通信行业：6G毫米波非对称大规模阵列架构白皮书

I 摘要 1864 年，英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在安培环路定律、法拉第电磁感应定律和高斯定理的基础上，通过引入位移电流的概念，建立了著名的麦克斯韦方程组，并根据其在自由空间中的解，首次从理论上预测了电磁波的存在。1888 年，德国物理学家赫兹（Heinrich Hertz）通过实验成功验证了电磁波的存在，为无线电技术奠定了基础。1895 年，意大利发明家马可尼（Guglielmo Marconi）实现了人类历史上的首次无线电通信，开启了无线通信的新纪元。20世纪 50 年代至 70 年代是移动通信的起步阶段，首批商用无线电话系统开始出现，例如美国的 AMPS 系统（Advanced Mobile Phone System，模拟蜂窝系统），该系统于 1973 年首次投入商用，标志着移动通信进入实用化阶段。20 世纪 80 年代至今，数字移动通信逐渐成为主流，移动通信技术经历了从 1G~4G 的迭代升级，目前已进入 5G 时代。与此同时，6G 技术的研究与标准制定也在全球范围内如火如荼地展开。 从麦克斯韦的理论预言到赫兹的实验验证，再到马可尼的无线电通信实践，以及现代移动通信技术的飞速发展，无线通信技术的演进不仅深刻改变了人类的生活方式，也为全球信息化进程提供了强大的技术支撑。通信技术的演进史本质上是多维资源（频域、时域、空域、码域）持续开发与整合的过程。在技术代际变迁中，4G 时代成为重要分水岭：此前无线通信主要采用单输入单输出（SISO）架构，而 4G 时代则全面转向多输入多输出（MIMO）技术范式。在 SISO 系统中，信道容量遵循香农定理约束，其提升路径主要受限于两大物理瓶颈：一是频谱资源制约下的带宽扩展，二是器件工艺限制下的信噪比提升。MIMO 架构突破性地引入了第三维度增益－通过多数据流空间复用，在同等频谱资源条件下实现系统容量数量级跃升。传统 MIMO 系统的实现基于独立射频通道与天线单元，其设计原则强调天线间距尽可能大以降低信号相关性。通过空间信道矩阵实现信号交叉，接收端通过分集合并提升信噪比，或通过空间复用倍增数据流，前者优化传输可靠性，后者大幅提升系统容量。5G 引入了大规模 MIMO（Massive MIMO）系统架构。这时，各个射频通道和天线单元之间不再是独立的，而是作为一个阵列，天线单元之间的间距通常约为二分之一波长，通过在空间产生多个高增益窄II 波束实现多个高速数据流的传输，以大幅提高系统容量。面向 6G 时代 100Gbps+的超高速率需求，技术演进呈现双轨突破：在频谱维度向毫米波（mmWave）甚至太赫兹（THz）频段延伸，突破传统 sub-6GHz 频谱的资源瓶颈；在空域维度采用大规模有源一体化阵列，通过同时生成数百个波束实现超大规模空间复用。因此，毫米波与太赫兹大规模阵列技术将成为未来无线通信系统的核心使能技术。 实现毫米波与太赫兹大规模波束成形阵列的方法有很多，大致可分为三类：模拟波束成形阵列技术、数字波束成形阵列技术和混合波束成形阵列技术。其中模拟波束成形阵列包含无源波束成形阵列和有源波束成形阵列两类分支，后者又可细化为射频移相、中频移相及本振移相等技术路径。数字波束成形阵列则又可分化出对称与非对称全数字阵列架构。混合波束成形阵列则可衍生出各种细化的阵列架构，典型的如：射频移相相控子阵与数字域波束成形相结合的混合波束成形阵列架构、无源波束成形网络与数字域波束成形相结合的混合多波束阵列架构等。目前，5G 毫米波基站采用的主要是射频移相相控子阵与数字域波束成形相结合的混合波束成形大规模 MIMO 阵列架构，其每个二维毫米波相控子阵连接一路上下变频器，然后在数字域再进行一次波束成形，这将导致波束调控自由度受限。因此实际部署中常舍弃数字域波束成形环节，以保持每个子阵波束的独立调控能力，但会导致每个波束仅能获得子阵增益，无法获得全口径增益。值得注意的是，全数字波束成形阵列（含对称/非对称架构）具备支撑数十至数百个并发数据流的能力，这将带来系统容量的数量级提升。尽管从性能上讲，对称全数字波束成形阵列架构是所有波束成形阵列中最佳的阵列架构，但其瓶颈问题有：大量高速 ADC、海量数据的实时处理导致系统成本、功耗和复杂度偏高。为了克服上述对称全数字大规模波束成形阵列架构的成本、功耗和复杂度等瓶颈问题，东南大学洪伟教授团队于 2018 年提出了非对称全数字大规模波束成形阵列架构，在逼近对称全数字波束成形阵列架构性能的同时，大幅度降低了系统复杂度和成本，是一种次优的大规模波束成形阵列架构，有望成为支撑实现 6G 通信愿景的重要核心技术。 本白皮书将介绍毫米波非对称波束成形阵列架构、关键技术和系统验证方面的研究进展，期望能对从事毫米波与太赫兹技术领域的学者、工程师和学生有所裨益。 III 目录 摘要 ............................................................................................................................... I 一、绪论 ....................................................................................................................... 1 二、 毫米波太赫兹大规模波束成形阵列架构 ......................................................... 5 2.1 模拟域波束成形阵列..................................................................................... 6 2.2 数字域波束成形阵列..................................................................................... 7 2.3 混合域波束成形阵列..................................................................................... 8 2.4 5G 毫米波混合域波束成形阵列架构 ............................................................ 8 2.5 最优和次优波束成形阵列架构[25] .............................................................. 10 2.5.1 最优波束成形阵列架构——对称全数字波束成形阵列................ 10 2.5.2 次优波束成形阵列架构——非对称全数字波束成形阵列............ 11 三、 毫米波非对称全数字大规模波束成形阵列 ...................................................