U6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇I6G近場技術(shù)白皮書2.0顧問：YoninaEldar(yonina.eldar@weizmann.ac.il),WeiInstituteofScience主編：張建華(jhzhang@),章節(jié)編委：黃崇文(chongwenhuang@主要貢獻(xiàn)作者*按姓名拼音首字母排序）崔銘堯(cui-my16@),清董麗娟(donglijuan_2012@163.co杜軍(jundu@.c段世茹(duanshiru822@),馮杰(eejiefeng@mail.s高瑩(yinggao@高鎮(zhèn)(gaozhen16@郭瀚丞(397332011@qq.co韓家奇(jqhan@),西安電子科技大學(xué)郝萬明(iewmhao@.何繼光(jiguang.he@tii.ae),TechnologyInnovationInstitute侯天為(twhou@.c侯曉林(hou@),D黃崇文(chongwenhuang@黃繼杰(kai-kit.wong@ac.ucl.uk),姜大潔(jiangdajie@),維沃(vivo)軟件技術(shù)有限公司蔣玉驊(jiangyh20@),清華大學(xué)李伽鵬(lijiapeng2023@李佳雪(jiaxue_li@),鄭州大學(xué)李龍(lilong@.李偉東(weidongli@李翔(lix@),DO李錚(stones_li@outlook劉海霞(hxliu@.c劉思聰(liusc@劉天雨(liuty2022@.劉元瑋(yuanwei.liu@qmul.ac.u盧立洋(luliyang@.c陸宇(y-lu19@mails.tsin羅宏亮(luohl23@mails.tsi馬甜甜(mitiantianma@mail.scu苗紅霞(hongxia_miao@bupt繆海烊(hymiao@慕熹東(x.mu@qub.ac.uk),英國貝爾法斯特女王大學(xué)歐陽崇峻(c.ouyang@qmul史旭(shi-x19@史琰(yanshi@束鋒(shufeng0101@163.com),唐盼(tangpan27@),王勃皓(bohaowang@),王勁濤(wangjintao@tsinghua.e王鵬飛(wangpengfei1121@),王照霖(zhaolin.wang@qmul.ac.uk王者(zhewang_77@.c吳泳澎(yongpeng.wu@吳梓棟(wuzd19@武慶慶(qingqingwu@謝欣宇(xinyuxie@),上熊雪(ftxuexiong@mai徐媛(yuan_xu@),徐卓(xz23@),許柏愷(20251197@許嘉琪(jiaqi.xu@qmul.ac.uk),倫敦瑪麗女王大學(xué)薛皓(xuehao@),西安電子科嚴(yán)超(chau.yuen@.sg),南洋楊昉(fangyang@),楊坤(kun.yang.txyj@),維沃(vivo)軟楊照輝(yang_zhaohui@),于偉華(ywhbit@.c袁志強(qiáng)(yuanzhiqiang@),岳韶華(yueshaohua@岳新偉(xinwei.yue@bistu6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇張帆(zf22@mails.tsi張海洋(haiyang.zhang@nju張建華(jhzhang@),張?jiān)孪?zhangyuexia@bistu.張蕓莆(yunpu.zhang@.章嘉懿(jiayizhang@),北京交通大學(xué)鄭倍雄(bxzheng@),支康達(dá)(k.zhi@tu-berlin.de),周聰(zhoucong@),哈爾濱工業(yè)大朱旭升(xushengzhu@sjtu.章節(jié)聯(lián)系人：第五章:徐卓(xz23@mails.t引用格式:趙亞軍,戴凌龍,張建華,等.6G近場技術(shù)白皮書Near-fieldTechnologiesWhitePaper2.0,”FuTUREForum,本白皮書2.0作為FuTURE論壇精心策劃的6G系列白皮書1.背景與動(dòng)機(jī)繼去年發(fā)布首版白皮書（中英文版）[R1][R2]后，我們啟動(dòng)了白皮書2.0的撰寫工作。本次更新主要受第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）即將于2025年啟動(dòng)6G研究項(xiàng)目的牽引。為迎接這一里程碑式節(jié)點(diǎn)，亟需對現(xiàn)行白皮書進(jìn)行修訂與升級，使其與6G技術(shù)演進(jìn)趨勢（尤其是近場技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域）保持同步。本次更新的核心目標(biāo)包括：積極推動(dòng)近場技術(shù)領(lǐng)域的科研與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，識別具有標(biāo)準(zhǔn)化潛力的關(guān)鍵場景與技術(shù)方案，為6G標(biāo)準(zhǔn)化工作提供重要參考依據(jù)。2.白皮書2.0的核心更新與強(qiáng)化內(nèi)容優(yōu)化與更新：白皮書2.0繼承前作基礎(chǔ)框架，對內(nèi)容進(jìn)行全面優(yōu)化更新，以反映該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展與學(xué)術(shù)洞見?，F(xiàn)有章節(jié)均經(jīng)過系統(tǒng)審閱與修訂，確保內(nèi)容的準(zhǔn)確性、相關(guān)性與完整性。新增工程實(shí)施與標(biāo)準(zhǔn)化章節(jié)：鑒于6G時(shí)代對工程實(shí)踐及標(biāo)準(zhǔn)化的需求日益凸顯，白皮書2.0對此予以重點(diǎn)強(qiáng)化。新增獨(dú)立章節(jié)深度剖析近場技術(shù)工程實(shí)施的挑戰(zhàn)與解決方案，并系統(tǒng)闡述相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化流程與框架體系。3.中英文版本差異說明由于許多國際團(tuán)隊(duì)的原始材料為英文，直譯為中文可能造成信息丟失或表達(dá)偏差，因此本中文版白皮書2.0未完整收錄國際團(tuán)隊(duì)的原始英文材料。如需獲取更完整、準(zhǔn)確的技術(shù)細(xì)節(jié)，請查閱白皮書2.0的官方英文版本。英文版下載鏈接二維碼中文版下載鏈接二維碼[R1]Y.J.Zhao,L.L.Dai,J.H.Zhang,etal.“6GNear-fieldTechnol6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇12025年6月，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）將正式啟動(dòng)6G研究項(xiàng)目，標(biāo)志著全球6G發(fā)展從愿景規(guī)劃階段邁入以關(guān)鍵技術(shù)突破、標(biāo)準(zhǔn)化制定與實(shí)踐應(yīng)用為目標(biāo)的新階段。6G網(wǎng)絡(luò)通過采用更大天線孔徑和更高頻段（如中頻段、毫米波、太赫茲）優(yōu)先強(qiáng)化近場特性，結(jié)合智能超表面（ReconfigurableIntelligentSurface，RIS）、超大規(guī)?？讖疥嚵校‥xtremelyLarge等技術(shù)，將顯著擴(kuò)展近場效應(yīng)，構(gòu)建準(zhǔn)泛在近場傳播環(huán)境。從空間資源利用維度分析，傳統(tǒng)遠(yuǎn)場系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)電磁空間的角度域信號分離，而近場技術(shù)的引入使未來無線系統(tǒng)在電磁空間的距離域開發(fā)方面獲得突破性提升。憑借多天線配置優(yōu)勢，近場技術(shù)通過波束聚焦顯著提升數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)高精度角度-距離聯(lián)合定位與感知，并優(yōu)化無線能量傳輸效率，正成為6G領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。研究表明，電磁波傳播特性認(rèn)知正在發(fā)生范式轉(zhuǎn)變：近場電磁波需嚴(yán)格建模為球面波而非平面波，這一修正強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)建模中此前被忽視的空間非平穩(wěn)性、有限深度波束聚焦、三極化特性及倏逝波等物理效應(yīng)。突破傳統(tǒng)波動(dòng)模型后，非衍射波前（如自修復(fù)貝塞爾波束、彎曲艾里波束）等新型波場調(diào)控成為可能。值得注意的是，基于遠(yuǎn)場條件設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)通信算法在近場環(huán)境中性能受限，而模型無關(guān)算法亦難以充分釋放近場潛力。本文系統(tǒng)梳理近場技術(shù)在未來網(wǎng)絡(luò)中的典型應(yīng)用場景，深入解析支撐近場效應(yīng)的電磁學(xué)基本原理及其對通信系統(tǒng)的顛覆性影響，重點(diǎn)圍繞自由度與容量核心指標(biāo)闡述系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)約束與使能機(jī)制。針對信道表征這一通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基石，從測量與建模雙重視角闡述近場信道研究范式，并進(jìn)一步探討信道估計(jì)、波束賦形、碼本設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。