近场与其他技术融合情况如何？

伴随着近场通信的研究和发展，近场定位将会是未来 6G 时代中的重要技术。

1.近场与定位

近场传播的球面波前特性有助于提高定位精度的原因：（1）远场信号的平面波前建模导致不同接收天线元件获得的到达角（AOA）是相同的，所以远场的平面波前建模只能估计到达角。如果要估计发射端的位置，需要再采用时钟同步去估计到达时间或者采用多个已知位置的接收天线去估计多个到达角。（2）然而，基于球面波前建模的近场信号的振幅项和相位项包含了精确的发射端到每个接收天线的距离。这使得我们可以直接获得发射端的位置信息，从而提高定位精度。 另外，近场信号的电磁物理效应也使得感知发射天线的姿态成为可能。具体地，发射天线的姿态和其物理形状有关，对于基本的线形天线，其姿态由三维空间朝向表征。不同的空间朝向会导致源电流分布的不同，从而导致激发的电场不同。所以近场电磁信号和发射天线的姿态具有一一对应的映射关系，这使得我们可以估计发射天线的姿态。

在文献[190]中，对于无噪声情况，作者提出了相位模糊距离和间距约束距离去精确地划分发射端的位置区间，对于每个位置区间，作者提供了可行的解耦合方案并给出了非线性电磁方程组的解。 其次，对于带噪的情况，联合定位和姿态估计需要应用信号估计理论进行。文献[191] 指出了采用电磁近场模型，在毫米波频段或者亚太赫兹频段且观测表面的尺寸在实际考虑的米级时，位置的估计精度可以达到毫米级。在[192]中，作者开发了联合定位和姿态估计器的 Ziv-Zakai 下界。相比于局部紧的 Cramér-Rao 下界，Ziv-Zakai 下界在低信噪比区域也能提供准确的性能预测。通过 Ziv-Zakai 下界，作者表明姿态的估计可以达到0.1 级（估计误差范围为 0.1）。

值得注意的是，源定位主要估计用户的两个位置参数：信源相对于基站的角度和距离。在远场场景中，源定位通常是一个联合估计问题：通过到达角（Angle of Arrival，AOA）获得角度估计；通过到达时间（Time of Arrival，TOA）获得距离估计。然而，上述联合估计需要精确的同步和/或多个接入点参与，并且与直接定位相比，通常定位性能为次优。当无线定位从远场转移到近场时，接收信号具有球面波前而非平面波，因此可以利用近场球面波特性增强无线定位，实现直接定位[193]。具体来说，可以根据球面波前的到达曲率（Curvature of Arrival，COA）直接计算用户的位置，实现单阵列同时确定距离和方向，而不是像远场中分别使用平面波获得 DOA 估计以及从宽带信号的相位获得 TOA 估计，在提升定位估计精度的同时显著降低实现复杂度[194]。

2.近场与通感一体化

2.1 从远场感知到近场感知

感知目标相对于感知节点的角度、距离和速度是无线感知中的三个重要指标。在传统的远场感知中，这三个指标的感知性能分别取决于天线阵列的规模、感知信号的带宽以及感知时长。然而，当感知目标位于近场时，信号的球面波传播对这三个指标的感知带来了革新性的改变，具体如下：  空间域联合角度和距离感知：在远场感知系统中，角度和距离感知通常需要在空间域和频域进行处理。这就意味着远场感知系统通常要求较大的带宽或者多个感知节点的协同支持，以实现对目标的精确定位。然而，在近场感知系统中，利用大孔径天线阵列能够同时捕获角度和距离信息，这使得精准的目标定位仅需通过空间域信号处理技术即可完成[203]，不再需要大带宽或多个感知节点的支持，大大降低了系统的成本和复杂度。另外，近场感知场景下的性能边界呈现出与传统均匀平面波模型不同的变化趋势。文献[204]中推导了近场感知的接收信噪比闭式表达式，不同于远场感知中的线性变化，近场场景下的信噪比随天线阵元数量呈现非线性变化，并最终趋于收敛。文献[205]中考虑超大规模MIMO 雷达与相控阵雷达，分别推导了近场场景下单站与双站感知系统角度以及距离参数的克拉美罗界的闭式表达式。

