6G无线热点技术研究白皮书2020

1、引言‍

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。

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: ①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。②一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，可以充分探索信道多径的时延和角度特征。③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 （http://www.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。

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。

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，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。

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。

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/s~1 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。

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 3GPP RAT 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（NRUnlicensed，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）。

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）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。

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 0.1~2THz 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。

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。通信用太赫兹高增益天线具有超电大尺寸和跨尺度结构并存的特点， 一方面为了获得高的增益，天线通常具有几百倍波长的电大尺寸，另一方面，馈 源和馈电结构往往具有与波长相比拟甚至小于波长的精细结构。对这种特殊结构 天线的设计，传统全波电磁仿真方法和高频近似电磁仿真方法均不适用，需要研 究专用的高效多尺度电磁仿真技术，用于天线的优化设计。

太赫兹波长短，对太赫兹通信天线的研制需要研究机械结构优化设计和高精 度加工技术，包括对天线反射面面形精度受温度和温度梯度的影响的仿真分析， 超电大反射面的超精密加工方法，超电大反射面曲率和精度的检测方法，太赫兹 馈源的高精度电铸加工方法，太赫兹天线主副反射面和馈源喇叭的基准安装技术 及检测标定方法等。

通信用太赫兹高增益天线辐射口径大，远场距离远，对天线远场辐射性能的 直接测试难度大，需要研究有效的间接测试方法，以对天线的电气性能进行测试 评估，为天线的优化奠定测试技术基础。

太赫兹大规模阵列天线和 MIMO 天线技术可大大增加太赫兹通信电的信道 数量，是太赫兹通信技术的重要发展方向，而阵列馈电与波束赋形则是实现以上 通信模式的关键，通过对太赫兹阵列拓扑结构的优化设计方法开展研究，可大大提高阵列效率，降低阵元数量和阵列复杂度；通过研究阵列馈电网络的幅相控制 方法，可实现阵列合成波束的灵活控制，形成太赫兹通信波束赋形能力，以满足 需要实时波束切换的太赫兹通信场景。

综上所述，高功率太赫兹信号产生、高灵敏度太赫兹信号接收、高增益太赫 兹天线以及太赫兹频段的波束赋形与调控等技术已成为推动太赫兹通信技术发 展与应用的核心关键技术，将对太赫兹通信距离、通信速率、通信误码率，以及 通信系统的应用场景等产生深远影响。

6. 6G 太赫兹无线通信平台的构想 ‍

太赫兹通信技术凭借其极高的数据传输速率、安全性等一系列优势，在未来 的 6G 无线网络中将有广阔的应用前景。如片上通信、超高速率无线接入、高速 基站间回传、安全通信、空间通信等。 太赫兹频段凭借丰富的频段资源优势， 受到学术界的热烈关注，也受到欧、美、日等国家区域和组织的高度重视，成为 目前极具潜力的 6G 关键候选频谱技术。全球首份 6G 白皮书报告中对未来众多 6G 候选技术应用潜力和技术影响力的分析和预估。14 个 6G 潜在无线技术方向 中，包含 6 个与太赫兹相关的技术方向，分别包括太赫兹通信相关的关键器件材 料工艺（磷化铟、锗硅 CMOS、COMS、石墨烯、无损太赫兹材料等）和无线物 理层设计等。

尽管各式半导体、金属等材料的器件的提出大幅度提高了 THz 通信设备性 能，但是目前的 THz 器件仍不能满足超高性能的 THz 通信技术要求。首先，THz 射频器件发射功率有限，限制了 THz 在室外远距离通信场景中的应用。当传输 距离达到几十米甚至是公里级别时，太赫兹通信能耗就会极大提高，大大缩短了 移动端电池的使用寿命。与此同时，在 THz 通信中，随着发射功率的提高，器件 会更容易发热，因此会对器件的微散热技术提出更高要求。其次再有，未来 6G 网络移动端用户将以海量的形式存在，这就要求通信端 THz 核心芯片具备集成 度高、体积小等特点。因此解决可商用太赫兹器件和标准化太赫兹通信系统的搭 建问题是太赫兹通信能否用于 6G 超高信道容量系统的关键。

