǒng)中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通信用太赫茲高增益天線具有超電大尺寸和跨尺度結(jié)構(gòu)并存的特點，一方面為了獲得高的增益，天線通常具有幾百倍波長的電大尺寸，另一方面，饋源和饋電結(jié)構(gòu)往往具有與波長相比擬甚至小于波長的精細結(jié)構(gòu)。對這種特殊結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計，傳統(tǒng)全波電磁仿真方法和高頻近似電磁仿真方法均不適用，需要研究專用的高效多尺度電磁仿真技術(shù)，用于天線的優(yōu)化設(shè)計。太赫茲波長短，對太赫茲通信天線的研制需要研究機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和高精度加工技術(shù)，包括對天線反射面面形精度受溫度和溫度梯度的影響的仿真

45、分析，超電大反射面的超精密加工方法，超電大反射面曲率和精度的檢測方法，太赫茲饋源的高精度電鑄加工方法，太赫茲天線主副反射面和饋源喇叭的基準安裝技術(shù)及檢測標定方法等。通信用太赫茲高增益天線輻射口徑大，遠場距離遠，對天線遠場輻射性能的直接測試難度大，需要研究有效的間接測試方法，以對天線的電氣性能進行測試評估，為天線的優(yōu)化奠定測試技術(shù)基礎(chǔ)。太赫茲大規(guī)模陣列天線和 MIMO 天線技術(shù)可大大增加太赫茲通信電的信道數(shù)量，是太赫茲通信技術(shù)的重要發(fā)展方向，而陣列饋電與波束賦形則是實現(xiàn)以上通信模式的關(guān)鍵，通過對太赫茲陣列拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法開展研究，可大大提高陣列效率，降低陣元數(shù)量和陣列復(fù)雜度；通過研究陣列饋

46、電網(wǎng)絡(luò)的幅相控制方法，可實現(xiàn)陣列合成波束的靈活控制，形成太赫茲通信波束賦形能力，以滿足需要實時波束切換的太赫茲通信場景。綜上所述，高功率太赫茲信號產(chǎn)生、高靈敏度太赫茲信號接收、高增益太赫茲天線以及太赫茲頻段的波束賦形與調(diào)控等技術(shù)已成為推動太赫茲通信技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的核心關(guān)鍵技術(shù)，將對太赫茲通信距離、通信速率、通信誤碼率，以及通信系統(tǒng)的應(yīng)用場景等產(chǎn)生深遠影響。6G 太赫茲無線通信平臺的構(gòu)想 太赫茲通信技術(shù)憑借其極高的數(shù)據(jù)傳輸速率、安全性等一系列優(yōu)勢，在未來的 6G 無線網(wǎng)絡(luò)中將有廣闊的應(yīng)用前景。如片上通信、超高速率無線接入、高速基站間回傳、安全通信、空間通信等。 太赫茲頻段憑借豐富的頻段資源優(yōu)勢，

47、受到學(xué)術(shù)界的熱烈關(guān)注，也受到歐、美、日等國家區(qū)域和組織的高度重視，成為目前極具潛力的 6G 關(guān)鍵候選頻譜技術(shù)。全球首份 6G 白皮書報告中對未來眾多 6G 候選技術(shù)應(yīng)用潛力和技術(shù)影響力的分析和預(yù)估。14 個 6G 潛在無線技術(shù)方向中，包含 6 個與太赫茲相關(guān)的技術(shù)方向，分別包括太赫茲通信相關(guān)的關(guān)鍵器件材料工藝（磷化銦、鍺硅 CMOS、COMS、石墨烯、無損太赫茲材料等）和無線物理層設(shè)計等。盡管各式半導(dǎo)體、金屬等材料的器件的提出大幅度提高了 THz 通信設(shè)備性能，但是目前的 THz 器件仍不能滿足超高性能的 THz 通信技術(shù)要求。首先，THz射頻器件發(fā)射功率有限，限制了 THz 在室外遠距離通信