前瞻性分析近場技術(shù)與通感一體化、無線輸能、物理層安全等跨領(lǐng)域協(xié)同創(chuàng)新路徑。在工程實(shí)踐層面，聚焦6G頻譜分配最新進(jìn)展、近場傳播技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑及網(wǎng)絡(luò)部署策略，同步探討近場技術(shù)對6G標(biāo)準(zhǔn)化的影響。本文旨在為近場技術(shù)構(gòu)建統(tǒng)一認(rèn)知框架，架設(shè)理論創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)與工程落地的橋梁。2 12.近場應(yīng)用場景 42.1高中低頻傳輸 42.1.1高頻段傳輸 52.1.2中頻段傳輸 62.1.3低頻段傳輸 62.2超大孔徑使能近場 72.2.1智能超表面使能近場 72.2.2超大規(guī)模天線陣列使能近場 82.2.3無蜂窩近場通信 92.2.4可移動(dòng)天線使能近場通信與感知 102.3通感一體化 2.4無線定位 2.5信能同傳 2.6物理層安全 2.7使能海量接入 2.8片上無線通信 3.近場基礎(chǔ)理論 3.1近場范圍劃分 3.1.1表征近場和遠(yuǎn)場邊界 163.1.2近場分類方法 193.2近場的電磁物理效應(yīng) 203.2.1近場電磁信號模型 203.2.2近場電磁效應(yīng) 223.2.3近場波束特性 243.3近場自由度理論分析 263.3.1電磁場的自由度數(shù)量 263.3.2近場稀疏MIMO空間自由度 313.4近場性能分析與測量 323.4.1近場性能分析 323.4.2基于電磁理論的近場信道矩陣歸一化 383.4.3近場測量與近遠(yuǎn)場變換 414.近場信道測量與建模 434.1近場信道測量 434.2近場信道仿真 454.3近場信道建模 505.近場傳輸技術(shù) 615.1近場信道估計(jì) 615.2近場波束賦形 675.3近場碼本設(shè)計(jì) 746G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇35.4近場波束訓(xùn)練 5.5近場多址技術(shù) 5.5.1位分多址（LDMA） 5.5.2非正交多址（NOMA） 895.5.3無用戶標(biāo)識隨機(jī)接入（URA） 905.6近場系統(tǒng)架構(gòu)與部署 916.近場與其他技術(shù)融合 936.1近場與定位 936.1.1近場與定位 936.1.2基于RIS的近場定位技術(shù) 946.1.3基于Wi-Fi的近場定位技術(shù) 966.1.4基于可控波束偏移的近場定位技術(shù) 986.1.5基于近場的非視距用戶設(shè)備定位 1006.1.6基于子陣劃分的近場定位技術(shù) 1016.1.7基于互質(zhì)陣列的近場定位技術(shù) 1026.2近場與通感一體化 6.2.1從遠(yuǎn)場感知到近場感知 1036.2.2近場通信感知一體化 1066.3近場與無線傳能 6.3.1電磁輻射式WPT 6.3.2近遠(yuǎn)場SWIPT 6.3.3全息SWIPT 6.4近場物理層安全 6.4.1近場物理層安全傳輸設(shè)計(jì) 1166.4.2基于時(shí)延對齊調(diào)制的近場安全通信 1176.4.3RIS輔助近場物理層安全傳輸設(shè)計(jì) 6.4.4探索波束聚焦效應(yīng)的近場物理層安全 1206.5基于近場的OAM 1216.5.1軌道角動(dòng)量與渦旋波 1216.5.2渦旋波的近場調(diào)控 1226.5.3渦旋波的接收與OAM檢測 6.6基于AI的近場通信 1236.6.1基于近場通信的語義通信架構(gòu) 1236.6.2基于近場通信的聯(lián)邦學(xué)習(xí)架構(gòu) 1246.6.3基于AI的近場寬帶波束賦形 6.7近場與片上無線通信 6.7.1基于片上天線的片上無線通信 1256.7.2基于三維堆疊芯片的片上無線通信 1276.8近場與物體材質(zhì)感知 7.工程實(shí)踐與標(biāo)準(zhǔn)化 7.1工程實(shí)踐 7.2潛在標(biāo)準(zhǔn)化影響 47.2.1近場信道建模 7.2.2近場技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 1347.2.3使能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 1347.2.4標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng) 7.3技術(shù)實(shí)驗(yàn)與原型測試 7.3.1太赫茲近場信道測量 1368.總結(jié)與展望 參考文獻(xiàn) 144術(shù)語和縮略語列表 6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇5圖1.1近場應(yīng)用場景 2圖1.2近場傳播技術(shù)體系 3圖2.1IMT-2030應(yīng)用場景和關(guān)鍵能力指標(biāo) 4圖2.2未來6G的高、中、低全頻段頻譜 5圖2.3多用戶近場通信 6圖2.4RIS輔助近場應(yīng)用場景 7圖2.5近場定位場景模型[25] 8圖2.6不同超大規(guī)模陣列架構(gòu)類別[26] 9圖2.7可移動(dòng)天線輔助近場通信與感知 圖2.8近場ISAC系統(tǒng)[41] 11圖2.9近場定位示意圖 圖2.10近場無線傳能示意圖 圖2.11波束聚焦使能近場安全通信 圖2.12近場多址接入示意圖 圖2.13利用天線的片內(nèi)和片間通信 圖2.14不同半導(dǎo)體材料的芯片間的無線互聯(lián) 圖2.15使用片上無線通信技術(shù)的單片多核處理器 15圖3.1遠(yuǎn)場平面波面與近場球面波面及對應(yīng)物理空間歸一化接收能量 17圖3.2典型通信場景近場范圍 圖3.3近場電磁輻射系統(tǒng)圖 20圖3.4近場多極化球面波建模 22圖3.5近場三極化信道容量 23圖3.6近場波束分裂效應(yīng)示意圖 24圖3.7波束增益隨距離的變化趨勢 24圖3.8信道相關(guān)性隨天線變化曲線 25圖3.9UCA和ULA的波束形成增益比較 25圖3.10夫瑯禾費(fèi)邊界作為頻率和天線尺寸的函數(shù)[79] 26圖3.11與技術(shù)無關(guān)的參考發(fā)射天線表面和接收天線表面 26圖3.12信息論意義上的最優(yōu)通信系統(tǒng)[79] 27圖3.13自由度（DoF）作為F=d2/AR的函數(shù)。虛線曲線表示仿真結(jié)果[78] 28圖3.14對應(yīng)于4個(gè)最強(qiáng)通信模式的電場分布 28圖3.15近場額外自由度 29圖3.16各向同性散射條件下奈奎斯特采樣 29圖3.17離散孔徑MIMO近場信道的奇異值 30圖3.18稀疏MIMO近場通信的EDoF與陣列稀疏度的關(guān)系 31圖3.19多用戶稀疏MIMO近場通信和速率與信噪比的關(guān)系 32圖3.20集中式天線與稀疏天線通信速率累計(jì)誤差函數(shù)關(guān)系[94] 33圖3.21不同模型下接收信噪比隨天線數(shù)目變化關(guān)系[95] 34圖3.22不同陣列結(jié)構(gòu)和近場模型下的波束聚焦圖[97][98] 34圖3.23模塊化和集中式ELAA可達(dá)和速率隨用戶分布半徑變化關(guān)系[98] 346圖3.24尺寸無限大的智能超表面輔助通信系統(tǒng) 35圖3.25智能超表面輔助通信系統(tǒng)中信號傳播距離對不同鏈路路徑損耗的影響 36圖3.26HRIS輔助定位性能 36圖3.27傅立葉平面波展開信道建模 37圖3.28傅立葉平面波展開信道容量仿真 37圖3.29近場電磁信道容量極限 38圖3.30RIS通信應(yīng)用場景 38圖3.31三種近場全息陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析 39圖3.32近場MIMO通信中的潛在增益損耗分析 40圖3.33平面陣列采用不同歸一化方法時(shí)的遠(yuǎn)場與近場容量對比 41圖4.1時(shí)域和頻域的信道測量平臺(tái)[116][131] 44圖4.2基于虛擬陣列的VNA的近場信道測量[133] 44圖4.3XL-MIMO信道測量[134] 45圖4.4Rx1處AoD在陣列域上的分布 45圖4.5收發(fā)天線單元之間為近場時(shí)陣子近場電磁場分布的仿真結(jié)果 46圖4.6大規(guī)模天線陣列排布（6GHz，1024單元） 47圖4.7天線各陣子的第1徑和第2徑的絕對時(shí)延 47圖4.8天線各陣子的第1徑和第2徑的AOA/AOD/ZOA/ZOD 47圖4.9天線各陣子的第1徑和第2徑的相對功率 47圖4.10天線各陣子的第1徑和第2徑相位 48圖4.11PEC球與陣列天線的相對位置及入射波矢方向 48圖4.12基站陣列天線各單元陣子H極化及V極化饋入波的信號強(qiáng)度增益分布 49圖4.13基站陣列天線各單元陣子H極化及V極化饋入波的信號絕對相位 49圖4.14近場散射體與陣列天線的相對位置及入射波矢方向 49圖4.15在基站陣列天線各單元陣子處V極化饋入波對應(yīng)的信號強(qiáng)度增益分布 50圖4.16在基站陣列天線各單元陣子處V極化饋入波對應(yīng)的絕對相位分布 50圖4.17具有空間非平穩(wěn)特性的近場球面?zhèn)鞑?51圖4.18信道實(shí)測與模型生成 52圖4.19陣列用戶可視區(qū)域示意圖 53圖4.20離散陣元信道模型示意圖 54圖4.21連續(xù)陣元信道模型示意圖 55圖4.22近場多極化球面波建模 55圖4.23多極化信道容量 56圖4.24超大規(guī)模MIMO混合遠(yuǎn)近場傳播環(huán)境 57圖4.25系統(tǒng)模型 58圖4.26近場角域信道，波數(shù)域信道和波數(shù)域近似結(jié)果 60圖5.1近場信道角度域能量擴(kuò)散效應(yīng) 61圖5.2字典相干性對比圖 62圖5.3聯(lián)合角域-極坐標(biāo)域采樣 