6.1 大容量基带处理技术的分析

由于太赫兹丰富的频率资源，在 6G 的容量需求下，在基带处理中，初始阶段可以不太追求过高的调制阶数，所以对整个系统的计算复杂度可以不必像低频 段资源的要求那样，对性能达到极致。但不得不看到的是，动则几个 GHz 的带 宽，对基带平台的数模转换需求，数字 IQ 传输需求，物理层的处理技术，都形 成了硬件设计和器件技术的压力。

为了满足全频段的多场景的挑战，具有弹性的基带处理架构是一个较合适的 选择。需要从三个角度考虑灵活多样性：1 处理带宽和采样精度的灵活性，针对 调制和解调变化或者自适应性，以及物理工作带宽的自适应性，显然兼具多域能 力的需求也是在未来研究的一个重点工作；2 数字接口的能力适配性，这方面的 研究重点是如何在满足最大能力的基础上，降低代价，可以在接口多适配和多速 率，以及节能方面进行研究，推动该极高速接口的发展和标准、器件研究；3 基 带处理的资源池化能力，作为需满足各种空口需求的物理层处理，需要从应用场 景，采用的 6G 热点技术进行匹配计算能力，选取最经济的方式实现基带算法的 处理，这要求我们在研究中，充分深入研究多种 6G 热点技术的基本原理，实践 数据，并采用兼容的原则进行分析，得出具有统一性的需求，指导未来基带处理 平台技术的研究。

6.2 太赫兹射频技术

太赫兹通信原型系统的链路调制方式目前主要有两种不同架构：

一种是光电结合的方案，利用光学外差法产生频率为两束光频率之差的太赫 兹信号，该类方案的优点是传输速率高，缺点是发射功率低，系统体积大，能耗 高，适用于地面短距离高速通信方面，较难用于远距离通信。

另一种太赫兹通信链路是与微波无线链路类似的全固态电子链路，利用混频 器将基带或中频调制信号上变频搬频到太赫兹频段，该类方案采用全电子学的链 路器件，优点是射频前端易集成和小型化，功耗较低，缺点是发射功率和工作能 效也较低。

目前制约太赫兹无线通信系统投入商业使用的最主要的因素是商用太赫兹 射频器件的短缺，由于相比 5G 的毫米波，太赫兹的共工作频段更高也更宽，对 无线射频器件如混频器，本振源，倍频器，滤波器等的设计和加工都有很苛刻的 要求，太赫兹通信系统的搭建也比 4G 和 5G 通信系统的搭建也困难数倍。

6.3 太赫兹天线技术

太赫兹天线由于工作频段极高，所对应的辐射单元物理尺寸极小。0.1THz 标 准偶极子天线的长度大概在 1.5mm 左右。因此太赫兹天线的加工和制作有很高 的难度，这极大的限制了可使用的太赫兹天线的形式。

然而由于太赫兹频段的电磁波在空气中衰减要比毫米波大上许多，太赫兹通 信需要高天线增益来补偿极大的信号传输损耗，因此高增益的太赫兹天线设备至 关重要。当前成熟太赫兹射频器件的缺乏让太赫兹通信系统对天线增益的需求更 加严重，现阶段由于太赫兹阵列天线技术不成熟，反射面天线技术是实现高增益 太赫兹天线的主要手段，然而这种技术难以实现灵活的波束成形，限制了太赫兹 频段下多用户复杂通信的实现。因此需要相控阵列天线增大太赫兹天线灵活性。 然而，目前太赫兹相控阵列天线的技术突破有限，仍需要在材料、器件等方面实 现技术攻关。