48、場景中的應(yīng)用。當(dāng)傳輸距離達到幾十米甚至是公里級別時，太赫茲通信能耗就會極大提高，大大縮短了移動端電池的使用壽命。與此同時，在 THz 通信中，隨著發(fā)射功率的提高，器件會更容易發(fā)熱，因此會對器件的微散熱技術(shù)提出更高要求。其次再有，未來 6G網(wǎng)絡(luò)移動端用戶將以海量的形式存在，這就要求通信端 THz 核心芯片具備集成度高、體積小等特點。因此解決可商用太赫茲器件和標準化太赫茲通信系統(tǒng)的搭建問題是太赫茲通信能否用于 6G 超高信道容量系統(tǒng)的關(guān)鍵。大容量基帶處理技術(shù)的分析由于太赫茲豐富的頻率資源，在 6G 的容量需求下，在基帶處理中，初始階段可以不太追求過高的調(diào)制階數(shù)，所以對整個系統(tǒng)的計算復(fù)雜度可以不必像

49、低頻段資源的要求那樣，對性能達到極致。但不得不看到的是，動則幾個 GHz 的帶寬，對基帶平臺的數(shù)模轉(zhuǎn)換需求，數(shù)字 IQ 傳輸需求，物理層的處理技術(shù)，都形成了硬件設(shè)計和器件技術(shù)的壓力。為了滿足全頻段的多場景的挑戰(zhàn)，具有彈性的基帶處理架構(gòu)是一個較合適的選擇。需要從三個角度考慮靈活多樣性：1 處理帶寬和采樣精度的靈活性，針對調(diào)制和解調(diào)變化或者自適應(yīng)性，以及物理工作帶寬的自適應(yīng)性，顯然兼具多域能力的需求也是在未來研究的一個重點工作；2 數(shù)字接口的能力適配性，這方面的研究重點是如何在滿足最大能力的基礎(chǔ)上，降低代價，可以在接口多適配和多速率，以及節(jié)能方面進行研究，推動該極高速接口的發(fā)展和標準、器件研究；3

50、 基帶處理的資源池化能力，作為需滿足各種空口需求的物理層處理，需要從應(yīng)用場景，采用的 6G 熱點技術(shù)進行匹配計算能力，選取最經(jīng)濟的方式實現(xiàn)基帶算法的處理，這要求我們在研究中，充分深入研究多種 6G 熱點技術(shù)的基本原理，實踐數(shù)據(jù)，并采用兼容的原則進行分析，得出具有統(tǒng)一性的需求，指導(dǎo)未來基帶處理平臺技術(shù)的研究。太赫茲射頻技術(shù)太赫茲通信原型系統(tǒng)的鏈路調(diào)制方式目前主要有兩種不同架構(gòu)：一種是光電結(jié)合的方案，利用光學(xué)外差法產(chǎn)生頻率為兩束光頻率之差的太赫茲信號，該類方案的優(yōu)點是傳輸速率高，缺點是發(fā)射功率低，系統(tǒng)體積大，能耗高，適用于地面短距離高速通信方面，較難用于遠距離通信。另一種太赫茲通信鏈路是與微波無線

51、鏈路類似的全固態(tài)電子鏈路，利用混頻器將基帶或中頻調(diào)制信號上變頻搬頻到太赫茲頻段，該類方案采用全電子學(xué)的鏈路器件，優(yōu)點是射頻前端易集成和小型化，功耗較低，缺點是發(fā)射功率和工作能效也較低。目前制約太赫茲無線通信系統(tǒng)投入商業(yè)使用的最主要的因素是商用太赫茲射頻器件的短缺，由于相比 5G 的毫米波，太赫茲的共工作頻段更高也更寬，對無線射頻器件如混頻器，本振源，倍頻器，濾波器等的設(shè)計和加工都有很苛刻的要求，太赫茲通信系統(tǒng)的搭建也比 4G 和 5G 通信系統(tǒng)的搭建也困難數(shù)倍。太赫茲天線技術(shù)太赫茲天線由于工作頻段極高，所對應(yīng)的輻射單元物理尺寸極小。0.1THz 標準偶極子天線的長度大概在 1.5mm 左右。因