63圖5.4基于MRDN的信道估計(jì)方案 63圖5.5基于P-MRDN的信道估計(jì)方案 63圖5.6RDN、CMAM和ASPP-RDN系統(tǒng)模型 646G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇7圖5.7陣列用戶可視區(qū)域示意圖 64圖5.8XL-IRS輔助的無線系統(tǒng) 65圖5.9三階段信道估計(jì)方案示意圖 65圖5.10分?jǐn)?shù)傅里葉變換在近場信道估計(jì)中的作用說明 66圖5.11遠(yuǎn)場波束賦形和近場波束賦形 68圖5.12全連接時(shí)延-相移波束賦形 68圖5.13部分連接時(shí)延-相移波束賦形 69圖5.14串行連接時(shí)延-相移波束賦形 69圖5.15不同移相器下的近場波束圖 70圖5.16和速率隨著發(fā)射功率變化圖5.17能量效率隨著發(fā)射功率變化 71圖5.18CPU和LPU協(xié)同處理的超大規(guī)模多天線系統(tǒng) 72圖5.19相控陣-RIS兩級波束賦形方案示意圖 73圖5.20均勻和非均勻稀疏陣波束增益對比圖 73圖5.21不同類型天線陣列性能對比 74圖5.22FRFT碼字量化性能示意圖 75圖5.23角度錯(cuò)位的近場碼本設(shè)計(jì)方式 75圖5.24遠(yuǎn)、近場碼本原理和相位分布示意圖 76圖5.25靈活波束寬度控制方案原理示意圖 77圖5.26遠(yuǎn)近場碼字覆蓋區(qū)域劃分 77圖5.27UE撒點(diǎn)區(qū)域圖 78圖5.28近場遠(yuǎn)場L1-RSRP差值（UE撒點(diǎn)為區(qū)域1） 79圖5.29近場遠(yuǎn)場L1-RSRP差值（UE撒點(diǎn)為區(qū)域2） 79圖5.30XL-MIMO系統(tǒng)單極化均勻線陣示意圖 79圖5.31近場碼本相對于遠(yuǎn)場碼本的性能增益 圖5.32近場識別參數(shù)分布 圖5.33碼本性能和開銷折中曲線 圖5.34近場碼本性能增益 圖5.35用于近場波束訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 圖5.36多波束碼本訓(xùn)練的可達(dá)速率圖5.37稀疏DFT碼本訓(xùn)練的可達(dá)速率 86圖5.38平均可見區(qū)域占比隨用戶距離變化曲線圖5.39用戶容量隨用戶距離變化曲線87圖5.40基于XL-MIMO的高速鐵路通信系統(tǒng)圖 圖5.41提出的MNBT方案流程圖 88圖5.42基于MNBT的方案和傳統(tǒng)波束訓(xùn)練方案性能對比 圖5.43遠(yuǎn)場空分多址與近場位分多址技術(shù) 圖5.44近場NOMA通信設(shè)計(jì)示意圖 90圖5.45超大規(guī)模陣列部署場景（以智能超表面部署為例） 92圖5.46基于近場中繼的混合通信架構(gòu) 92圖6.1近場信號模型和遠(yuǎn)場信號模型 93圖6.2近場定位與姿態(tài)感知系統(tǒng)圖 94圖6.3基于RIS與非均勻時(shí)間調(diào)制的二維DOA估計(jì)示意圖[234] 95圖6.4RIS輔助太赫茲多用戶近場定位系統(tǒng)模型 96圖6.5定位均方誤差隨RIS反射元數(shù)目變化關(guān)系 968圖6.6配備16陣元ULA的近場Wi-Fi系統(tǒng) 98圖6.7Wi-Fi系統(tǒng)近場定位與遠(yuǎn)場定位方法性能差異 98圖6.8近場波束偏移軌跡示意圖 99圖6.9近場可控波束偏移軌跡示意圖 99圖6.10具有時(shí)鐘異步的單基站非視距鏈路用戶設(shè)備定位系統(tǒng) 100圖6.11基于子陣劃分的單基站近場感知系統(tǒng) 圖6.12角度譜圖6.13距離譜 103圖6.14超大規(guī)模MIMO雙站近場感知系統(tǒng) 104圖6.15單站近場感知的角度克拉美羅界 圖6.16雙站近場感知的距離克拉美羅界 圖6.17遠(yuǎn)場速度感知 圖6.18近場速度感知 圖6.19通信輔助近場感知和感與輔助近場通信示意圖 108圖6.20近場感知驗(yàn)證環(huán)境，感知精度與信號帶寬的變化趨勢[256] 圖6.21基于可編程超表面的自適應(yīng)的智能近場充電系統(tǒng)[263] 圖6.22基于準(zhǔn)貝塞爾波束實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)WPT系統(tǒng)的示意圖[267] 110圖6.23無線能量收集系統(tǒng)框圖 圖6.24整流超表面結(jié)構(gòu)示意圖 圖6.25基于頻率分集和極化分集的攜能通信系統(tǒng) 112圖6.26近場SWIPT 圖6.27基于連續(xù)孔徑全息超表面的WPT性能[280] 114圖6.28基于連續(xù)孔徑全息超表面的SWIPT收發(fā)機(jī)[280] 圖6.29(a)離散孔徑全息超表面正視圖(b)離散孔徑全息超表面右視圖 圖6.30基于離散孔徑全息超表面的SWIPT發(fā)射機(jī) 115圖6.31離散孔徑全息超表面的WIT和WPT性能權(quán)衡 116圖6.32近場物理層安全 圖6.33基于時(shí)延對齊調(diào)制的近場安全通信 圖6.34近場信道向量歸一化內(nèi)積絕對值的平方隨天線數(shù)目變化關(guān)系 119圖6.35安全速率隨Alice天線數(shù)目變化關(guān)系 圖6.36近場波束饒射 圖6.37近場物理層安全系統(tǒng)圖 圖6.38常規(guī)OAM波束與無衍射Bessel渦旋波束電場對比圖[303] 圖6.39完整口徑采樣接收方法與部分口徑采樣接收方法示意圖[304] 圖6.40基于近場通信的語義通信架構(gòu) 圖6.41基于近場通信的聯(lián)邦學(xué)習(xí)架構(gòu) 圖6.42近場寬帶智能波束賦形 圖6.43常用的片上通信系統(tǒng)框圖[307] 圖6.44片內(nèi)天線排布[308] 126圖6.45垂直單極子天線橫截面[312] 圖6.46基于GaN工藝的片上天線[313] 圖6.47用于無線片對片通信的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇9圖6.48三維封裝系統(tǒng)(SiP)中利用玻璃通孔(TGV)集成天線的面內(nèi)/面外/片內(nèi)/片間無線通信 圖6.49感知場景示意圖 圖7.16G潛在頻譜 圖7.2推進(jìn)近場技術(shù)研究與標(biāo)準(zhǔn)化的系列活動(dòng) 圖7.3測量系統(tǒng)示意圖 圖7.4LoS測量概述 138圖7.5測量配置環(huán)境 圖7.6簇參數(shù)特性 圖7.7Tx2-Rx2和Tx3-Rx3信道的功率-延遲-角度剖面 圖7.8不同BS-UE距離下的信道容量 6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇1隨著5G無線網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化進(jìn)程不斷加速，針對下一代6G無線網(wǎng)絡(luò)的探索性研究也隨之日益增強(qiáng)。在這樣的技術(shù)進(jìn)步背景下，6G網(wǎng)絡(luò)被賦予了相較于前代無線網(wǎng)絡(luò)更加宏大的愿景和更高的性能目標(biāo)。傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)（1G至5G）主要依賴于6GHz以下，甚至是3GHz以下的頻譜。受限于波長，這些網(wǎng)絡(luò)通常采用較小規(guī)模的天線陣列。低維度天線陣列與較低頻率的結(jié)合，通常使得無線近場通信的范圍局限于數(shù)米，甚至數(shù)厘米。因此，傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通?；谶h(yuǎn)場假設(shè)。面向未來6G網(wǎng)絡(luò)，更大的天線孔徑以及更高頻段的將被采用（例如，厘米波、毫米波及太赫茲等），這使得近場特性變得更為顯著（見表格1.1）[1][2]。此外，如智能超表面（RIS）[3][4][5]、超大規(guī)模MIMO[6]、可移動(dòng)天線[7]、無蜂窩網(wǎng)絡(luò)（Cell-free）[8]等新興技術(shù)的引入，也使得近場場景在未來的無線網(wǎng)絡(luò)中變得更為普遍，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場平面波假設(shè)將不再適用[9]。從空間資源利用的角度來看，盡管傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)已經(jīng)在遠(yuǎn)場空間資源的挖掘和利用上取得了顯著成就，但對近場空間資源的進(jìn)一步探索與應(yīng)用預(yù)計(jì)將為無線通信系統(tǒng)帶來新的物理空間維度。因此，在6G網(wǎng)絡(luò)中，近場區(qū)域?qū)⒉豢珊雎?，這激發(fā)了對近場技術(shù)新范式的研究。表格1.1典型場景的近場范圍（瑞利距離）Df2.6GHz(lowband)7GHz(Midband)28GHz(mmWaveband)220GHz(THzband)0.5m4837260m119m476/3.0m210m420m//在近場技術(shù)領(lǐng)域，由于電磁波傳播特性的改變，不再可以簡單地近似為平面波，而需被視作球面波。這種新的物理特性帶來了諸如空間非平穩(wěn)性、波束分裂、三極化、倏逝波等多種新電磁效應(yīng)。因此，許多傳統(tǒng)通信算法在6G近場場景下的性能會(huì)嚴(yán)重下降，或無法充分利用這些新的物理特性。利用近場效應(yīng)有望更好地實(shí)現(xiàn)ITU-RWP5DIMT-2030中所提出的面向6G的更廣泛應(yīng)用場景和關(guān)鍵性能指標(biāo)[3]。本文將全面探討基于近場技術(shù)的潛在應(yīng)用場景，如圖1.1所示。近場基礎(chǔ)理論部分主要包括電磁近場的定義、近場電磁特性及其物理效應(yīng)、近場通信自由度的理論分析，以及近場性能的全面分析。