2.2 近场通信感知一体化

通信感知一体化（ISAC）代表了感知技术和无线通信交叉领域的变革。ISAC 的核心是通过促进雷达和通信之间的频谱和硬件共享，从而优化资源分配并且在感知和通信之间创造和谐的协同作用。由于超大规模阵列技术及超高频段通信技术，无线通信和感知有望在近场区域工作，从传统的远场信道建模转向近场信道建模[208][209]。该区域需要考虑以球形波而不是平面波为特征，这种新的信道特性将重塑近场通信和感知。 在通信方面，与远场波束赋形将波束能量指向特定方向不同，基于球面波的近场波束赋形实现了波束聚焦的新功能，将波束能量集中在特定位置。这不仅提高了目标用户处接收到的信号功率，而且消除了对非目标用户的干扰。其次，在远场中，无法区分处于相同或相似角度的用户，用户之间的干扰不可避免；而在近场中，BS 可以聚焦在不同的距离，从而降低的用户间的干扰。这有效地提高了信道的自由度，并进一步提高系统容量。而在感知方面，利用近场球面波估算目标角度和距离，可有效减少对分布式阵列及其同步的需求。同时，增大的阵列孔径在角域和距离域都提供了更细粒度的空间分辨率。此外，利用近场波束聚焦效应可以提高回波信号的感知信噪比，从而实现更精确的估计。而对于其他近场感知应用，如人类活动识别，球面波在距离域提供了额外的特征，因此有助于提高识别精度。

3.近场与无线传能

无线能量传输（WPT)技术能够以无线的方式为用电设备充电，在6G 与物联网时代具有重要的应用前景。现有无线能量传输技术在远场场景具有较低的能量传输效率，而在6G近场场景，各类传能波束能够将射频信号的能量传送到能量接收器周围，从而大幅提高能量传输效率[215]。与此同时，对波束能量分布调控还能够有效地降低电磁波在空间传播过程中对非充电目标区域造成的电磁污染，为未来无线能量传输技术开辟了更广阔的发展前景。

3.1 电磁辐射式

WPT 随着 5G/6G 信息时代的快速发展，越来越多的无线智能设备（例如手机、笔记本电脑和智能传感器等）为人们的生活带来便利，这些设备广泛分布于不同的场景中，因此其能源供应充满挑战。无线能量传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术为这些移动设备的充电问题提供了新的解决思路，可以在保证高效持续运作的同时避免错综复杂的电子线路，在安全性、灵活性方面优势明显，是未来社会不可或缺的技术。现有近场WPT 形式主要采用电磁感应、电磁谐振、电磁辐射等形式[216]，其中的电磁辐射式 WPT 因可对电磁波进行灵活调控，通过波束赋形的能力针对不同功能进行不同波束设计，因而在众多近场WPT 方式中体现出传输距离远、作用目标多、适用场景丰富等优势。在 WPT 系统中，电磁辐射式系统的接收端可设计为更小的体积，从而在万物互联的未来世界中充分集成于不同的设备与场景中。同时，由于电磁波可同时作为信息和能量的载体，因此 WPT 技术还可与移动通信结合，从而形成携能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transmission, SWIPT）系统，并大大提高电磁波的利用率[217]。

3.2 近远场 SWIPT

除了信息载体之外，无线信号还可以进行能量传递。传统的无线功率传输（WPT）使用微波信号传输能量，可以为低功耗设备提供能量。在移动边缘计算、快速数据聚合、移动人群感知和 ISAC 等各种环境中，WPT 已广泛用于为设备供电，作为充电电缆的替代品。作为一项极具潜力的技术，近场同步无线信息和电力传输（SWIPT）可以同时无线传输数据和电力。其中，信息和电力接收可以通过时间切换或功率分配的方式进行[233]。通过整合信息和能量的传输，消除了对单独电源或有线连接的需要，可以提高设备的灵活性、移动性和便利性。因此，SWIPT 有潜力彻底改变各种行业和应用。

虽然大多数现有工作都考虑了近场或远场通信，但很可能会出现近场和远场混合通信，系统中同时存在近场和远场用户[234]。这意味着在典型的通信场景中，用户可能位于距离BS 的近场和远场区域，从而导致更复杂的干扰问题。具体来说，文献[234]中揭示了一个有趣的观察结果，即由于能量扩散效应，当基于离散傅立叶变换（DFT）的远场波束的空间角在远场用户角附近时，近场用户可能会受到来自远场波束的强烈干扰。另一方面，这样的功率泄漏也可以用于使近场用户受益，从而导致混合场的 SWIPT 的新应用场景。文献[233]中，考虑了一种新的实用场景，称为混合近场和远场SWIPT，其中能量收集（EH）和信息解码（ID）接收器分别位于超大规模阵列 BS 的近场和远场区域。具体来说，该研究制定了一个优化问题，在 ID 总和速率和 BS 发射功率的约束下，通过联合设计BS波束调度和功率分配来最大化所有 EH 接收器处收获的加权总功率。为了解决这个非凸优化问题，研究提出了一种有效的算法，利用二元变量消除和逐次凸逼近方法来获得次优解。

在太赫兹通信或 RIS 通信中的 SWIPT 技术中，特别是对于超大阵列天线的多基站/多RIS 环境条件下，信道模型和波束分裂的特点将出现混合近/远场的情况。该场景下，除了设计功率分配之外，仍需对波束进行联合调度[235]。在太赫兹通信或RIS 通信中的SWIPT技术，绝大部分研究集中于基站或 RIS 的波束设计以满足系统所要求的性能。随着超大阵列天线的应用，太赫兹信道模型和波束分裂特性将发生改变，导致传统的波束设计/传输方案不再实用。因此在混合近/远场模型下，需要从收发机结构/RIS 结构、功率分配方式和能量/信息传输协议设计入手，设计低功耗、高性能的 SWIPT 系统。