7. 6G 太赫兹无线平台新波形的研究 ‍

LTE 和 5G NR 采用 CP-OFDM 和 DFT-s-OFDM 作为上行/下行链路的波形。 与 LTE 和 5G NR 空口技术相比，太赫兹通信具有丰富的频谱资源，拥有超大带 宽的资源优势，但是现阶段太赫兹通信也面临着一些挑战，包括：器件功耗大、 采样带宽受限、PA 非线性大效率低、相位噪声高、路损大等。为了克服这些挑 战，太赫兹通信除了依赖于高频器件的研究发展及性能提升之外，也需要通过空 口技术的有效设计来保证和实现。因此，太赫兹通信的空口技术在设计基带波形、 帧结构和参数集、调制编码、波束管理等技术时要综合考虑硬件链路的非理性特 性。

未来空口设计方案需要具有多种能力和特点才能适配 6G 太赫兹通信的技术 特征和优势，如频谱和带宽资源的动态配置、波束接入的智能管理，以及高低频、 空天地多维度、宏观到微观多尺度的空口协同和信息融合等。该技术研究仍处于 探索起步阶段，技术路线尚不明确，需要产业界共同参与研究，并积极探讨，逐 步理清未来太赫兹通信空口技术路线和发展方向。

7.1 候选太赫兹新波形研究

基于现有的 LTE 和 5G NR DFT-s-OFDM 波形，综合太赫兹场景面临的路径 损耗大、相位噪声高、功率放大器效率低等问题需要一种太赫兹信号候选新波形。

图 7-1 为一种太赫兹信号候选新波形时域数据的基本符号结构，该图中给出 了一个参考信号符号（RS，Reference Symbol）和两个数据符号（Data1，Data2）， 其余符号用省略号表示。每个符号的长度为一个 DFT 操作的时域长度，即符号 长度为子载波间隔的倒数。数据符号内的时域数据主要有数据 Data 和首尾插入 序列（S2，S1）两部分组成。相邻数据符号的尾部插入序列（S1）是相同的，这 样，前一个数据符号的尾部插入序列就可以看作是后一个数据符号的循环前缀， 可以抵抗无线信道的多径时延干扰。相邻数据符号的首部插入序列（S2）也是相 同的，这样数据符号在过采样之后，可以减少数据部分对尾部插入序列的干扰， 以保证过采样之后，相邻数据符号的尾部部分仍然是相同的。首部和尾部插入序 列是接收端已知的参考信号序列，可以用来做相位噪声估计、频偏纠正、辅助信 道估计和辅助同步等。同时也设计该首部和尾部插入序列来自于参考信号符号时 域数据的首部和尾部序列，这样也保证了参考信号符号的尾部序列可以看作是后 一个数据符号的循环前缀。该基本符号结构可以节省额外 CP 的开销，而且，随 着无线信道多径时延扩展大小的变化，尾部插入序列的长度也可以变化，相当于 改变了循环前缀的长度，这样可以灵活地自适应多径时延扩展大小的变化，进一 步提升频谱效率。例如，当无线信道多径时延量变小时，尾部插入序列的长度就 可以变短，在保持符号长度不变的情况下（即保持子载波间隔不变），数据部分 的长度就可以变长，这样就可以提升频谱效率。

未来 6G 将包含比 5G 更多和更复杂的应用场景，不同应用场景的需求也不 相同。对于一些特殊应用场景，为了保证好的性能，增强空口波形设计是非常重 要的。目前，没有任何一种单一的空口波形方案可以满足 6G 各种不同应用场景 的需求。比如，对于太赫兹场景，为了克服一些挑战，单载波类型的增强波形可 能是一个好的选择；对于室内热点覆盖场景，其需求包括：更高的速率、更大的 容量和灵活的用户调度等，为了满足这些需求，基于 OFDM 多载波类型的增强 波形可能是一个好的选择；对于高多普勒频移场景，基于 OTFS 类型的增强波形 可能是一个好的选择；等等。因此，设计多种波形类型的组合方案将可以满足 6G 不同场景的需求。多种波形类型组合方案中，不同波形之间的灵活切换、配合及 兼容性等问题也需要深入细化进行研究。

