6G近场通信应用场景（下）

6G近场通信应用场景（下）

导读：6G通信技术正在从理论走向实践，其中近场通信作为6G的重要应用场景之一，展现出巨大的潜力。本文将从通感一体化、无线定位、信能同传、物理层安全、使能海量接入以及片上无线通信等多个维度，深入探讨6G近场通信的技术原理与应用前景。

通感一体化

除了大容量通信之外，下一代无线网络还有望实现高精度的感知，因此通信与感知的一体化（integrated sensing and communication，ISAC）技术也吸引了学术界与工业界广泛的研究兴趣。与传统的无线定位和信道估计相比，无线感知依赖于无源目标反射的回波信号，而不是有源设备发送的导频信号。目前，许多已有的调制波形被证明可以应用于无线感知中，例如正交频分复用（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）和正交时频空间（orthogonal time frequency space，OTFS），这说明感知功能可以被无缝集成到现有的无线通信网络中。

在远场感知中，增加天线阵列的尺寸往往只能提高角度估计的分辨率，而距离和速度的分辨率主要依赖于信号带宽和感知持续时间。但在近场区域内，球面波传播使得大规模天线阵列可以用于估计物体间距离和移动速度。一方面，即使在有限带宽内，近场信道仍然能够有效地包含距离信息，提高窄带系统中的距离估计分辨率。另一方面，目标速度的估计依赖于多普勒频率的估计。与远场感知相比，近场感知从不同方向观测目标大规模天线阵列中相距较远的两个天线，可能具有明显不同的多普勒频率，因此可增强对移动速度的估计，如图1所示。近场效应具有在时频资源受限的情况下促进高精度感知的潜力。因此，近场通感一体化是一项极具前景的技术。

图1 近场ISAC系统

无线定位

在传统的远场通信系统中，基于平面波假设，主要通过估计信号在目标处的到达角和到达时间，来获取目标的相对于接收点的角度和距离信息，远场通信系统需要部署多个接收点作为定位锚点，根据多个锚点的角度和距离信息，估计定位目标的三维坐标。为了获得更加准确的角度和距离信息，远场通信系统通常需要配置较大带宽的测量信号。除利用距离和角度外，利用接收信号的特征作为指纹进行定位也是一种常见的定位方法。在近场中，基于球面波模型，天线阵列中不同区域的天线单元的信号在目标处的到达角是不同的。利用这种波束汇聚的信号传输特性，近场通信系统通过天线阵列不同区域信道角度的差异来进行目标定位，从而降低了对测量信号带宽的需求，如（通过ELAA、RIS和分布式MIMO等多种形式提供近场的高精度定位服务）图2所示。同时，大规模天线阵列的部署有利于进一步增强角度分辨率，并在近场区域内提供额外的距离分辨率，有利于实现6G移动通信中的高精度定位。

图2 近场定位示意图

近场通信系统的定位过程与传统的远场通信系统在信号系统、信道模型和定位原理等方面都有所不同。二者属于异构定位网络。因此，需要在远场和近场通信系统之间建立异构定位网络融合算法，以确保无缝定位服务。异构定位网络的融合依赖于定位精度估计算法的实现。对于包括近场通信系统在内的区域定位系统，定位精度算法可以发展为可用性估算，以支持异构定位系统之间两种不同的互操作模式：“软融合”和“硬切换”。

信能同传

近场通信中能够实现汇聚的高指向性点波束，将波束的目标区域集中在目标设备附近，从而将射频信号的能量聚集到物联网设备的能量收集节点。利用近场的波束聚焦特性和高精度的位置信息，能够显著提高无线能量传输的效率，减少传输过程中的能量浪费。在室内场景或者基站天线规模受限的场景中，无线通信系统可以通过智能超表面来构建近场信道，将家庭基站的信号能量汇聚到能量收集节点。另外，在近场通信系统中，超大规模天线阵列可以基于球面波模型的无线信道在近场范围内获得更高的空间分辨率，使得基站可以支持更高密度的数能同传（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT）终端。SWIPT允许设备从射频波中收集能量并将其转换为电能，将能量储存到设备的电池中，最大限度地延长设备的使用寿命，是解决能源有限问题的新方案。

