移動(dòng)通信技術(shù)如何向后5G和6G天線系統(tǒng)技術(shù)演進(jìn)和創(chuàng)新

近年來(lái)，隨著第五代移動(dòng)通信（5G）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)和5G牌照發(fā)放，5G進(jìn)入基站和終端產(chǎn)品測(cè)試和成熟的關(guān)鍵時(shí)期。與此同時(shí)，移動(dòng)通信向后5G和第六代移動(dòng)通信系統(tǒng)（6G）演進(jìn)，逐漸成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

為促進(jìn)信息與電子工程領(lǐng)域?qū)W術(shù)交流，提升我國(guó)天線與射頻技術(shù)水平，促進(jìn)我國(guó)天線系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，中國(guó)工程院信息與電子工程學(xué)部和中國(guó)通信學(xué)會(huì)聯(lián)合舉辦第3期“信息與電子工程前沿論壇-后5G和6G天線系統(tǒng)技術(shù)演進(jìn)與創(chuàng)新”。本期論壇由中國(guó)工程院院刊Engineering和Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering (FITEE)、西安電子科技大學(xué)、天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天線系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同組織。

天線系統(tǒng)是移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分，為滿(mǎn)足后5G及6G系統(tǒng)中更高接入速率、更低接入時(shí)延、更廣更深的通信覆蓋等需求，未來(lái)天線系統(tǒng)迫切需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、微波計(jì)算、新材料應(yīng)用等方面不斷演進(jìn)和創(chuàng)新，以解決更大規(guī)模、更高頻段和更大帶寬以及更低功率和更小尺寸等挑戰(zhàn)，并掌握其天線傳播特性及測(cè)試等方面的新方法，加速其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和商業(yè)化進(jìn)程。

中國(guó)工程院院士、天線系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主席段寶巖

中國(guó)通信學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、秘書(shū)長(zhǎng)張延川

在此背景下，中國(guó)工程院信息與電子工程前沿論壇聚焦“后5G和6G天線系統(tǒng)技術(shù)演進(jìn)和創(chuàng)新”，針對(duì)后5G和6G天線系統(tǒng)前沿基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵共性技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等進(jìn)行深入研討。中國(guó)工程院信息與電子工程學(xué)部院士段寶巖、中國(guó)通信學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)和秘書(shū)長(zhǎng)張延川、浙江大學(xué)出版社社長(zhǎng)魯東明教授發(fā)表講話。

中國(guó)科學(xué)院院士崔鐵軍

中國(guó)科學(xué)院院士崔鐵軍表示，大規(guī)模天線陣列技術(shù)以及毫米波的全頻譜接入技術(shù)可以很好的實(shí)現(xiàn)5G時(shí)代大容量的移動(dòng)通信。不過(guò)，上述兩種技術(shù)面臨包括要使用大量射頻器件、系統(tǒng)復(fù)雜度高，成本高等問(wèn)題。因而如何盡量少用射頻器件、天線數(shù)目，同時(shí)減少成本，成為后5G以及6G時(shí)代的討論重點(diǎn)。為此崔鐵軍提出信息超材料的概念，進(jìn)行空間和時(shí)間的時(shí)空二維編碼，同時(shí)調(diào)控電磁波束和電磁頻譜，可以對(duì)不同頻譜的波束進(jìn)行調(diào)控，這樣可以做多通道無(wú)線通信。

澳大利亞工程院院士郭英杰

澳大利亞工程院院士郭英杰認(rèn)為，B5G時(shí)代，移動(dòng)通信將實(shí)現(xiàn)從地面到太空，無(wú)縫集成。因?yàn)槲磥?lái)的無(wú)線通信天線需要實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本、超帶寬、高增益、可重構(gòu)以及多波束等需求。對(duì)于此，郭英杰表示，由于其低成本和低能耗，模擬多波束天線可能會(huì)成為后5G系統(tǒng)的主要候選者，同時(shí)可重構(gòu)的漏波天線可以產(chǎn)生固定頻率的波束掃描和多波束，另外需要更多創(chuàng)新的解決方案來(lái)增加獲取可單獨(dú)掃描的多波束的靈活性。

新加披工程院院士陳志寧

新加披工程院院士陳志寧表示，移動(dòng)通信的天線技術(shù)從1G時(shí)代的全向天線，到2G時(shí)代的平面天線，到3G時(shí)代的多頻段天線，到4G時(shí)代的MIMO天線，再到5G時(shí)代的大規(guī)模陣列天線以及毫米波技術(shù)，那么往后的天線將向哪個(gè)方向演進(jìn)？陳志寧表示，未來(lái)的天線的材料勢(shì)必會(huì)從天然材料轉(zhuǎn)向超材料，超表面可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波偏振、振幅、相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調(diào)控。