52、此太赫茲天線的加工和制作有很高的難度，這極大的限制了可使用的太赫茲天線的形式。然而由于太赫茲頻段的電磁波在空氣中衰減要比毫米波大上許多，太赫茲通信需要高天線增益來補償極大的信號傳輸損耗，因此高增益的太赫茲天線設(shè)備至關(guān)重要。當(dāng)前成熟太赫茲射頻器件的缺乏讓太赫茲通信系統(tǒng)對天線增益的需求更加嚴重，現(xiàn)階段由于太赫茲陣列天線技術(shù)不成熟，反射面天線技術(shù)是實現(xiàn)高增益太赫茲天線的主要手段，然而這種技術(shù)難以實現(xiàn)靈活的波束成形，限制了太赫茲頻段下多用戶復(fù)雜通信的實現(xiàn)。因此需要相控陣列天線增大太赫茲天線靈活性。然而，目前太赫茲相控陣列天線的技術(shù)突破有限，仍需要在材料、器件等方面實現(xiàn)技術(shù)攻關(guān)。6G 太赫茲無線平臺新波

53、形的研究 LTE 和 5G NR 采用 CP-OFDM 和 DFT-s-OFDM 作為上行/下行鏈路的波形。與 LTE 和 5G NR 空口技術(shù)相比，太赫茲通信具有豐富的頻譜資源，擁有超大帶寬的資源優(yōu)勢，但是現(xiàn)階段太赫茲通信也面臨著一些挑戰(zhàn)，包括：器件功耗大、采樣帶寬受限、PA 非線性大效率低、相位噪聲高、路損大等。為了克服這些挑戰(zhàn)，太赫茲通信除了依賴于高頻器件的研究發(fā)展及性能提升之外，也需要通過空口技術(shù)的有效設(shè)計來保證和實現(xiàn)。因此，太赫茲通信的空口技術(shù)在設(shè)計基帶波形、幀結(jié)構(gòu)和參數(shù)集、調(diào)制編碼、波束管理等技術(shù)時要綜合考慮硬件鏈路的非理性特性。未來空口設(shè)計方案需要具有多種能力和特點才能適配 6G

54、 太赫茲通信的技術(shù)特征和優(yōu)勢，如頻譜和帶寬資源的動態(tài)配置、波束接入的智能管理，以及高低頻、空天地多維度、宏觀到微觀多尺度的空口協(xié)同和信息融合等。該技術(shù)研究仍處于探索起步階段，技術(shù)路線尚不明確，需要產(chǎn)業(yè)界共同參與研究，并積極探討，逐步理清未來太赫茲通信空口技術(shù)路線和發(fā)展方向。候選太赫茲新波形研究基于現(xiàn)有的 LTE 和 5G NR DFT-s-OFDM 波形，綜合太赫茲場景面臨的路徑損耗大、相位噪聲高、功率放大器效率低等問題需要一種太赫茲信號候選新波形。DFT S1Data2 S21 個時隙 DFT DFT RS S2Data1 S1S2 S1 圖 7-1 為一種太赫茲信號候選新波形時域數(shù)據(jù)的基本

55、符號結(jié)構(gòu)，該圖中給出了一個參考信號符號（RS，Reference Symbol）和兩個數(shù)據(jù)符號（Data1，Data2）， 其余符號用省略號表示。每個符號的長度為一個 DFT 操作的時域長度，即符號長度為子載波間隔的倒數(shù)。數(shù)據(jù)符號內(nèi)的時域數(shù)據(jù)主要有數(shù)據(jù) Data 和首尾插入序列（S2，S1）兩部分組成。相鄰數(shù)據(jù)符號的尾部插入序列（S1）是相同的，這樣，前一個數(shù)據(jù)符號的尾部插入序列就可以看作是后一個數(shù)據(jù)符號的循環(huán)前綴，可以抵抗無線信道的多徑時延干擾。相鄰數(shù)據(jù)符號的首部插入序列（S2）也是相同的，這樣數(shù)據(jù)符號在過采樣之后，可以減少數(shù)據(jù)部分對尾部插入序列的干擾，以保證過采樣之后，相鄰數(shù)據(jù)符號的尾部部

56、分仍然是相同的。首部和尾部插入序列是接收端已知的參考信號序列，可以用來做相位噪聲估計、頻偏糾正、輔助信道估計和輔助同步等。同時也設(shè)計該首部和尾部插入序列來自于參考信號符號時域數(shù)據(jù)的首部和尾部序列，這樣也保證了參考信號符號的尾部序列可以看作是后一個數(shù)據(jù)符號的循環(huán)前綴。該基本符號結(jié)構(gòu)可以節(jié)省額外 CP 的開銷，而且，隨著無線信道多徑時延擴展大小的變化，尾部插入序列的長度也可以變化，相當(dāng)于改變了循環(huán)前綴的長度，這樣可以靈活地自適應(yīng)多徑時延擴展大小的變化，進一步提升頻譜效率。例如，當(dāng)無線信道多徑時延量變小時，尾部插入序列的長度就可以變短，在保持符號長度不變的情況下（即保持子載波間隔不變），數(shù)據(jù)部分的長