7.2 新型调制方式研究

低峰均比调制方式也是太赫兹通信空口技术需要重点研究的方向。目前业界 提出了一些低峰均比调制方案包括 FDSS+pi/2 BPSK, 8-BPSK 和 CPM 等，这些 方案虽然峰均比很低，但是解调性能会有一点损失。因此仍然需要进一步研究峰 均比低且解调性能又好的新型调制方式。

太赫兹通信相位噪声很高，虽然接收端能够补偿大部分相噪，但残留相噪仍 然会影响性能。因此也需要为太赫兹通信设计能很好抑制相噪的新型调制方式。 由于相位噪声与 AWGN 有不同的特性，因此也需要研究新型的解调算法以保证 好的解调性能。

另外，为了满足 6G 爆发式增长的容量需求，提高频谱效率也是非常重要的。 一些高频谱效率的调制技术，比如 FTN(faster-than-Nyquist) 和 SEFDM(spectrally efficient frequency division multiplexing)，已经提出了好几年， 这些调制技术也是值得进一步深入研究的。

7.3 波束管理研究

相对于传统移动通信频段，太赫兹频段的路损衰减很大。然而，得益于太赫 兹频段单位面积可以容纳更多天线的特点，可以通过波束的方式来克服路损衰减 大的不利因素。波束管理主要分为如下关键技术：

波束训练：太赫兹波束数目多,主要解决的问题是如何以较低的训练开销、延 迟及复杂度, 快速找到满足传输条件的波束链路，解决方案可考虑如何充分利用空域的稀疏性。

波束跟踪：太赫兹波束窄，容易发生切换，主要解决的问题是随着终端的移 动，准确快速地对使用的波束链路进行调整、切换，解决方案可考虑与人工智能 结合。

波束恢复: 太赫兹信号绕射能力弱,容易发生阻塞, 主要解决的问题是当原 有波束链路失效时，收发可以快速重建新的波束链路进行通信，解决方案可考虑 多个节点之间的协作传输。

8. 86G 核心技术研究的未来展望 ‍

综合前文所描述的 6G 无线通信的构想和研究成果，目前国内外作为 6G 候 选技术的主要研究方向有：太赫兹通信技术，利用远超现阶段 4G 和 5G 的频谱 资源可以实现超大容量的通信速率，相关研究单位有日本 Osaka 大学、我国电子 科技大学，中国物理工程研究院、广东省新一代通信与网络创新研究院等；OAM 轨道角动量技术，利用 OAM 模内在的正交性提升信道容量，相关研究单位有日 本 NTT，我国清华大学、上海交通大学等；高效建模和传输理论，智能反射表面 等新型天线技术提升信道容量和频谱利用率，相关研究单位有新加坡国立大学， 华南理工大学等；适用 6G 无线网络的信道模型和仿真技术，相关研究单元有北 京交通大学、广东省新一代通信与网络创新研究院、北京邮电大学、中国联合网 络通信有限公司。

8.1 空天地一体化

经过近 40 年的发展，地面移动网络具有强大的计算能力、大数据存储能力、 高数据传输速率、低时延、城郊低成本覆盖以及支持海量连接等优势，在人口相 对聚集的地区可以有效提升社会与经济的数字化程度。但是在偏远地区的地面网 络铺设困难，成本高昂，且地面网络会受到地形和地理灾害限制。

非地面网络可以突破地表限制，实现全球全域的无线覆盖和大时空尺度的快 速通信服务。卫星网络具有天然的广播特性，覆盖范围内的链路损耗与时延相对 一致，避免了地面移动蜂窝网络中的“远近”效应，用户具有相近的体验速率。 在偏远地区，非地面网络具有比地面网络更低的覆盖成本与容量成本。但其传播 时延高，并且无法完成深度覆盖和城区容量承载。

