2024-05-11-中兴通讯_清华大学-2024年6G近场技术白皮书_132页_15mb

6G近场技术白皮书总结

核心内容概述

本白皮书系统性地探讨了6G网络中近场技术的理论基础、应用场景、信道特性、传输技术以及与其他技术的融合。随着6G网络对更高数据速率、高精度感知及物联网无线传能等能力的需求，近场通信技术因其独特的物理特性（如球面波传播、空间非平稳性、波束分裂、倏逝波等）而成为6G网络研究的重要方向。

主要观点

• 近场技术的重要性：6G网络将采用更大天线孔径和更高频段（如毫米波、太赫兹），使得近场特性更加显著。近场技术将为6G提供新的物理空间维度，是实现高容量、高精度感知和高效无线传能的关键。
• 近场的定义与范围划分：近场是电磁波传播中，波前不能视为平面波而需建模为球面波的区域。近场范围可通过相位差、功率差和信道容量等角度进行划分，瑞利距离是常见的划分标准。
• 近场应用场景：包括高频段传输、中频段传输、低频段传输、通感一体化、无线定位、信能同传、物理层安全、海量接入以及片上无线通信等，这些场景对6G网络提出了更高的性能需求。
• 近场信道特性：近场信道具有空间非平稳性、球面波传播、三极化等特性，这些特性对传统通信算法提出了挑战，也带来了新的设计机遇。
• 近场传输技术：包括信道估计、波束赋形、码本设计、波束训练、多址接入（如LDMA、NOMA、URA）等，这些技术在近场环境下需要重新设计以适应新的物理特性。
• 近场与其他技术的融合：如近场与定位、无线传能、物理层安全、轨道角动量（OAM）、片上无线通信和物体材质感知等，这些融合技术为6G提供了更多创新方向。

关键信息

1. 近场范围划分

• 瑞利距离：用于近场与远场的划分，表示为 $\frac{2D^2}{\lambda}$，其中 $D$ 为天线最大孔径，$\lambda$ 为波长。
• Critical距离：基于天线单元间的功率差异，用于刻画近场范围边界。
• 均匀能量距离：结合阵列结构和投影口径，提供更准确的近场边界描述。
• 信道容量角度：通过信道的秩、多流传输特性、有效自由度等指标定义近场范围。

2. 近场应用场景

• 高频段传输：如毫米波和太赫兹频段，利用大带宽和大规模天线阵列，实现波束聚焦和高数据速率。
• 中频段传输：如10GHz厘米波频段，具有覆盖和容量优势，适合未来6G的广域高容量覆盖。
• 低频段传输：如Sub-6GHz频段，支持大规模MIMO和更广泛的覆盖，同时具备较低的路径损耗。
• 通感一体化：通过无线感知技术，实现高精度定位和物体感知，利用球面波特性提升感知能力。
• 无线定位：基于球面波模型，利用角度和距离信息实现高精度定位，减少对测量带宽的需求。
• 信能同传：利用近场波束聚焦和高精度位置信息，提升无线能量传输效率。
• 物理层安全：近场波束聚焦能力增强通信安全性，减少信息泄露。
• 海量接入：近场的“角度-距离”二维聚焦特性提升空域资源利用率，支持更多用户接入。
• 片上无线通信：适用于芯片间或芯片内模块间的通信，具有低损耗、高传输速率和高集成度等优点。

3. 近场信道模型

• 球面波模型：近场信道应采用球面波模型，考虑相位和幅度的非线性变化。
• 信道测量与建模：包括时域和频域测量平台、虚拟阵列、离散与连续阵元模型等，为近场通信提供理论依据。
• 信道特性：如空间非平稳性、波束分裂、三极化等，影响信道估计、波束形成等技术。

4. 近场传输技术

• 信道估计：基于MRDN、P-MRDN等方法，适应近场信道的复杂性。
• 波束赋形：近场波束赋形支持波束聚焦而非波束转向，可实现多用户正交通信。
• 码本设计：基于角度域和极坐标域的码本设计，提升通信容量和自由度。
• 波束训练：利用神经网络等技术优化波束训练过程，提升系统性能。
• 多址技术：包括位分多址（LDMA）、非正交多址（NOMA）和无用户标识随机接入（URA）等，支持海量用户接入。

5. 近场与其他技术融合

• 近场与定位：通过球面波模型提升定位精度，支持三维空间定位。
• 近场与通感一体化：利用大规模天线阵列和球面波特性，实现通信与感知的融合。
• 近场与无线传能：通过波束聚焦和高精度位置信息，提高能量传输效率。
• 近场与物理层安全：波束聚焦能力增强通信安全性，减少信息泄露。
• 近场与轨道角动量（OAM）：基于近场球面波特性，实现OAM信号的高效传输。
• 近场与AI：利用AI技术优化信道估计、波束赋形和多址技术，提升系统性能。
• 近场与片上通信：支持芯片间高速互联，降低通信时延和功耗，提升系统集成度。

结构与技术趋势

• 超大规模天线阵列：包括集中式、分布式、模块化和均匀稀疏阵列，提升空间分辨率和通信性能。
• 智能超表面（RIS）：通过可编程控制波束方向和形状，提升近场通信的覆盖和性能。
• 无蜂窝通信架构：通过分布式部署，实现用户为中心的通信模式，提升系统灵活性和性能。
• 可移动天线：通过机械或MEMS控制，提升空间分集和通信灵活性。
• 未来趋势：6G网络将更广泛地采用近场技术，推动通信与感知、能量传输等领域的融合，实现更高性能、更高效率的通信系统。

总结

6G近场技术是实现下一代无线通信系统高性能、高容量和高精度感知的重要基础。随着高频段、大孔径天线和智能超表面等技术的引入，近场特性将变得更为显著。近场信道模型、传输技术、系统架构等都需要重新设计，以适应新的物理特性。同时，近场技术与定位、无线传能、物理层安全、AI等领域的融合，为6G通信系统提供了新的发展方向和研究热点。本文旨在系统梳理近场技术，为未来6G通信系统的研发和标准化提供理论支持和技术指导。