2020年6G无线热点技术研究报告

2020年6G无线热点技术研究报告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。为解决未来髙度智能、髙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ITbPS超大峰值速率和IGbPS超大用户体验速率，超低延时O.ImS和髙移速通信，超髙频谱利用率等。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髙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：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。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。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、髙效的射线跟踪仿真，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岀信道的仿真、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髙性能平台上，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——CIoUdRT(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6GHZ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NVlDIATeSlaGPU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。CIoUdRT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。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.NTTDOCOMO联合完成了300GHZ频段的下载站场景信道建模，被IEEE802.3d-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。CIOUdRT支持了韩国电子通信研究院(ETRl)在25GHZ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5GbPS车地传输速率。如图2-5所示，CIoUdRT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的前沿研究提供着髙精度的信道信息。高性能射线跟踪平台CIoUdRT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(CUrrentSheet)的超宽带紧耦合天线阵列(TightlyCOUPIedArray,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(ChannelImPUlSeResponse,ClR)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CIoUdRT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、全息影像和数字李生系统等）。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），为各种需求髙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“数字李生”社会需要更先进的通信基础设施来实现海量数据髙速、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100Gbit∕s"lTbit/s；空口时延低至0.1ms；连接数密度支持IOoO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Al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：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3GPPRAT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、实时性髙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Al算力，智能终端设备侧Al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Al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。如何满足人们髙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1TbPSO并且保证95%用户位置的用户体验数据速率预计将达到1GbPSO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IOGHZ的带宽，而太赫兹和可见光频段可达IOOGHz,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(SignaIROUting)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。3.56G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。要进一步提髙频谱效率，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)O4.轨道角动量技术电磁波轨道角动量(OrbitaIAngUIarMomentum,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髙频谱利用率。1992年，AlIenL.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釆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。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MlMo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。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体制是现在普遍釆用的通信方式。而由于MlMo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。由于釆用了特殊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）是一种被广泛釆用的有效组阵方式。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-MlMO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及馈给发射端，模态间的解复用可以釆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釆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。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)o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KPl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KPl的主要贡献将显示出领先一代的优势。KPl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.ITOTHz(ITHZ=IO12Hz)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COGbps,而未来6G移动通信速率将超过IOOGbPSO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:采用超外差原理和固态电子学器件，通信理论完备；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髙的频率拓展。目前国际上，美国VDl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O.l~2THz频段。但频率越髙，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髙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NOrthrOPGrUmman研制的220GHZ固态功放，基于50nmInPHEMT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75mWo使用四端口功率耦合，单个模块在210-225GHz的范围内功率达到IOOmW,峰值功率在210GHZ达到185mW0由DARPA资助的RaytheOnMiSSiIeSyStemS项目，DarinGritterS,KenBrOWn等人与TeIedyneSCientific的ZaChGriffith,MigUeIUrteaga合作，将32个50mW的InPHBTPAMMlCS进行32路功率合成，该功率合成器釆用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MMlC放大器都由独立的驱动电路控制，波导功分器与每个MMlC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200-26OGHZ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。另夕卜，NUVOtrOniCS的Jean-MarCRollin,DaVidMiller等人也与TeIedyneSCientifiC的ZaChGriffith,MigUeIUrteaga合作，釆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启动了髙频真空集成电子学（HlFIVE）计划，频率为220GHZO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MMlC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20nmmHEMT技术，基于接地共面波导研制出适用于WR-I.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IOdBO600GHZ小信号的增益可以达到14.IdB,室温的噪声系数约为9.5dB0NOrthrOPGrUmman基于20nmInPHEMT工艺研制了0.85THz放大器，增益约为13.6dB,噪声系数11.ldB。另外，在低温致冷情况下，基于超导体-绝缘体-超导体隧道结(SIStunneljunctions)混频器和Hotelectronbolometer(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。通信用太赫兹髙增益天线具有超电大尺寸和跨尺度结构并存的特点，一方面为了获得髙的增益，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，超电大及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MlMo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，可大大提髙阵列效率，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。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、妥全性等一系列优势，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（磷化钮、错硅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髙了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髙，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髙、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髙的调制阶数，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处理带宽和釆样精度的灵活性，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，釆用的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,并釆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，能耗髙，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，该类方案釆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。O.ITHZ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。6G太赫兹无线平台新波形的研究LTE和5GNR采用CP-OFDM和DFT-S-OFDM作为上行/下行链路的波形。 与LTE和5GNR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髙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，以及髙低频、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5GNRDFT-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。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,ReferenCeSymbOI)和两个数据符号(Datal,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,SI)两部分组成。相邻数据符号的尾部插入序列(SI)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；对于髙多普勒频移场景，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/2BPSK,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(SPeCtrallyefficientfrequencydivisionπιultiPleXing),已经提岀了好几年，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。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、髙数据传输速率、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，成本髙昂，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：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。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，釆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） 太赫兹关键器件更髙功率和效率的突破，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。&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