与传统的通信网络相比，空天地一体化网络涉及多个通信系统，节点繁多复 杂；且部分接入节点具有很强的移动性，如低轨卫星的过顶时间只有几到几十分 钟，因此需要低时延、高效率、健壮的网络结构和灵活的功能节点部署方案以应 对接入节点的频繁切换。同时由于多个通信系统的运营者不同，因此需要设计安 全、可靠、高效的网络接口，以实现网络的深度、安全融合。

从研究和解决问题角度，预计未来行业可能在以下几个方面开展研究：

（1）通信设备:适应空天地海复杂的通信环境、支持多频多模；小型化、轻 量化、高能效的设备研发；便携、高能效、绿色集约的终端等；网络架构与功能 重构、以适应不同的应用环境和功能要求等。

（2）空口与网络管理技术:真正实现系统融合的空天地一体化通信网络，采 用统一的空口技术体制、资源共享，包括：动态频率共享与干扰消除、天线与射 频、智能接入与移动性管理、抗高时延、高多普勒频移等关键技术、跨域资源管 理、实现统一的业务调度与编排等。

8.2 太赫兹通信技术

太赫兹通信可支持超大带宽超高速率通信传输，但太赫兹通信频段的路径损 耗较大，且穿透和绕射能力较差，易被建筑物和物体遮挡。因此太赫兹通信具有 大带宽、超高速、短距、安全等应用特点，未来有望应用于无线回传/光纤替代、 无线局域网/个域网、无线数据中心和安全接入多种地面超高速通信场景，也可 以通过搭载卫星、无人机、飞艇等天基平台和空基平台实现空天地海多维度一体 化通信，与微纳技术结合应用于从宏观到微观的多尺度通信。

面向未来应用，太赫兹通信技术目前需要研究和发展推进的工作方向主要包 括：

（1）太赫兹关键器件更高功率和效率的突破，从分立元器件研制向低成本 小型化集成化的进化等；

（2）多种 6G 通信应用场景下的太赫兹传播特性和信道建模研究；

（3）太赫兹通信空口技术，未来太赫兹通信空口技术的架构设计应该具有 足够的灵活性，可以支持频谱和带宽资源的动态配置、波束接入的智能管理，以 及高低频、空天地多维度、宏观到微观多尺度的空口协同和信息融合，支持覆盖 多种太赫兹通信应用场景。

太赫兹不同应用场景类型对太赫兹通信系统的功能和性能要求不同，技术成 熟度不同，标准化进度也存在较大差异，从目前产业界的进展来看，预计太赫兹 通信的行业研究可分为三个阶段：

第一阶段（2020-2025 年），行业研究主要目标是实现太赫兹关键器件的小型 化集成化与低成本，并且实现更高功率和效率的提升，突破太赫兹通信应用的关 键技术瓶颈，并且开始探索研究 6G 通信应用场景下的太赫兹传播特性和信道建 模研究与空口设计；

第二阶段（2025~2028 年），太赫兹通信技术的标准化推动；

第三阶段（2028 年以后），太赫兹通信技术的试点应用，并逐步推动规模化 落地商用。

尽管现阶段太赫兹通信的发展面临诸多技术挑战，但随着相关技术的不断突 破和高频太赫兹器件产业的持续发展，太赫兹将凭借其丰富的频率带宽资源等天 然优势，与其他低频段网络融合组网，广泛应用于多维度多尺度通信场景，做为 未来 6G 通信的重要支撑技术，成为未来社会信息融合联接的重要组成部分。

8.3 电磁波轨道角动量技术

针对新一代通信系统的高带宽、高速率的特点，电磁波轨道角动量（OAM） 作为无线传输的一种新物理维度，利用 OAM 模态之间的正交性，能够有效的提 升无线通信系统的频谱效率、传输容量和抗干扰能力，具有良好应用前景。