本文從電磁理論的近場定義出發(fā)，對近場電磁效應(yīng)的來源及其對現(xiàn)有通信系統(tǒng)的影響進(jìn)行了深入分析。此外，基于現(xiàn)有文獻(xiàn)，本文總結(jié)了近場效應(yīng)對通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能的影響，特別強(qiáng)調(diào)通信自由度和通信容量這兩大關(guān)鍵指標(biāo)。對信道特性和模型的深入了解對于通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和技術(shù)評估至關(guān)重要。因此，全面的信道測量和精確的信道特性表征顯得尤為必要。本文從信道測量和建模的視角出發(fā)，介紹了2近場信道的研究，涵蓋信道測量方法、統(tǒng)計(jì)性模型、確定性模型、近場信道的空間非平穩(wěn)特性，以及連續(xù)陣元和離散陣元信道模型等方面。圖1.1近場應(yīng)用場景由于近場傳播模型與現(xiàn)有遠(yuǎn)場通信技術(shù)之間的不匹配，現(xiàn)有遠(yuǎn)場技術(shù)在近場區(qū)域的性能可能遭遇顯著下降。本文從信道估計(jì)、波束形成、碼本設(shè)計(jì)、波束訓(xùn)練、多址技術(shù)以及近場系統(tǒng)架構(gòu)與部署和標(biāo)準(zhǔn)化影響等方面，詳細(xì)探討了近場傳輸技術(shù)。同時(shí)，本文還探討了近場技術(shù)與其他領(lǐng)域技術(shù)的融合，包括近場與定位、近場與無線傳能、近場物理層安全、基于近場的軌道角動(dòng)量（OAM）、基于人工智能的近場通信以及近場與片上通信等方面。近年來，近場傳播特性的研究受到了廣泛關(guān)注，并取得了顯著的進(jìn)展。然而，截至目前，尚無一份全面的文獻(xiàn)對近場技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性的梳理。因此，本文綜合近場應(yīng)用場景、基礎(chǔ)理論、信道測量與建模、傳輸技術(shù)以及與其他技術(shù)的融合等方面，全面而系統(tǒng)地梳理近場技術(shù)（圖1.2），旨在為近場技術(shù)建立一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)知框架，以期對近場技術(shù)研究的發(fā)展起到推動(dòng)作用。6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇3圖1.2近場傳播技術(shù)體系42.近場應(yīng)用場景2023年6月國際電信聯(lián)盟無線電通信部門5D工作組（ITU-RWP5D）發(fā)布了《IMT面向2030及未來發(fā)展的框架和總體目標(biāo)建議書》，提出了6G典型場景和能力指標(biāo)體系，如圖2.1所示[3]。6G場景包括沉浸式通信、超大規(guī)模連接、極高可靠低時(shí)延、人工智能與通信的融合、感知與通信的融合、泛在連接等。6G關(guān)鍵能力指標(biāo)包括9項(xiàng)5G能力增強(qiáng)以及6項(xiàng)新增能力維度，包括峰值速率、用戶體驗(yàn)速率、頻譜效率、區(qū)域流量、連接密度、移動(dòng)性、時(shí)延、可靠性、安全隱私彈性、覆蓋、感知相關(guān)指標(biāo)、AI相關(guān)指標(biāo)、可持續(xù)性和定位[11]。6G也會(huì)在5G-A的基礎(chǔ)上繼續(xù)演進(jìn)，繼續(xù)增強(qiáng)終端用戶的上網(wǎng)體驗(yàn)，并為垂直行業(yè)提供支持[12]。圖2.1IMT-2030應(yīng)用場景和關(guān)鍵能力指標(biāo)為滿足IMT-2030對頻譜效率的要求，產(chǎn)業(yè)界需要進(jìn)一步探索更高頻段和更大規(guī)模陣子的應(yīng)用潛力，與此同時(shí)，更高頻段所使用的超大規(guī)模陣列將帶來近場效應(yīng)。近場效應(yīng)是指在一定距離條件下，電磁波在遠(yuǎn)場的平面波假設(shè)不再成立，而需要建模為球面波模型，球面波前不僅攜帶角度信息，還攜帶距離信息，電磁波束在角度域和距離域上同時(shí)聚焦，形成近場波束聚焦[13]。利用近場效應(yīng)，可以更好地實(shí)現(xiàn)IMT-2030更多的應(yīng)用場景和關(guān)鍵性能指標(biāo)，例如感知與通信的融合、定位、安全性、移動(dòng)性等。本節(jié)將基于上述分析對近場的應(yīng)用場景進(jìn)行闡釋。帶寬的擴(kuò)展和天線的增多將為無線通信系統(tǒng)帶來更大的容量和更高的頻譜效率。典型的2G、3G、4G、5G通信系統(tǒng)采用的帶寬分別為0.2MHz、5MHz、20MHz、100MHz，未來6G需要更大的帶寬。2023年5月，我國工業(yè)和信息化部發(fā)布新版《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》（工業(yè)和信息化部令第62號在全球率先將6425-7125MHz頻段共700MHz的帶寬全部或部分用于5G-A/6G系統(tǒng)[14]。同年12月，國際電信聯(lián)盟（ITU）在阿聯(lián)酋迪拜召開的世界無線電通信大會(huì)，完成了對《無線電規(guī)則》新一輪的修訂，為全球大部分國家新劃分了6425-7125MHz共700MHz帶寬的中頻段6G頻譜資源[15]。2023年12月，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇53GPP在英國愛丁堡召開會(huì)議，確立了5G-Advanced第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)版本Rel-19的首批項(xiàng)目，包括7-24GHz新頻譜的信道模型研究等8個(gè)領(lǐng)域[16]。相比于5G廣泛采用的sub-6GHz低頻段，以及未來6G可能會(huì)采用的毫米波、太赫茲等高頻段，中頻段兼具覆蓋和容量的優(yōu)勢，對6G的廣域高容量覆蓋具有非常重要的價(jià)值，有望成為6G的基礎(chǔ)性頻段之一，如圖2.2所示。圖2.2未來6G的高、中、低全頻段頻譜未來6G高、中、低全頻段均很可能涉及近場通信場景。2022年6月，美國6G聯(lián)盟發(fā)布的研究報(bào)告“6GTechnologies”也明確指出在6G高、中、低頻段研究近場的必要性[17]。高頻毫米波（mmWave）和太赫茲（THz）無線通信可以利用較大的可用帶寬，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，是下一代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[18]。為了彌補(bǔ)高頻傳輸?shù)穆窂綋p耗，在這些頻段運(yùn)行的基站（BaseStation，BS）配備大規(guī)模天線陣列。使用大規(guī)模天線陣列會(huì)導(dǎo)致高頻通信下的用戶大概率落在近場區(qū)域，而傳統(tǒng)無線系統(tǒng)通常在遠(yuǎn)場范圍內(nèi)的。在毫米波和太赫茲條件下，相對較小的天線/表面的近場距離也可達(dá)幾十米，這意味著在實(shí)際距離上對電磁場的遠(yuǎn)場平面波假設(shè)不再適用，應(yīng)該使用球面波的近場模型來分析毫米波/太赫茲無線通信系統(tǒng)。對信號球面波前的管理可轉(zhuǎn)化為靈活的波束賦形能力，近場會(huì)產(chǎn)生將波束聚焦在特定位置的輻射模式（波束聚焦而不是像在遠(yuǎn)場條件下通過傳統(tǒng)的波束轉(zhuǎn)向只聚焦在特定的方向。波束聚焦可支持在相同角度上多個(gè)同時(shí)同頻的鏈路相互正交。天線陣列的信號處理能力很大程度上決定了在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)聚焦波束的可行性，不同天線架構(gòu)的處理能力各不相同。對于給定的輻射元件陣列，最靈活的解決方案是全數(shù)字架構(gòu)，其中每個(gè)天線元件都與專用射頻（RF）鏈相連。在這種結(jié)構(gòu)中，收發(fā)機(jī)能夠同時(shí)控制無限多個(gè)方向的波束，從而大大提高了空間靈活性。然而，在5G及更先進(jìn)的通信系統(tǒng)中部署大規(guī)模陣列時(shí)，由于成本和功耗的增加，實(shí)施全數(shù)字架構(gòu)極具挑戰(zhàn)性。為了緩解這一問題，大規(guī)模MIMO通信通常采用模擬/數(shù)字混合架構(gòu)。這種混合架構(gòu)結(jié)合了低維數(shù)字處理和高維模擬預(yù)編碼，通常使用移相器互聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，因此使用的射頻鏈比天線元件少。另一種有效實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列的新興技術(shù)是動(dòng)態(tài)超表面天線，該天線可以對發(fā)射/接收波束模式進(jìn)行可編程控制，同時(shí)提供先進(jìn)的模擬信號處理能力，并在不使用專用模擬電路的情況下自然實(shí)現(xiàn)射頻鏈縮減，并且有助于天線元件的密集化，從而提高聚焦性能。文獻(xiàn)[19]探討了如6何利用各種天線架構(gòu)，包括全數(shù)字陣列、基于移相器的混合架構(gòu)和動(dòng)態(tài)超表面天線，通過近場信號促進(jìn)多用戶通信，以及形成聚焦波束時(shí)對下行鏈路多用戶系統(tǒng)的影響。（每個(gè)用戶指向波束（a）三維空間b）遠(yuǎn)場設(shè)計(jì)下的波束轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致相同角度上的用戶間干擾；圖2.3多用戶近場通信10GHz頻段的中頻厘米波也是6G頻譜的備選頻段和機(jī)會(huì)點(diǎn)。