20250422-未来移动通信论坛-通信行业_6G毫米波非对称大规模阵列架构白皮书_151页_15mb

6G毫米波非对称大规模阵列架构白皮书总结

核心内容

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，重点介绍了非对称全数字波束成形阵列架构，旨在解决对称全数字波束成形阵列在成本、功耗和复杂度方面的瓶颈问题。该架构通过发射和接收阵列规模的不对称设计，在保持高性能的同时，实现系统效率和灵活性的提升，成为支撑6G通信愿景的重要核心技术。

主要观点

• 通信技术演进：从1G到5G，通信技术经历了从SISO到MIMO再到大规模MIMO的迭代，6G将向超大规模MIMO和全数字多波束阵列发展，以满足100Gbps以上的传输速率需求。
• 频谱与波束成形技术：随着传输速率需求的提升，通信频段从Sub-6GHz向毫米波甚至太赫兹扩展。波束成形技术成为提升系统容量和传输效率的关键手段。
• 波束成形架构分类：波束成形技术主要分为模拟域、数字域和混合域三种架构，其中全数字波束成形阵列具有最佳性能，但面临成本和复杂度挑战。
• 非对称全数字波束成形架构：该架构通过发射和接收阵列的非对称设计，有效降低了系统复杂度和成本，同时保持了高系统容量和高波束控制自由度。它在基站侧采用较大规模的发射阵列和较小规模的接收阵列，与用户非对称的上下行需求相匹配。
• 非对称架构优势：具有高波束扫描范围、灵活的阵列排布方式、低成本和低功耗等优点，适合应用于6G空天地一体化网络和高密度通信场景。

关键信息

波束成形架构分类

• 模拟域波束成形：通过物理硬件（如射频移相、中频移相、本振移相）实现波束控制，波束数量有限，适合低复杂度应用。
• 数字域波束成形：通过数字信号处理实现波束控制，支持多波束和高容量，但存在高成本和高功耗问题。
• 混合域波束成形：结合模拟和数字波束成形，兼顾性能与成本，是当前5G毫米波基站的主要架构。
• 对称全数字波束成形阵列：性能最优，但成本和功耗过高。
• 非对称全数字波束成形阵列：在逼近对称架构性能的同时，大幅降低复杂度和成本，是6G通信的次优选择。

非对称全数字波束成形架构特点

• 发射与接收阵列规模不对称：发射阵列较大，接收阵列较小，以满足上下行通信需求的非对称性。
• 波束控制灵活：发射和接收波束分别独立控制，支持多个波束同时传输，提升系统容量和效率。
• 波束增益与覆盖范围：发射波束具有高增益和窄波束，接收波束具有低增益和宽波束，实现性能与成本的平衡。
• 硬件设计与芯片：非对称架构依赖于高性能多通道毫米波收发芯片，包括基于65nm CMOS、130nm SiGe和GaN工艺的芯片，用于实现高增益、低噪声和高线性度的波束控制。
• 系统验证：通过“砖墙式”、“瓦片式”和终端样机的测试验证了非对称架构的可行性，包括室内外对比验证和视频传输测试。

太赫兹传输技术

• 太赫兹收发芯片：包括D波段ASK收发机、220GHz和300GHz超外差收发机芯片，支持高频率、高带宽通信。
• 实验验证：在D波段、220GHz和300GHz频段进行了传输实验，验证了太赫兹通信的可行性与性能。

技术架构与性能对比

非对称全数字波束成形关键算法

• 同时多波束成形优化算法：通过优化波束指向和形状，降低用户间干扰，提升系统性能。
• 方向图控制：精确控制波束指向和形状，通过复数激励矢量和幅度相位矢量实现。
• 波束指向计算：基于阵列单元位置和波向量，计算波束方向图，实现精确控制。
• 干扰抑制与线性化技术：通过算法优化和信号处理技术，降低波束间干扰，提升系统稳定性。

结论

非对称全数字波束成形阵列架构在性能与成本之间取得了良好平衡，有望成为6G通信的重要技术支撑。该架构不仅适用于基站，也可用于终端，具备良好的扩展性和兼容性。随着6G通信的推进，非对称架构将在未来无线通信系统中发挥关键作用，为构建泛在智能连接提供技术基础。