57、度就可以變長，這樣就可以提升頻譜效率。.參考信號符號數(shù)據(jù)符號數(shù)據(jù)符號 圖 7-1 太赫茲信號候選新波形時域數(shù)據(jù)的基本符號結(jié)構(gòu) 未來 6G 將包含比 5G 更多和更復(fù)雜的應(yīng)用場景，不同應(yīng)用場景的需求也不相同。對于一些特殊應(yīng)用場景，為了保證好的性能，增強空口波形設(shè)計是非常重要的。目前，沒有任何一種單一的空口波形方案可以滿足 6G 各種不同應(yīng)用場景的需求。比如，對于太赫茲場景，為了克服一些挑戰(zhàn)，單載波類型的增強波形可能是一個好的選擇；對于室內(nèi)熱點覆蓋場景，其需求包括：更高的速率、更大的容量和靈活的用戶調(diào)度等，為了滿足這些需求，基于 OFDM 多載波類型的增強波形可能是一個好的選擇；對于高多普勒頻移場

58、景，基于 OTFS 類型的增強波形可能是一個好的選擇；等等。因此，設(shè)計多種波形類型的組合方案將可以滿足 6G不同場景的需求。多種波形類型組合方案中，不同波形之間的靈活切換、配合及兼容性等問題也需要深入細化進行研究。新型調(diào)制方式研究低峰均比調(diào)制方式也是太赫茲通信空口技術(shù)需要重點研究的方向。目前業(yè)界提出了一些低峰均比調(diào)制方案包括 FDSS+pi/2 BPSK, 8-BPSK 和 CPM 等，這些方案雖然峰均比很低，但是解調(diào)性能會有一點損失。因此仍然需要進一步研究峰均比低且解調(diào)性能又好的新型調(diào)制方式。太赫茲通信相位噪聲很高，雖然接收端能夠補償大部分相噪，但殘留相噪仍然會影響性能。因此也需要為太赫茲通

59、信設(shè)計能很好抑制相噪的新型調(diào)制方式。由于相位噪聲與 AWGN 有不同的特性，因此也需要研究新型的解調(diào)算法以保證好的解調(diào)性能。另外，為了滿足 6G 爆發(fā)式增長的容量需求，提高頻譜效率也是非常重要的。一 些 高 頻 譜 效 率 的 調(diào) 制 技 術(shù) ， 比 如 FTN(faster-than-Nyquist) 和 SEFDM(spectrally efficient frequency division multiplexing)，已經(jīng)提出了好幾年，這些調(diào)制技術(shù)也是值得進一步深入研究的。波束管理研究相對于傳統(tǒng)移動通信頻段，太赫茲頻段的路損衰減很大。然而，得益于太赫茲頻段單位面積可以容納更多天線的特點

60、，可以通過波束的方式來克服路損衰減大的不利因素。波束管理主要分為如下關(guān)鍵技術(shù)：波束訓(xùn)練：太赫茲波束數(shù)目多,主要解決的問題是如何以較低的訓(xùn)練開銷、延遲及復(fù)雜度, 快速找到滿足傳輸條件的波束鏈路，解決方案可考慮如何充分利用空域的稀疏性。波束跟蹤：太赫茲波束窄，容易發(fā)生切換，主要解決的問題是隨著終端的移動，準確快速地對使用的波束鏈路進行調(diào)整、切換，解決方案可考慮與人工智能結(jié)合。波束恢復(fù): 太赫茲信號繞射能力弱,容易發(fā)生阻塞, 主要解決的問題是當(dāng)原有波束鏈路失效時，收發(fā)可以快速重建新的波束鏈路進行通信，解決方案可考慮多個節(jié)點之間的協(xié)作傳輸。86G 核心技術(shù)研究的未來展望 綜合前文所描述的 6G 無線通