虽然 OAM 在无线通信领域有巨大潜力，但是目前我国电磁波 OAM 研究与 应用还处于起步探索阶段。电磁波 OAM 分为量子态和统计态波束 2 种应用方 式。量子态 OAM 电磁波中每个微波量子均具有轨道角动量，发射和接收都需要 用量子产生和接收装置；统计态波束则只强调波束整体对传播主轴的角动量，涡 旋波束是最为典型的代表，收发可用专用天线或天线阵实现。目前 OAM 量子态 仅在光 OAM 传输中得以实现，微波量子频段仍在研究中，技术成熟尚待时日。 所以，就成熟度而言，当前主要依托的仍是具有 OAM 的涡旋波束。

要充分发挥 OAM 在无线通信领域中有效提升频谱效率的作用，需要解决 OAM 产生、传输与接收等问题。根据现有 OAM 的研究理论和技术基础，未来 还需要对电磁波 OAM 传输的以下几个方面进行深入的研究：

（1）长距离大容量涡旋电磁波束传输方法：涡旋波束发散，而且模态数越高，发酸情况越严重。这直接导致了在全相位面接收时所需天线口径变得很大， 甚至超出目前工艺能力。所以，长距离和大容量成为一对矛盾，即全相位接收可 保证大容量，但距离就长不了；距离变长则无法全相位面接收，采用部分相位面 接收会损失容量。因此，如何克服该矛盾，获得距离和容量的同时提升？

（2）涡旋波束 OAM 复用传输校准方法：无线通信尤其是移动通信中存在 很多非理想状态，包括非共轴、非视距、高移动性等几种类型，非理想条件都会 破坏 OAM 模态的正交性，都需要与之相适配的 OAM 复用传输校准方法。这是 解决涡旋电磁波在移动通信中应用的关键问题。另外，电波传播环境（如多径效 应、大气湍流等）均会对传输性能产生影响，需要重点研究并给出有效应对方案。

（3）广义 OAM 波束成形与传输方法：涡旋电磁波的点到点视距大容量传 输应用场景在移动通信中一般出现在宏基站与微蜂窝基站之间的中继回传 （Backhaul），这就大大限制了 OAM 波束的应用范围和价值。广义 OAM 波束仅 保留涡旋波束的相位梯度和正交性两个特征，即只要具有相位梯度和正交性的空 间结构化波束赋形均可称为广义 OAM 波束。与传统涡旋波束相比，广义 OAM 波束灵活性高、适应性强，完全可以应用在基站与用户之间的上下行链路上，并 支持多用户和移动性的要求。

（4）电磁波 OAM 量子态传输方法：OAM 量子态电磁波的传播规律和传输 方法均与涡旋波束有很大的不同，OAM 量子态电磁波复用将超出传统天线阵列 的 MIMO 容量界，彻底彰显 OAM 在频谱效率和容量提升方面新物理量、新维 度和新自由的作用。所以在涡旋波束研究的基础上，应该积极推进电磁波 OAM 量子态传输方法的研究工作，为未来OAM量子态在移动通信中的应用奠定基础。

8.4 智能反射表面技术

智能反射表面技术是通过控制在无线传播环境中部署的亚波长人工合成超 材料的电磁特性，使电磁波入射超材料时，能够获得预期的反射信号或透射信号， 以达到控制信号的幅度、频率、相位、极化特性，实现干扰协调（吸波与全反射）、 波束形成与信号补盲（入射信号与反射信号可以不满足镜像关系）、非线性频谱 搬移（谐波）、简化射频（射频功能向材料层下移）、生成 OAM 信号（产生正交 信号）、解决高频信号绕射传播、无线供电、低成本相控阵等 6G 应用价值。当前 在该技术方向的研究难点在于超材料的制造工艺、超材料与有源器件的结合、超材料与天线结合、多维调控耦合等问题。未来会从如下几个方面开展研究：