厘米波頻段具有豐富的漫反射和良好的散射與衍射效果，有潛力提供超分辨率空間傳播路徑。相對于高頻通信，厘米波具有相對較低的路徑損耗，可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的覆蓋，同時(shí)相對于Sub-6G頻段具有更小的波長，使得能夠部署和配置超大規(guī)模但較小尺寸的天線。綜合考慮厘米波的路徑損耗、波長以及成本等因素，厘米波基站和用戶終端可以配置更多的射頻通道，因此有望實(shí)現(xiàn)高分辨率的空間窄波束，從而獲得更多的空間自由度。因此，該波段的典型應(yīng)用場景包括單用戶多流或更高階多用戶復(fù)用場景。然而，考慮到物理環(huán)境的空間分辨率可能無法充分利用厘米波多天線系統(tǒng)提供的空間自由度，在通信網(wǎng)絡(luò)中部署低成本低功耗的智能超表面設(shè)備，可以有效提升通信系統(tǒng)的自由度。該場景下的關(guān)鍵問題包括智能超表面的部署和協(xié)作、智能超表面輔助多用戶MIMO系統(tǒng)的用戶配對和調(diào)度，潛在的大面板尺寸所帶來的復(fù)雜的波束訓(xùn)練、非平面波信道模型建模，以及近場碼本設(shè)計(jì)等。低頻段（FR1，Sub-6GHz）定義了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基線覆蓋范圍，6G在拓展更高頻段的同時(shí)，也將進(jìn)一步充分利用FR1頻段適合廣泛覆蓋和深度穿透的優(yōu)勢，提高頻譜效率，突破帶寬瓶頸。在低頻段可以使用大規(guī)模MIMO，在保證廣泛覆蓋的同時(shí)，提高6G系統(tǒng)的譜效和能效。低頻段部署傳統(tǒng)大規(guī)模MIMO的主要問題是鐵塔或基站部署對天線外形尺寸的限制。模塊化或分布式的大規(guī)模MIMO，以及超表面天線有望克服尺寸限制，通過緊湊天線陣列降低天線單元之間半波長距離的要求。另一方面，基于小區(qū)的傳統(tǒng)部署策略會(huì)帶來可行性、處理和架構(gòu)復(fù)雜度等挑戰(zhàn)，所以低頻段的大規(guī)模MIMO將可能采用多面板、多收發(fā)節(jié)點(diǎn)、6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇7無蜂窩、不規(guī)則的大規(guī)模分布式網(wǎng)絡(luò)部署。在這種場景下，需要進(jìn)一步研究分布式部署策略，非均勻天線面板可能對新信道模型的需求，大型天線陣列以及用戶可能靠近接入點(diǎn)時(shí)的近場效應(yīng)等因素。同時(shí)，針對遠(yuǎn)近場信道，探索高效的參考信號設(shè)計(jì)和信道獲取框架，進(jìn)一步評估人工智能在信道獲取上的潛力等。智能超表面（ReconfigurableIntelligentSurface）被認(rèn)為是6G中的關(guān)鍵潛在技術(shù)之一，它由大量低成本的可重構(gòu)單元組成[20]。在無線網(wǎng)絡(luò)中部署RIS可以有效地調(diào)整發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無線信道，從而提高通信質(zhì)量和覆蓋范圍[21]。RIS技術(shù)的典型應(yīng)用之一是通過數(shù)百乃至數(shù)千個(gè)元件獲得足夠的波束賦形增益用于毫米波及太赫茲通信中的覆蓋補(bǔ)盲。而更大的RIS陣列和更高的工作頻率，進(jìn)一步擴(kuò)大了RIS輔助通信鏈路的近場區(qū)域[22]。RIS通常用于在發(fā)射機(jī)/接收機(jī)之間建立直連信道。在遠(yuǎn)場區(qū)域，信道的秩通常較小，這制約了信道的空間復(fù)用增益。與此相對，由于球面波帶來的信號幅度以及相位的非線性變化，近場信道往往滿秩，可以有效改善系統(tǒng)的復(fù)用增益以及空間自由度[23]：當(dāng)用戶位于輻射近場區(qū)域時(shí)，即使多個(gè)用戶位于相同輻射角度，也可以通過對智能超表面配置不同的近場碼本，通過波束聚焦來減輕同信道干擾，支持多個(gè)共存的正交鏈路，實(shí)現(xiàn)空分多址[24]，如圖2.4所示。同樣，利用球面波前提供的自由度，同時(shí)攜帶角度信息和距離信息的近場輻射波，進(jìn)一步增強(qiáng)了無線定位服務(wù)精度和感知精度，如圖2.5所示。另一方面，這也意味著信道的空間非平穩(wěn)性加劇，這將給信道估計(jì)、碼本設(shè)計(jì)、波束訓(xùn)練復(fù)雜度、移動(dòng)性管理、信令設(shè)計(jì)等方面帶來挑戰(zhàn)。圖2.4RIS輔助近場應(yīng)用場景8圖2.5近場定位場景模型[25]如圖2.6（a）和（b）所示，現(xiàn)有兩種常用的超大規(guī)模陣列架構(gòu)分別是集中式超大規(guī)模天線陣列和分布式超大規(guī)模天線陣列[26]。集中式超大規(guī)模天線陣列的天線陣元間距通常為半波長。為了補(bǔ)充現(xiàn)有集中式和分布式超大規(guī)模天線陣列架構(gòu)，文獻(xiàn)[27][28]提出了新型模塊化超大規(guī)模天線陣列架構(gòu)。如圖2.6（c）所示，所有天線陣元按照模塊化的方式規(guī)則地部署在同一平臺(tái)上，其中每個(gè)模塊由中等數(shù)量的天線陣元組成，且天線間距通常為半波長，而不同模塊的間距遠(yuǎn)大于波長級別，從而實(shí)現(xiàn)與環(huán)境靈活共形。例如，模塊化超大規(guī)模天線陣列可以嵌入到由窗戶分隔的不連續(xù)的墻壁中，如購物中心、工廠或辦公樓的建筑表面。相比于相同天線數(shù)的集中式陣列結(jié)構(gòu)，模塊化超大規(guī)模天線陣列不僅部署更加靈活，且其物理尺寸更大，導(dǎo)致其近場效應(yīng)更加明顯并具有更高的空間分辨率。然而，模塊化超大規(guī)模天線陣列的模塊間距遠(yuǎn)大于半波長，會(huì)產(chǎn)生柵瓣問題。此外，相比于分布式陣列結(jié)構(gòu)，模塊化超大規(guī)模天線陣列通常執(zhí)行聯(lián)合信號處理，而不需要交換或協(xié)調(diào)站點(diǎn)間信息，這可以緩解同步的需求，并降低與分布式陣列結(jié)構(gòu)的回程/前程鏈路相關(guān)的硬件成本。模塊化超大規(guī)模天線陣列通常對應(yīng)于非均勻稀疏超大規(guī)模陣列。均勻稀疏陣列作為模塊化超大規(guī)模陣列架構(gòu)的特例，如圖2.6（d）所示，其天線陣元間距始終為大于半波長的定值。均勻稀疏陣列的波束方向圖將具有更窄的主瓣，因而具有更高的空間分辨率，為用戶密集分布的通信場景帶來顯著的干擾抑制增益[29]。然而，由于存在大于半波長的陣元間距，均勻稀疏陣列也同樣存在柵瓣問題。上述四種陣列架構(gòu)適合于不同的應(yīng)用場景。例如，集中式、模塊化和均勻稀疏超大規(guī)模天線陣列都可以用于支持蜂窩熱點(diǎn)通信，且模塊化和均勻稀疏超大規(guī)模天線陣列可顯著提高用戶集中分布場景下的傳輸速率。此外，分布式超大規(guī)模陣列架構(gòu)可以為較大地理區(qū)域的用戶提供更好的通信服務(wù)。因此，這四種陣列體系架構(gòu)應(yīng)該是互補(bǔ)的，它們的選擇取決于實(shí)際應(yīng)用場景。6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇9（a）集中式超大規(guī)模天線陣列（b）分布式超大規(guī)模天線陣列（c）模塊化超大規(guī)模天線陣列（d）均勻稀疏超大規(guī)模天線陣列圖2.6不同超大規(guī)模陣列架構(gòu)類別[26]不同于經(jīng)典的蜂窩小區(qū)通信架構(gòu)，無蜂窩（Cell-Free）通信架構(gòu)通過分布式部署大量接入節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的通信范式，可有效克服小區(qū)間干擾、避免通信中斷，進(jìn)一步提升下一代6G移動(dòng)通信性能[8]?；跓o蜂窩通信架構(gòu)，由于多陣列采用分布式部署方式，其等效陣列口徑顯著擴(kuò)大，近場球面波效應(yīng)更為顯著；同時(shí)，由于接入節(jié)點(diǎn)分布更加密集、通信距離更短，用戶將以更高的概率位于近場范圍；此外，由于無蜂窩通信架構(gòu)的協(xié)作特性，用戶可能被多個(gè)不同天線規(guī)模、不同距離的接入節(jié)點(diǎn)同時(shí)服務(wù)，其可能位于不同節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)場或近場范圍，面臨更為復(fù)雜的遠(yuǎn)近場混合通信場景。因此，無蜂窩近場通信將是未來6G的重要應(yīng)用場景之一。近場球面波信道建模可以為無蜂窩通信系統(tǒng)提供模型基礎(chǔ)；由于其近場球面波效應(yīng)顯著，考慮近場球面波特性可進(jìn)一步提升無蜂窩架構(gòu)中接入節(jié)點(diǎn)優(yōu)化精度；同時(shí)，兼容近場球面波和遠(yuǎn)場平面波的波束賦形方法、高效遠(yuǎn)近場無蜂窩通信信道估計(jì)和波束訓(xùn)練方案可以更好適配近場通信場景，進(jìn)一步提升無蜂窩通信系統(tǒng)的性能。圖2.7可移動(dòng)天線輔助近場通信與感知最近，可移動(dòng)天線（MovableAntenna，MA）技術(shù)被引入無線通信系統(tǒng)，通過控制發(fā)射/接收端天線的局部移動(dòng)（位置或旋轉(zhuǎn)），以改善無線信道條件和通信性能[30]。該技術(shù)有多種實(shí)用方法可用于實(shí)現(xiàn)天線移動(dòng)，如機(jī)械驅(qū)動(dòng)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等。由于其靈活的移動(dòng)能力，可移動(dòng)天線可以充分利用無線信道的空間變化。例如，與傳統(tǒng)固定位置天線相比，可移動(dòng)天線可以顯著提高空間分集性能，包括接收機(jī)信號功率提升和干擾抑制[31][32]。