4.近场物理层安全

4.1 近场物理层安全传输设计

在无线信道中，由于无线信道的广播特性，无线信号暴露于自由空间，容易被恶意窃听者（Eavesdropper, Eve）窃听。为解决这一问题，研究人员提出了物理层安全（Physical Layer Security, PLS）概念。PLS 能够利用无线信道的物理特性（如干扰、衰落、噪声、定向性和差异性）来增强通信安全，从而避免了复杂的秘钥生成和管理，弥补了密码学的不足。在物理层增加和利用合法信道、窃听信道的差异性， 为了满足 6G 网络及以上急剧增长的数据速率需求，如毫米波（mmWave）、太赫兹（THz）和超大规模多输入多输出（UM-MIMO）等新兴技术的研究络绎不绝，然而这些技术都依赖于大规模天线和更高的频率，大规模天线阵列的部署及极小波长的使用却显著延长了瑞利距离，从而使近场范围大大增加，因此无线通信在近场区域的研究迫在眉睫。

瑞利距离作为区分远场和近场传输的关键指标，通常超过瑞利距离的传输假设为传统的远场平面波。当传输发生在瑞利距离内时，传统远场平面波的假设不再适用，它将引入近场效应，促使传输模型转向更合理的球形波表示。传统的无线信道即远场场景中通常使用为平面波信道模型[240]，这限制了近场通信空间波束成形所带来的安全增益。近场中，当窃听者位于基站和合法用户之间时，其信道与合法信道在角度上高度相关，难以区分。因此，近场安全通信主要依赖于合法用户和窃听者之间的距离差异。近场通信的电磁（Electromagnetic, EM）传播由球面波信道模型描述[241]，与平面波模型不同，球面波传播模型包含了接收器的方向和距离两类信息，使得天线阵列的波束能够聚焦于自由空间的特定点（即波束聚焦）。因此，近场通信可以利用距离这一新维度，实现无线网络更精确的信号增强和干扰管理。

已有研究开始探索利用球面波信道模型中的距离维度来增强通信安全[242]，但针对MIMO 网络的保密波束聚焦方案研究仍不足。此外，近场 MIMO 通信中常用的大规模天线阵列和全数字波束形成结构造成了巨大的硬件成本，因此开发成本效益高的MIMO网络保密波束聚焦方案成为当下的研究重点。在此背景下，可使用一种新的近场安全传输框架，针对存在潜在的窃听者的情况下，通过基站向用户安全地传输机密信息。当窃听者位于用户和基站之间时，可采用一种特殊的基于混合波束成形架构的安全波束聚焦技术，从而有效减少射频链路的开销。 已有研究表明，即使窃听用户比合法用户更接近基站，近场通信也能进一步提高安全通信速率[243]。在近场 PLS 通信中，其安全通信性能主要取决于窃听用户与合法用户之间的距离，而不是窃听用户与基站之间的距离。

4.2 RIS 辅助近场物理层安全传输设计

由于反射级联信道双重衰落以及高频段高路径损耗的特性，传统智能超表面（RIS）辅助无线通信的性能增益受限。考虑到 RIS 阵列增益正比于反射单元个数的平方，增加RIS单元个数可以有效地弥补级联信道的衰落，因而传统 RIS 将向超大规模RIS（ExtremelyLarge-Scale RIS, XL-RIS）演进。XL-RIS 辅助通信系统更容易形成近场通信，即当发射端到XL-RIS 或者 XL-RIS 到接收端的距离小于瑞利距离，XL-RIS 辅助的无线通信系统成为近场通信系统[245]。 在远场隐蔽通信系统中，当监听者与合法接收端位于同一角度且距离发射端更近时，系统无法获得正的隐蔽通信速率。近场通信系统具有角度和距离的自由度，其中距离自由度可以使得隐蔽通信系统在上述场景中依然可以获得正的隐蔽速率。文献[246]研究了XL-RIS辅助的近场隐蔽通信系统，通过优化基站的混合预编码和 XL-RIS 的反射系数矩阵，提升近场通信系统的隐蔽通信速率。该研究发现一种介于波束成形与波束聚焦之间的波束绕射状态，其产生原因是由于级联信道具有公共的信道部分，导致 XL-RIS 辅助近场中的级联信道不再渐进正交。图 6.22 中展示了波束绕射的归一化热力图，XL-RIS 位于坐标（0，0）处，可以发现波束先绕过监听者 Willie，然后汇聚到合法接收端 Bob 处。波束绕射现象可以拓展到XL-RIS 辅助的多用户系统、NOMA 系统以及增强近场物理层安全等。