基石：信息超表面单元

优化单元特性，在调控维度（幅度、相位、频率、极化等）、频段（微波、 毫米波、太赫兹等）、带宽、方式（电控、光控等）等方面不断升级；

核心：控制与计算算法

提升控制速度、精度；研究高效率、大尺度、复杂场景下电磁仿真计算方法；

关键：应用驱动创新

结合实际应用需求，研发低成本、低功耗、低重量的新型系统设备。

随着全球天线和传播学术界和产业界的持续投入研究，新型的大规模天线阵 列性能将持续改善，帮助实现 6G 无线通信的性能指标。

8.5 可见光通信照明定位融合方向

随着智能移动终端的日益普及和无线通信的高速发展，人们对通信和定位的 需求不断增加。与通信系统一样，全覆盖、高精度的室内外定位系统对人们未来 的生活起着至关重要的作用。可见光通信照明定位融合技术是指利用可见光发光 二极管（LED）高速切换的特性，通过 LED 照明、显示等设备将受信息调制的 电信号转换成光信号进行传输，再通过光电二极管等光电转换器将接收到的光信 号转换为电信号，最终解调得到信息，同时实现照明、定位和通信三种功能的技 术。

可见光通信照明定位融合技术在部署成本、室内高精度定位、保密性、无电 磁辐射等方面具备显著优势，可作为 6G 蜂窝无线通信的补充。可见光通信照明 定位融合系统应实现照明约束下的可见光通信/定位技术。一方面，LED 器件存 在最大和最小工作电流限制，超出则可能由于过热对器件造成损害，并使信号产 生截断失真。另一方面，可见光通信/定位应保证稳定的光通量，避免 LED 灯闪 烁对人眼造成危害。

可见光通信定位融合技术存在调制带宽受限的问题。可见光频段具有大约 400THz 的频谱，频谱资源丰富，但是单个 LED 照明器件的调制带宽为几兆到几 百兆赫兹之间。可见光通信和定位功能均需要占用一定的调制频带，应研究如何 利用有限的调制带宽同时实现高速通信和高精度定位的功能。

从物理层技术的角度，调制带宽受限作为可见光通信行业最主要的瓶颈之一，将得到产业界的持续关注和研究。此外，通过 MIMO、复用等技术降低可见光信 号之间的干扰，解决可见光通信与定位技术的融合，实现照明约束下的可见光通 信技术。

从应用的角度，一方面，行业应继续探索适合可见光通信照明定位融合技术 的应用场景；另一方面，应积极打通可见光照明器件、通信组件、芯片、技术设 计、标准、部署运营等产业之间的桥梁，建立可见光通信照明定位融合系统示范， 实现可见光通信照明定位融合系统产业化。

8.6 区块链与无线网络融合方向

随着智能移动终端的日益普及和无线通信的高速发展，人们对通信和定位的 需求不断增加。与通信系统一样，全覆盖、高精度的室内外定位系统对人们未来 的生活起着至关重要的作用。

区块链是一种技术体系，由归属权各异的分布式数据库组成，并按照时间顺 序，将数据区块以链式结构进行组织，并以密码学算法保证区块链上数据及行为 记录的公开、安全、可追溯且不可篡改。

区块链能够为 6G 网络提供面向机器、代码的网络信任，提升 6G 网络频谱、 设备、数据等资源利用效率的同时，实现资源动态高效共享与实时结算，如 6G 网络运营商间共建共享、运营商与垂直行业频谱动态共享、6G 天地一体网络星 地频谱共享、宏微基站协同、终端/设备租赁/共享、数据共享、数字身份认证、 数字资产、大规模物联网设备/数据可信租赁共享。

区块链作为一种基于分布式数据库发展起来的技术体系，必然面临存储效率 低下、吞吐性能受限于链上节点数量等核心问题，再加上源自互联网思维早期推 广阶段的推波助澜，成百上千的异构“烟囱式”区块链导致区块链底层技术平台 呈现割据状态，为数据同步、监控管理等方方面面引入了新的难题。

……

（报告由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、中国联通、中兴通讯、中国科学院空天信息创新研究院联合发布）

如需完整报告请登录【未来智库】。

编辑：沃巴查芒