對于多個(gè)可移動(dòng)天線輔助的MIMO或多用戶通信系統(tǒng)，可以通過天線位置優(yōu)化重塑信道矩陣，從而提升空間復(fù)用增益以及無線信道容量[33]-[35]。此外，通過將多個(gè)可移動(dòng)天線集成到陣列中，可以通過聯(lián)合設(shè)計(jì)陣列幾何形狀和波束賦形矢量實(shí)現(xiàn)更靈活的波束成形[36][37]。在無線通信或感知應(yīng)用場景中，由于有效陣列口徑正比于天線移動(dòng)區(qū)域大小，擴(kuò)大天線移動(dòng)區(qū)域也導(dǎo)致了發(fā)射機(jī)/接收機(jī)的近場區(qū)域范圍增大，如圖2.7所示。與需要大量天線單元和射頻前端的超大規(guī)模天線陣列不同，可移動(dòng)天線的數(shù)量適中，且不隨天線移動(dòng)范圍改變。因此，與超大規(guī)模天線陣列相比，可移動(dòng)天線可以幫助降低硬件成本和射頻功耗?？梢苿?dòng)天線系統(tǒng)的性能優(yōu)勢，如更高的空間分集性、增強(qiáng)的復(fù)用增益和更靈活的波束形成，在6G近場通信中更具吸引力，因?yàn)榛谇蛎娌ǖ哪Ｐ驮诳臻g呈現(xiàn)出更為顯著的信道變化。此外，分布式可移動(dòng)天線可以無縫集成到無蜂窩通信系統(tǒng)中，為改善6G網(wǎng)絡(luò)性能提供額外的天線位置、旋轉(zhuǎn)自由度。在6G無線感知和通感一體化應(yīng)用中，可移動(dòng)天線系統(tǒng)可以有效地?cái)U(kuò)大天線口徑，從而增加角度/距離估計(jì)精度。對于充分大的天線移動(dòng)區(qū)域，可移動(dòng)天線輔助系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)近場超分辨率感知?？傊梢苿?dòng)天線技術(shù)為6G近場通信感知研究開辟了新的方向。在理論研究、技術(shù)探索、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化工作當(dāng)中需要更多的努力，以釋放可移動(dòng)天線在未來6G網(wǎng)絡(luò)中的全部潛力。6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇除了大容量通信之外，下一代無線網(wǎng)絡(luò)還有望實(shí)現(xiàn)高精度的感知，因此通信與感知的一體化（integratedsensingandcommunication，ISAC）技術(shù)也吸引了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界廣泛的研究興趣[38]。與傳統(tǒng)的無線定位和信道估計(jì)相比，無線感知依賴于無源目標(biāo)反射的回波信號，而不是有源設(shè)備發(fā)送的導(dǎo)頻信號。目前，許多已有的調(diào)制波形被證明可以應(yīng)用于無線感知中，例如正交頻分復(fù)用（orthogonalfrequency-divisionmultiplexing，OFDM）和正交時(shí)頻空間（orthogonaltimefrequencyspace，OTFS）[39][40]，這說明感知功能可以被無縫集成到現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)絡(luò)中。在遠(yuǎn)場感知中，增加天線陣列的尺寸往往只能提高角度估計(jì)的分辨率，而距離和速度的分辨率主要依賴于信號帶寬和感知持續(xù)時(shí)間。但在近場區(qū)域內(nèi)，球面波傳播使得大規(guī)模天線陣列可以用于估計(jì)物體間距離和移動(dòng)速度。一方面，即使在有限帶寬內(nèi)，近場信道仍然能夠有效地包含距離信息，提高窄帶系統(tǒng)中的距離估計(jì)分辨率。另一方面，目標(biāo)速度的估計(jì)依賴于多普勒頻率的估計(jì)。與遠(yuǎn)場感知相比，近場感知從不同方向觀測目標(biāo)大規(guī)模天線陣列中相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)天線，可能具有明顯不同的多普勒頻率，因此可增強(qiáng)對移動(dòng)速度的估計(jì)[41][42]，如圖2.8所示。基于上述討論，近場效應(yīng)具有在時(shí)頻資源受限的情況下促進(jìn)高精度感知的潛力。因此，將近場通感一體化是一項(xiàng)極具前景的技術(shù)。圖2.8近場ISAC系統(tǒng)[41]在傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場通信系統(tǒng)中，基于平面波假設(shè)，主要通過估計(jì)信號在目標(biāo)處的到達(dá)角和到達(dá)時(shí)間，來獲取目標(biāo)的相對于接收點(diǎn)的角度和距離信息[43]，遠(yuǎn)場通信系統(tǒng)需要部署多個(gè)接收點(diǎn)作為定位錨點(diǎn)，根據(jù)多個(gè)錨點(diǎn)的角度和距離信息，估計(jì)定位目標(biāo)的三維坐標(biāo)。為了獲得更加準(zhǔn)確的角度和距離信息，遠(yuǎn)場通信系統(tǒng)通常需要配置較大帶寬的測量信號。除利用距離和角度外，利用接收信號的特征作為指紋進(jìn)行定位也是一種常見的定位方法，在遠(yuǎn)場通信中也有研究[44]。在近場中，基于球面波模型，天線陣列中不同區(qū)域的天線單元的信號在目標(biāo)處的到達(dá)角是不同的。利用這種波束匯聚的信號傳輸特性，近場通信系統(tǒng)通過天線陣列不同區(qū)域信道角度的差異來進(jìn)行目標(biāo)定位，從而降低了對測量信號帶寬的需求[45]，如圖2.9所示。同時(shí)，大規(guī)模天線陣列的部署有利于進(jìn)一步增強(qiáng)角度分辨率，并在近場區(qū)域內(nèi)提供額外的距離分辨率，有利于實(shí)現(xiàn)6G移動(dòng)通信中的高精度定位[46]。（通過ELAA、RIS和分布式MIMO等多種形式提供近場的高精度定位服務(wù)）圖2.9近場定位示意圖近場通信系統(tǒng)的定位過程與傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場通信系統(tǒng)在信號系統(tǒng)、信道模型和定位原理等方面都有所不同。二者屬于異構(gòu)定位網(wǎng)絡(luò)。因此，需要在遠(yuǎn)場和近場通信系統(tǒng)之間建立異構(gòu)定位網(wǎng)絡(luò)融合算法，以確保無縫定位服務(wù)[47][48]。異構(gòu)定位網(wǎng)絡(luò)的融合依賴于定位精度估計(jì)算法的實(shí)現(xiàn)[49][50]。對于包括近場通信系統(tǒng)在內(nèi)的區(qū)域定位系統(tǒng)，定位精度算法可以發(fā)展為可用性估算[51]，以支持異構(gòu)定位系統(tǒng)之間兩種不同的互操作模式：“軟融合”和“硬切換”[52]。近場通信中能夠?qū)崿F(xiàn)匯聚的高指向性點(diǎn)波束，將波束的目標(biāo)區(qū)域集中在目標(biāo)設(shè)備附近，從而將射頻信號的能量聚集到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能量收集節(jié)點(diǎn)。利用近場的波束聚焦特性和高精度的位置信息，能夠顯著提高無線能量傳輸?shù)男剩瑴p少傳輸過程中的能量浪費(fèi)。在室內(nèi)場景或者基站天線規(guī)模受限的場景中，無線通信系統(tǒng)可以通過智能超表面來構(gòu)建近場信道，將家庭基站的信號能量匯聚到能量收集節(jié)點(diǎn)。另外，在近場通信系統(tǒng)中，超大規(guī)模天線陣列可以基于球面波模型的無線信道在近場范圍內(nèi)獲得更高的空間分辨率，使得基站可以支持更高密度的數(shù)能同傳（SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer，SWIPT）終端。SWIPT允許設(shè)備從射頻波中收集能量并將其轉(zhuǎn)換為電能，將能量儲(chǔ)存到設(shè)備的電池中，最大限度地延長設(shè)備的使用壽命，是解決能源有限問題的新方案[53][54]。6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇圖2.10近場無線傳能示意圖由于無線通信的天然廣播特性和移動(dòng)特性，這使得網(wǎng)絡(luò)中合法用戶的通信很容易遭到非法用戶的竊聽和攻擊，安全傳輸一直都是無線通信中一個(gè)重要的問題。在遠(yuǎn)場通信中，如果竊聽者與合法用戶處于同一方向，尤其是當(dāng)竊聽者距離基站更近時(shí)，安全傳輸將難以實(shí)現(xiàn)。與遠(yuǎn)場通信里波束賦形的方向聚焦性不同，在超大規(guī)模陣列輔助的近場通信中，基站形成的波束具有強(qiáng)大的位置聚焦性[55]。這一性質(zhì)使得發(fā)送信號的能量可以聚集在合法用戶的位置上而不僅是合法用戶的方向上，有效減少了信息在竊聽用戶位置的泄漏，提升了系統(tǒng)的安全信道容量。通過對基站波束聚焦的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以充分挖掘近場通信在增強(qiáng)物理層安全方面的潛力。左圖：使用波束轉(zhuǎn)向的遠(yuǎn)場安全通信；右圖：基于波圖2.11波束聚焦使能近場安全通信多址技術(shù)聯(lián)合時(shí)域、頻域、碼域以及空域進(jìn)行資源分配，實(shí)現(xiàn)傳輸資源的高效利用，是提高下一代無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的關(guān)鍵。