6G毫米波非对称大规模阵列架构白皮书_151页_15mb

报告摘要

6G毫米波非对称大规模波束成形阵列技术白皮书总结

核心内容概述

本白皮书聚焦于6G通信中毫米波与太赫兹频段的大规模波束成形阵列技术，特别是非对称全数字波束成形阵列架构。随着无线通信技术从1G到5G的演进，系统容量和传输速率不断提升，而6G将追求100Gbps至1Tbps的超高速率目标，这需要在频谱和空域维度实现双重突破。毫米波和太赫兹频段的引入，以及大规模MIMO技术的进一步发展，成为实现这一目标的关键。

非对称全数字波束成形阵列架构，是东南大学洪伟教授团队于2018年提出的次优架构，旨在解决对称全数字波束成形阵列在系统复杂度、功耗和成本上的瓶颈问题。该架构通过在发射和接收端采用不同规模的阵列，实现发射波束高增益窄波束与接收波束低增益宽波束的非对称设计，从而在保持性能的同时降低成本。

主要观点

通信技术演进：从SISO系统到MIMO，再到大规模MIMO，通信系统不断在多维资源（频域、时域、空域、码域）上进行开发与整合。6G将向超大规模MIMO和全数字波束成形架构演进，以实现100Gbps以上的传输速率。
波束成形架构分类：包括模拟域波束成形、数字域波束成形和混合域波束成形。其中，全数字波束成形具有最佳性能，但成本和功耗高；非对称全数字波束成形架构在性能与成本之间实现了良好平衡，成为6G的重要技术支撑。
非对称波束成形架构优势：
- 发射和接收阵列规模不对称，可实现高增益窄波束与宽波束的灵活配置；
- 接收波束增益较低，波束宽度较大，有利于DoA估计和波束对准；
- 在相同射频通道数下，天线单元数可提升，提高系统容量；
- 硬件复杂度与成本显著降低，适用于6G基站和终端。
技术实现与验证：
- 多通道毫米波收发芯片（如65nm CMOS、130nm SiGe）是实现非对称波束成形的重要硬件基础；
- 非对称架构在系统容量、波束数量和传输速率方面具有显著优势；
- 通过实验验证，非对称架构在性能上可逼近对称全数字波束成形架构，且在成本、功耗和复杂度方面有明显提升。

关键信息

1. 毫米波与太赫兹技术

毫米波和太赫兹频段是6G实现超高速率和低时延的关键资源；
通过大规模波束成形技术，实现对空间的高效利用，弥补毫米波的高路径损耗；
毫米波技术已用于5G，6G将进一步向太赫兹频段拓展。

2. 非对称全数字波束成形架构

结构：发射阵列规模大于接收阵列，形成发射高增益窄波束与接收低增益宽波束的非对称设计；
原理：通过数字域的波束形成矩阵，实现发射和接收波束的独立调控；
优势：
- 波束控制维度增加，系统效率提升；
- 系统容量显著增加，支持数十至数百个数据流；
- 成本、功耗和复杂度显著降低；
- 适用于6G空天地海一体化通信网络。

3. 关键算法与技术

同时多波束成形优化算法：通过优化波束方向图和指向，降低波束间干扰，提升等效辐射功率（EIRP）；
DoA估计算法：利用非对称架构的宽波束特性，提升DoA估计的准确性；
多波束干扰抑制技术：通过算法设计减少不同波束之间的干扰，提升通信质量；
多波束线性化技术：优化波束成形过程，避免非线性失真对系统性能的影响。

4. 多通道毫米波收发芯片

65nm CMOS芯片：集成发射和接收通道，支持多波束成形；
130nm SiGe芯片：具备高隔离度和低噪声特性，适用于高精度波束成形；
GaN功率放大器芯片：提高输出功率，增强系统性能，支持高集成度与高效率。

5. 系统验证

样机研制：包括“砖墙式”、“瓦片式”非对称大规模阵列样机，以及非对称毫米波终端样机；
室内与室外验证：展示非对称阵列在不同环境下的通信性能；
视频传输验证：验证非对称架构在高带宽应用中的可行性。

6. 技术对比与展望

非对称架构在波束数量、系统容量、硬件复杂度等方面优于传统混合波束成形架构；
未来6G通信系统将融合中低轨卫星网络与地面通信网络，实现全球无缝覆盖；
非对称全数字波束成形架构有望成为6G通信系统的核心使能技术，为构建智能通信网络提供技术支撑。

结构总结

章节	内容概要
一、绪论	介绍无线通信技术的发展历程，从麦克斯韦方程组到现代5G/6G，强调非对称波束成形架构对6G通信的重要性
二、毫米波太赫兹大规模波束成形架构	分类介绍三种波束成形架构（模拟、数字、混合），指出非对称架构的优势
三、非对称全数字大规模波束成形阵列	详细描述非对称架构的拓扑结构与原理，分析其在性能、成本和灵活性上的优势
四、系统验证	展示非对称阵列在不同场景下的验证结果，包括样机和实际测试
五、太赫兹传输关键技术与实验	介绍太赫兹收发芯片的设计与测试，强调其在6G通信中的潜力
六、总结	总结非对称架构的前景，指出其在6G通信中的关键作用