東南大學(xué)教授洪偉

業(yè)界都說(shuō)，毫米波將成為5G時(shí)代的必經(jīng)之路，目前我國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)了24.75-27.5GHz和37-42.5GHz作為實(shí)驗(yàn)頻段。東南大學(xué)教授洪偉指出，目前基于大規(guī)模MIMO的5G毫米波技術(shù)已趨于成熟，關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證已基本完成，預(yù)計(jì)在2022年左右開(kāi)始商用。到了6G時(shí)代，毫米波將是星間鏈路、用戶(hù)鏈路、饋電鏈路的首選寬帶傳輸技術(shù)。SpaceX的Starlink主要采用了Ka和Q波段?？梢钥隙?，毫米波技術(shù)將是6G網(wǎng)絡(luò)最重要的支持技術(shù)之一。不過(guò)受限于半導(dǎo)體工藝特性，在太赫茲頻段，發(fā)射功率、接收機(jī)噪聲系數(shù)、制造難度、成本等都是應(yīng)用太赫茲需要突破的瓶頸。

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第14研究所首席科學(xué)家周志鵬

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第14研究所首席科學(xué)家周志鵬認(rèn)為，毫米波電子系統(tǒng)無(wú)論在軍事裝備或民用電子領(lǐng)域，都具有廣闊應(yīng)用前景，隨著技術(shù)發(fā)展，成本下降，毫米波系統(tǒng)將占據(jù)更多市場(chǎng)份額，甚至占據(jù)主導(dǎo)地位。與此同時(shí)，在移動(dòng)通信領(lǐng)域中，5G通信領(lǐng)域中的毫米波應(yīng)用發(fā)展?jié)摿薮?，特別是在“天地一體化”和6G概念所提出的立體多維信息網(wǎng)絡(luò)空間中，傳統(tǒng)反射面體制的電子設(shè)備在靈活性上遠(yuǎn)不如先進(jìn)相控陣體制，毫米波相控陣技術(shù)在替代此類(lèi)應(yīng)用方面，存在較大潛力。另外，隨著多功能需求的發(fā)展，通信與雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的融合也將進(jìn)一步加深，同時(shí)，毫米波通信技術(shù)嵌入大型雷達(dá)，用于替代有線傳輸將成為可能。

中國(guó)信息通信科技集團(tuán)有限公司陳山枝

中國(guó)信息通信科技集團(tuán)有限公司陳山枝博士提到，B5G主要是陸地與衛(wèi)星融合的移動(dòng)通信，通過(guò)5G陸地移動(dòng)通信與低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信融合而成。B5G能夠通過(guò)5G的低時(shí)延以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度定位。同時(shí)B5G將實(shí)現(xiàn)通信與計(jì)算、存儲(chǔ)的深度融合，降低時(shí)延，提升用戶(hù)體驗(yàn)以及系統(tǒng)業(yè)務(wù)支撐能力。另外，B5G將實(shí)現(xiàn)通信與雷達(dá)的融合，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，從而降低成本、功耗，提高探測(cè)準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)更全面的感知效果。而在6G方面，陳山枝認(rèn)為6G將融合陸地?zé)o線移動(dòng)通信、中高低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信以及短距離直接通信等技術(shù)，融合通信與計(jì)算、導(dǎo)航、感知、智能等技術(shù)，通過(guò)智能化移動(dòng)性管理控制，建立空、天、地海泛在移動(dòng)通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全球泛在覆蓋的高速寬帶通信。目前中國(guó)信科正在NR-V2X，6G以及基于5G的地面和衛(wèi)星綜合移動(dòng)通信領(lǐng)域開(kāi)展研究工作。

北京郵電大學(xué)教授張建華

北京郵電大學(xué)教授張建華表示，移動(dòng)通信從1G發(fā)展到5G離不開(kāi)無(wú)線信道的建模，信道研究的意義在于確定頻譜以及探索新技術(shù)。張建華指出，3.5GHz從研究到成為全球5G頻段經(jīng)歷了10余年，而通過(guò)對(duì)垂直維空域傳播特性的探索、建模和分析，促進(jìn)了3D MIMO技術(shù)從理論到應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。到了6G時(shí)代更是如此，不過(guò)由于6G無(wú)線信道數(shù)據(jù)量急劇增加，各維度跨度大，建模復(fù)雜度也會(huì)提高。為了支撐6G潛在的技術(shù)研究和應(yīng)用，基礎(chǔ)性的是要探索和掌握信道的特性和模型。在張建華看來(lái)，B5G/6G信道研究應(yīng)該重點(diǎn)傾向于太赫茲信道、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道、空天地一體化信道以及智能化信道建模方法。