在5G大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，空分多址（SpatialDivisionMultipleAccess，SDMA）利用角度域的正交資源實(shí)現(xiàn)了不同用戶的區(qū)分；非正交多址接入（Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA）技術(shù)則進(jìn)一步允許多個(gè)用戶復(fù)用相同的資源塊，并從功率域或碼域消除用戶干擾；而無用戶標(biāo)識隨機(jī)接入通過接入資源（如碼字）的競爭機(jī)制，節(jié)約了大規(guī)模機(jī)器類通信（massiveMachine-TypeCommunications，mMTC）中用戶短包隨機(jī)接入所需的資源開銷。與空分多址等技術(shù)中所采用的遠(yuǎn)場傳輸模型相比，近場傳輸模型具有“角度-距離”二維聚焦的特性以及更大的空間自由度，使得空域資源大大增加。因此，將近場傳輸特性應(yīng)用于多址技術(shù)設(shè)計(jì)，將更加有利于服務(wù)海量用戶接入需求，進(jìn)一步提升系統(tǒng)頻譜效率。圖2.12近場多址接入示意圖片上無線通信（On-chipWirelessCommunications）是指利用片上天線或近場耦合等無線互聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)芯片間或芯片內(nèi)不同模塊間的數(shù)據(jù)交換和無線通信，其傳輸距離通常小于1cm，具有低損耗、高傳輸速率、高集成度等優(yōu)點(diǎn)。片上通信應(yīng)用場景非常廣泛，如在物聯(lián)網(wǎng)（LoT）領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)智能芯片、智能設(shè)備、可穿戴設(shè)備的互聯(lián)互通，大大提高通信效率，減少布線復(fù)雜度，但存在芯片面積成本增加、安全隱私泄露、功耗增加等限制。然而當(dāng)工作頻率上升到毫米波/太赫茲頻段，片上天線尺寸大大縮小，芯片面積也大為減??；且收發(fā)芯片間距離近，無線通信對信號功率要求顯著降低；同時(shí)高頻信號定向性好，使得信息傳輸?shù)陌踩煽啃悦黠@提升，這大大降低了片上無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度[56]。相較于傳統(tǒng)的有線通信方式，采用無線通信方式可避免由傳輸線所引入的高延遲、高串?dāng)_、有限帶寬及寄生效應(yīng)等缺點(diǎn)。如圖2.13，通過在芯片中集成片上天線，信號傳輸方式由傳統(tǒng)的有線傳輸，優(yōu)化為片內(nèi)和片間的無線通信，從而形成了具有靈活架構(gòu)的片上網(wǎng)絡(luò)，避免了有線互聯(lián)布局的限制[57]。此外，片上無線通信對于系統(tǒng)級芯片不同芯粒（Chiplet）之間的信號傳遞有重要作用。如圖2.14所示，通過異質(zhì)異構(gòu)集成形成片上系統(tǒng)（System-on-a-chip，SoC）時(shí)，由于結(jié)構(gòu)不同、半導(dǎo)體材料不同，使得芯粒間的高頻互聯(lián)變得困難，利用傳統(tǒng)的引線鍵合等方式會(huì)嚴(yán)重惡化信號完整性，利用片上無線通信的方式可實(shí)現(xiàn)芯粒和芯粒間的高速、高帶寬的異質(zhì)異構(gòu)集成互聯(lián)，還可以有效地提高大規(guī)模異構(gòu)系統(tǒng)的通用性[58]。6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇圖2.13利用天線的片內(nèi)和片間通信圖2.14不同半導(dǎo)體材料的芯片間的無線互聯(lián)另外，由于片上無線通信利用了片上天線的輻射效應(yīng)或者近場耦合效應(yīng)，使其不再受制于傳統(tǒng)有線互聯(lián)而導(dǎo)致的一對一數(shù)據(jù)傳輸模式，在數(shù)據(jù)傳輸方面，它有更高的靈活性和適應(yīng)性，能夠進(jìn)行一對多的傳輸，為實(shí)現(xiàn)高密度的設(shè)備連接和海量設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換提供支持，因此為單片多核處理器的設(shè)計(jì)提供了更多的可行性，如圖2.15所示[59]。圖2.15使用片上無線通信技術(shù)的單片多核處理器綜上所述，片上無線通信可廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)中，如智能手機(jī)、平板電腦、智能手表、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等，提高通信設(shè)備的性能。片上無線通信應(yīng)用于6G，可降低通信時(shí)延，提供更快速的數(shù)據(jù)傳輸能力，提高通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和能量效率。高速高效的片上通信為未來6G無線通信系統(tǒng)、太赫茲集成電路以及芯片間通信互聯(lián)提供了可行方案。3.近場基礎(chǔ)理論隨著通信技術(shù)從5G向6G的演進(jìn)，為進(jìn)一步提升波束成形性能與通信速率，正采用更大規(guī)模的天線陣列孔徑和更高的通信頻率。然而，更大規(guī)模的天線陣列也使得諸多傳統(tǒng)遠(yuǎn)場通信場景被納入電磁學(xué)定義的近場通信范圍。在近場通信中，用于信息傳輸?shù)碾姶挪ㄖ荒鼙灰暈榍蛎娌?，而非平面波。這一新的物理特性不可避免，并引發(fā)諸多新的電磁效應(yīng)，如空間非平穩(wěn)性、極化效應(yīng)以及倏逝波等。因此，許多專為遠(yuǎn)場操作設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)通信算法在近場通信中性能嚴(yán)重下降，或無法利用6G近場場景的新特性以實(shí)現(xiàn)最佳性能[1][2]。本章從電磁理論給出的近場定義出發(fā)，分析近場電磁效應(yīng)，闡釋其產(chǎn)生根源及對現(xiàn)有系統(tǒng)的影響。此外，基于近場通信的現(xiàn)有文獻(xiàn)，總結(jié)近場效應(yīng)的出現(xiàn)對通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能造成的變化，重點(diǎn)關(guān)注通信自由度與通信容量。近場基本理論主要包括四個(gè)部分：電磁近場定義、近場電磁特性與物理效應(yīng)、近場通信自由度理論分析以及近場性能分析。在本節(jié)中，我們首先介紹遠(yuǎn)場通信和近場通信之間的區(qū)別。然后，我們確定了在幾個(gè)典型應(yīng)用場景中確定遠(yuǎn)場和近場區(qū)域邊界的原則。如圖3.1所示，根據(jù)電磁理論和天線理論，發(fā)射機(jī)周圍的場可分為近場和遠(yuǎn)場，近場區(qū)可進(jìn)一步分為反應(yīng)近場區(qū)域和輻射近場區(qū)域[1]。其中，反應(yīng)近場區(qū)域僅限于靠近天線的空間（小于菲涅爾距離在這一區(qū)域內(nèi)倏逝波占主導(dǎo)地位，電磁場并不以輻射波的形式從天線傳播出去。輻射近場區(qū)域位于距離天線幾個(gè)波長以上的區(qū)域（菲涅爾距離和瑞利距離之間在此區(qū)域內(nèi)，不同天線上的電磁波在整個(gè)陣列上的振幅差異不顯著，但相位變化隨天線的指數(shù)呈非線性變化，信號的傳播模型必須用球面波模型建模。遠(yuǎn)場區(qū)域包圍著輻射近場區(qū)域，在遠(yuǎn)場中電磁波可以近似視為平面波前。由于反應(yīng)近場區(qū)域通常較小，且倏逝波隨距離呈指數(shù)級衰減，因此在實(shí)際的近場通信系統(tǒng)中，通常主要關(guān)注輻射近場區(qū)域內(nèi)的無線通信，即“近場”一般表示輻射近場區(qū)域?，F(xiàn)有研究中，有多種視角和經(jīng)驗(yàn)法則來表征近場與遠(yuǎn)場區(qū)域的邊界，主要包括相位差、功率差和信道容量三個(gè)角度。l相位差角度的近場范圍劃分主要思想：考慮發(fā)射機(jī)天線陣列中任意兩個(gè)陣子到達(dá)接收機(jī)位置的最大相位差，當(dāng)最大相位差大于某一特定值時(shí)認(rèn)為該終端位于近場區(qū)域。從相位差角度，近場與遠(yuǎn)場之間的經(jīng)典邊界被稱為夫瑯禾費(fèi)（Fraunhofer）距離或瑞利（Rayleigh）距離[2]（考慮最大相位差不超過π/8表示為，其中D表示天線的最大孔徑，6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇λ代表載波波長。如果用戶與基站之間的距離大于瑞利距離時(shí)，可以認(rèn)為用戶處于遠(yuǎn)場區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，信號的傳播可以用平面波近似。如果用戶與基站之間的距離小于瑞利距離，可以認(rèn)為用戶處于近場區(qū)域。圖3.1遠(yuǎn)場平面波面與近場球面波面及對應(yīng)物理空間歸一化接收能量平面波與球面波所具有的對空間輻射能量的調(diào)整能力不同。更確切地說，平面波是球面波的遠(yuǎn)距離近似。在遠(yuǎn)場區(qū)域，電磁波的相位可以通過泰勒展開用天線指數(shù)的線性函數(shù)近似。這種簡潔的線性相位形成的平面波面只與入射角度有關(guān)。因此，利用平面波面，遠(yuǎn)場波束成形可以在不同距離上將波束能量轉(zhuǎn)向特定角度，這也被稱為波束轉(zhuǎn)向。遺憾的是，這種簡潔的線性相位無法徹底揭示球面波的信息。在近場區(qū)域，球面波的相位應(yīng)根據(jù)物理幾何形狀精確推導(dǎo)，它是天線指數(shù)的非線性函數(shù)。BS和UE之間每條路徑的入射角和距離信息都包含在這個(gè)非線性相位中。利用球形波面的額外距離信息，近場波束成形能夠?qū)⒉ㄊ芰烤劢乖谔囟ㄎ恢?，在角度域和距離域都能實(shí)現(xiàn)能量聚焦?；谶@一特性，近場波束成形也被稱為波束聚焦。瑞利距離的主要建立思想如下[1]。電磁波的真實(shí)相位根據(jù)精確的球面波模型和BS天線位置計(jì)算。在遠(yuǎn)場情況下，這一相位通常是通過基于平面波面模型的一階泰勒展開來近似計(jì)算的。這種近似方法會(huì)導(dǎo)致相位差，而相位差會(huì)隨著距離的減小而增大。當(dāng)所有BS和UE天線之間的最大相位差達(dá)到π/8時(shí)，BS陣列中心和UE陣列中心之間的距離被定義為瑞利距離。因此，如果通信距離短于瑞利距離，最大相位差將大于π/8。在這種情況下，遠(yuǎn)場近似變得不準(zhǔn)確，因此需要利用近場傳播模型。根據(jù)這一定義，可以得到單輸入多輸出（SIMO）、多輸入單輸出（MISO）和多輸入多輸出（MIMO）通信系統(tǒng)的近場范圍。如圖3.2所示，SIMO/MISO場景的近場范圍由經(jīng)典的瑞利距離精確決定，而瑞利距離與BS陣列孔徑的平方成正比。對于MIMO場景，由于在BS-UE鏈路的兩側(cè)都采用了ELAA，因此BS陣列孔徑和UE陣列孔徑都對瑞利距離有貢獻(xiàn)；也就是說，近場范圍與BS陣列孔徑和UE陣列孔徑之和的平方成正比。對于RIS系統(tǒng)而言，級聯(lián)BS-RIS-UE信道由BS-RIS和RIS-UE鏈路組成。因此，在計(jì)算相位差時(shí)，需要對BS-RIS距離和RIS-UE求和后計(jì)算π/8最大相位差，RIS系統(tǒng)的近場范圍由BS-RIS距離和RIS-UE距離的諧波平均值決定，如圖3.2所示。從圖3.2可以進(jìn)一步看出，只要這兩個(gè)距離中的任何一個(gè)短于瑞利距離，RIS輔助通信就在近場區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。因此，近場傳播更有可能發(fā)生在RIS系統(tǒng)中[62]。圖3.2典型通信場景近場范圍l功率差角度的近場范圍劃分在使用最佳的最大比合并（MaximumRatioCombining，MRC）時(shí)，來自不同天線單元的信號相位可以完全對齊，從而消除相位差對接收功率的影響。然而，受限于不完美的信道估計(jì)，MRC可能難以完全中和相位差異。因此，考慮實(shí)際系統(tǒng)中的功率損失，文獻(xiàn)[63]對傳統(tǒng)瑞利距離進(jìn)行了修正，提出了有效瑞利距離來表征近場范圍的邊界。通過MRC消除信號相位對接收功率的影響后，接收功率的大小只取決天線單元在接收機(jī)處的幅度響應(yīng)差異，考慮同一發(fā)射機(jī)天線陣列上不同天線單元的幅度響應(yīng)差異，文獻(xiàn)[64]和[65]提出了Critical距離和均勻能量距離，從不同天線單元的功率差角度刻畫了近場范圍，即在此距離之外，接收機(jī)處檢測的發(fā)射端最弱和最強(qiáng)的天線單元之間的功率比在指定閾值之上。其中，Critical距離只與天線孔徑相關(guān)，主要刻畫了靠近天線孔徑主軸的場邊界；均勻能量距離則進(jìn)一步考慮了陣列結(jié)構(gòu)和天線陣列的投影口徑等因素，對離軸區(qū)域給出更準(zhǔn)確的近場邊界描述。從另一視角，考慮平面波信道模型與球面波信道模型下的接收功率差異，文獻(xiàn)[66]分別基于均勻線性天線陣列（UniformLinearArray，ULA）和均勻圓形平面陣列（UniformCircularArray，UCA）結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了近場區(qū)域的等功率線/面，刻畫了近場范圍。l信道容量角度的近場范圍劃分從信道容量表征的角度，可以結(jié)合信道的容量[67]、特征值[68]、秩[69]、多流傳輸特性[70]、或者有效自由度[71]來刻畫近場范圍，評估遠(yuǎn)場平面波與近場球面波的適用區(qū)域。其中，文獻(xiàn)[69]通過等秩面給出了近場區(qū)域的邊界，可以證明近場范圍會(huì)隨著視距和非視距環(huán)境中散射體數(shù)量的增加而增加，且在非視距環(huán)境中增加更為顯著。考慮到空間復(fù)用，文獻(xiàn)[70]提出了有效復(fù)用距離的指標(biāo)Dm(，代表了在特定的信噪比（SNR）下，信道可以高效地同時(shí)容納m個(gè)獨(dú)立的空間流的最大距離。沿此思路，文獻(xiàn)[71]繼續(xù)從多流傳輸?shù)囊暯?，結(jié)合信道的有效自由度給出了近場邊界的定義，證明了近場范圍不僅與天線陣列孔徑有關(guān)，還會(huì)受天線單元數(shù)量的影響。6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇對于一個(gè)發(fā)送端為K個(gè)單天線用戶，接收端是N根天線的陣列的MIMO場景來說，第K個(gè)用戶發(fā)送到第n根天線的信號為：其中λ是信號的波長，PK和Pn分別是第K個(gè)用戶和第n根天線的位置坐標(biāo)。根據(jù)Fig.3.1，場區(qū)的劃分取決于pk—pn||。在近場區(qū)，來波的波陣面不能被視為平面波，取而代之的是等曲率球面波模型。根據(jù)表格3.1的信息和近場和球面波產(chǎn)生的原因，我們可以把近場的應(yīng)用場景分為以下三種類型：(1)短距近場：對應(yīng)IIPKII比較小的場景。此時(shí)用戶到陣列的距離比較近，波陣面的曲率較大，曲率不能被忽略為0，因此需要采用球面波和近場模型。這種情況往往出現(xiàn)在室內(nèi)通信場景，因此散射環(huán)境豐富，多徑效應(yīng)明顯。但是用戶移動(dòng)一般較慢，多普勒效應(yīng)不明顯。這種場景波束賦形和用戶位置估計(jì)的主要難點(diǎn)在于多徑的數(shù)學(xué)處理上。(2)大尺寸陣列近場：對應(yīng)IIPN-P0II比較大的場景，其中P0是參考天線的坐標(biāo)。此時(shí)及時(shí)來波的波陣面曲率不大，但是由于對應(yīng)的扇角較大，因此也不能使用平面波遠(yuǎn)場模型建模，需使用球面波和近場模型。因此在這類型近場場景中，波束賦形設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)在于來波曲率估計(jì)。(3)高頻近場：對應(yīng)λ比較小的場景。此時(shí)電磁波對空間的分辨率高，因此即使來波的波陣面的曲率和扇角都比較小，也需要使用球面波模型建模。由于高頻信道具有稀疏特性，因此這類場景的信道數(shù)學(xué)上往往易于表示，但從物理上來講由于這種場景下錨點(diǎn)較少因此定位等算法較難設(shè)計(jì)。此外由于高頻波束的空間分辨率過高，信道參數(shù)和用戶位置參數(shù)估計(jì)的精度要求也變得更高。需要指出的是，由于IIPKII，IIPN-P0II和λ是三個(gè)獨(dú)立變量，因此在實(shí)際應(yīng)用中這三個(gè)場景并不是互斥的，會(huì)存在某個(gè)情況同時(shí)屬于以上兩種或三種場景的情況。因此我們需要研究這三種場景分別會(huì)給波束賦形等工作帶來怎樣的變化。表格3.1分析了這三種場景的主要區(qū)別。表格3.1近場分類及主要區(qū)別近場類別場類別性質(zhì)短距近場大尺寸陣列近場高頻近場與遠(yuǎn)場的主要區(qū)別通信距離近陣列占地面積大通信頻率高產(chǎn)生球面波的原因波陣面曲率大波陣面扇角大波陣面誤差容忍度?。ǚ直媛矢撸┬诺栏咧鹊淖钪饕蛏⑸洵h(huán)境豐富信道的空域非平穩(wěn)性信號空間的非線性信號幅度衰落不可以視為相等不可以視為相等一般可以視為相等散射環(huán)境與多徑效應(yīng)多徑效應(yīng)明顯多徑效應(yīng)明顯且在陣列的不同區(qū)塊上表現(xiàn)不同多徑效應(yīng)不明顯，信道呈現(xiàn)稀疏特性，無法使用瑞麗衰落和萊斯衰落等模型。多普勒效應(yīng)一般不明顯不一定波束訓(xùn)練、碼本設(shè)計(jì)、信道估計(jì)、位置估計(jì)的主要難點(diǎn)數(shù)學(xué)上如何處理和利用豐富的散射環(huán)境如何處理信道的空域非平穩(wěn)特性如何實(shí)現(xiàn)高精度波束設(shè)計(jì)方法和參數(shù)估計(jì)方法需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然在實(shí)際應(yīng)用中不同的應(yīng)用場景都有可能出現(xiàn)，但是目前近場研究的主要?jiǎng)訖C(jī)在于為高頻通信提供服務(wù)。在高頻場景中，由于瑞利距離增大，大量用戶處于近場區(qū)域。因此，近場通信成為研究重點(diǎn)。所以，在研究近場的過程中，我們應(yīng)當(dāng)更多關(guān)注高頻近場信道特性，設(shè)計(jì)適用于高頻近場的算法，而不應(yīng)將不同的近場場景混淆起來進(jìn)行研究。在無線近場區(qū)域中，無線信號的電磁物理效應(yīng)將變得不可忽略。具體來說，電磁物理效應(yīng)包括天線的極化效應(yīng)、能量映射效應(yīng)等。下面，我們將從麥克斯韋方程組出發(fā)，建立電磁近場信道并揭示這些電磁近場效應(yīng)。圖3.3近場電磁輻射系統(tǒng)圖如圖3.3，在笛卡爾坐標(biāo)系OXYZ中，考慮發(fā)射天線位于點(diǎn)pt=(xt,yt,zt)，具有電流密度J(pt)，在源區(qū)域Rt≤R3內(nèi)。發(fā)射天線為常見的低成本單極化天線，具有歸一化極6G近場技術(shù)白皮書2.0/FuTURE論壇化方向矢量=tx+ty+tz（、、為三個(gè)基向量）。接收天線陣列上的各個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)為prr,yr,0)?？紤]標(biāo)量電場模型，該標(biāo)量電場從收發(fā)能量關(guān)系出發(fā)，是E(r)的坡印廷矢量的一個(gè)分量，該分量垂直于觀察平面（XOY平面）[72][73]：Es(r)=Es(r)exp(jk0r),其中，沿Z方向的能量映射效應(yīng)發(fā)射能量(|-pr-pt.)發(fā)射能量一———————————————一自由