西安電子科技大學(xué)教授劉英

西安電子科技大學(xué)教授劉英指出，5G時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)，人工智能，智慧城市等應(yīng)用場(chǎng)景離不開(kāi)大容量的需求，同時(shí)4K/8K超高清視頻，AR/VR應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，使得人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的需求。利用MIMO技術(shù)，能夠有效提高信道容量和頻譜利用率，同時(shí)不需要使用額外的頻譜資源以及增加發(fā)射功率。當(dāng)然在MIMO設(shè)計(jì)層面，需要滿(mǎn)足尺寸緊湊，高隔離度，低ECC以及減少外部去耦結(jié)構(gòu)使用的需求。針對(duì)這些需求，西安電子科技大學(xué)提出了基于共享口徑模塊多天線設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論研究和測(cè)試驗(yàn)證。

清華大學(xué)教授陳文華

眾所周知5G時(shí)代，基站能耗大一直是困擾運(yùn)營(yíng)商建網(wǎng)的一大問(wèn)題。清華大學(xué)教授陳文華從能耗的角度，闡述了功率放大器（PA）仍然對(duì)發(fā)射器效率起主要作用，必須不斷提高平均效率。另外，Doherty拓?fù)湓?G大規(guī)模MIMO發(fā)射器架構(gòu)中仍然具有強(qiáng)大的潛力。同時(shí)功放模塊或FEM將在5G massive MIMO中的數(shù)十個(gè)通道中流行。而為了提高整體效率，可以考慮權(quán)衡系統(tǒng)級(jí)別的效率和線性度，同時(shí)必須發(fā)明新穎的DPD線性化技術(shù)以降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

北京理工大學(xué)教授胡偉

北京理工大學(xué)教授胡偉東認(rèn)為，太赫茲科學(xué)和技術(shù)可以被廣泛的應(yīng)用到天文觀測(cè)、大氣遙感、軍事應(yīng)用、6G通信、汽車(chē)?yán)走_(dá)、安全成像和生物醫(yī)療。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，太赫茲通信技術(shù)正從實(shí)驗(yàn)室階段在向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)型。目前，飛行器艙內(nèi)高速WLAN和高速總線、飛行器間鏈路及行星原位鏈路受到美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家持續(xù)關(guān)注，太赫茲列入規(guī)劃頻段。同時(shí)，太赫茲部件正向單片集成化發(fā)展，尤其是220GHz以上部件，太赫茲頻段的半導(dǎo)體仍以GaAs和InP等第二代半導(dǎo)體為主。另外，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始在更高頻段（0.5THz）以上頻段開(kāi)展通信實(shí)驗(yàn)，嘗試單片系統(tǒng)等，通信頻譜搶占日超白熱化。需要指出的是，太赫茲空間通信技術(shù)定點(diǎn)通信技術(shù)狀態(tài)已經(jīng)趨于成熟，需要進(jìn)一步解決波束自適應(yīng)跟蹤和捷變控制問(wèn)題。

北京郵電大學(xué)教授姚遠(yuǎn)

北京郵電大學(xué)教授姚遠(yuǎn)表示，毫米波和太赫茲在軍事和明用方面有著廣泛的用途，但是相應(yīng)的在天線測(cè)量方面挑戰(zhàn)重重。為此，北京郵件大學(xué)自主設(shè)計(jì)和搭建的一套可工作在毫米波太赫茲頻段下的緊縮場(chǎng)天線測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)可以獲得實(shí)時(shí)的系統(tǒng)位置參數(shù)，通過(guò)一系列穩(wěn)向、同步與校準(zhǔn)技術(shù)，保證測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。為5G毫米波甚至是6G的天線測(cè)量需求進(jìn)行了技術(shù)儲(chǔ)備。

北京航空航天大學(xué)教授王正鵬

北京航空航天大學(xué)教授王正鵬表示，5G甚至是未來(lái)的B5G和6G對(duì)射頻和天線提出全新的需求，也就對(duì)射頻和天線測(cè)量提出了全新的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，為了滿(mǎn)足測(cè)量需求，國(guó)內(nèi)外各大廠商出現(xiàn)了多種基站天線相關(guān)OTA測(cè)量系統(tǒng)，各家形式不同，分別基于不同的空口測(cè)量技術(shù)。王正鵬介紹，國(guó)外廠商產(chǎn)品多成完整系列和完整系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品以單品為主，影響力較低。為此，北京航空航天大學(xué)在空口測(cè)量領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，研制適用于Sub6G研發(fā)階段平面波模擬器，研制適用于基站產(chǎn)線的平面波模擬器以及研究基于球形探頭墻的信道仿真環(huán)境，并取得顯著成績(jī)。

5G已來(lái)，熱面向未來(lái)的B5G以及6G的天線與射頻技術(shù)，在本次論壇上，各位專(zhuān)家學(xué)者分別給出了相應(yīng)的研究成果以及思考，在提出前沿基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵共性技術(shù)的同時(shí)，也是在為未來(lái)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用鋪路。?
責(zé)任編輯；zl