左图：使用波束转向的远场安全通信 右图：基于波束聚焦的近场安全通信
图3 近场无线传能示意图

物理层安全

由于无线通信的天然广播特性和移动特性，这使得网络中合法用户的通信很容易遭到非法用户的窃听和攻击，安全传输一直都是无线通信中一个重要的问题。在远场通信中，如果窃听者与合法用户处于同一方向，尤其是当窃听者距离基站更近时，安全传输将难以实现。

与远场通信里波束赋形的方向聚焦性不同，在超大规模阵列辅助的近场通信中，基站形成的波束具有强大的位置聚焦性。这一性质使得发送信号的能量可以聚集在合法用户的位置上而不仅是合法用户的方向上，有效减少了信息在窃听用户位置的泄漏，提升了系统的安全信道容量。通过对基站波束聚焦的优化设计，可以充分挖掘近场通信在增强物理层安全方面的潜力。

左图：使用波束转向的远场安全通信 右图：基于波束聚焦的近场安全通信
图4 波束聚焦使能近场安全通信

使能海量接入

多址技术联合时域、频域、码域以及空域进行资源分配，实现传输资源的高效利用，是提高下一代无线网络传输速率的关键。在5G大规模MIMO系统中，空分多址（Spatial DivisionMultiple Access，SDMA）利用角度域的正交资源实现了不同用户的区分；非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技术则进一步允许多个用户复用相同的资源块，并从功率域或码域消除用户干扰；而无用户标识随机接入通过接入资源（如码字）的竞争机制，节约了大规模机器类通信（massive Machine-Type Communications，mMTC）中用户短包随机接入所需的资源开销。

与空分多址等技术中所采用的远场传输模型相比，近场传输模型具有“角度-距离”二维聚焦的特性以及更大的空间自由度，使得空域资源大大增加。因此，将近场传输特性应用于多址技术设计，将更加有利于服务海量用户接入需求，进一步提升系统频谱效率。

图5 近场多址接入示意图

片上无线通信

片上无线通信（On-chip Wireless Communications）是指利用片上天线或近场耦合等无线互联方式，实现芯片间或芯片内不同模块间的数据交换和无线通信，其传输距离通常小于1cm，具有低损耗、高传输速率、高集成度等优点。片上通信应用场景非常广泛，如在物联网（LoT）领域，可以实现智能芯片、智能设备、可穿戴设备的互联互通，大大提高通信效率，减少布线复杂度，但存在芯片面积成本增加、安全隐私泄露、功耗增加等限制。然而当工作频率上升到毫米波/太赫兹频段，片上天线尺寸大大缩小，芯片面积也大为减小；且收发芯片间距离近，无线通信对信号功率要求显著降低；同时高频信号定向性好，使得信息传输的安全可靠性明显提升，这大大降低了片上无线通信系统的设计难度。

相较于传统的有线通信方式，采用无线通信方式可避免由传输线所引入的高延迟、高串扰、有限带宽及寄生效应等缺点。如图6，通过在芯片中集成片上天线，信号传输方式由传统的有线传输，优化为片内和片间的无线通信，从而形成了具有灵活架构的片上网络，避免了有线互联布局的限制。

此外，片上无线通信对于系统级芯片不同芯粒（Chiplet）之间的信号传递有重要作用。如图7所示，通过异质异构集成形成片上系统（System-on-a-chip，SoC）时，由于结构不同、半导体材料不同，使得芯粒间的高频互联变得困难，利用传统的引线键合等方式会严重恶化信号完整性，利用片上无线通信的方式可实现芯粒和芯粒间的高速、高带宽的异质异构集成互联，还可以有效地提高大规模异构系统的通用性。

图6 利用天线的片内和片间通信

图7 不同半导体材料的芯片间的无线互联

另外，由于片上无线通信利用了片上天线的辐射效应或者近场耦合效应，使其不再受制于传统有线互联而导致的一对一数据传输模式，在数据传输方面，它有更高的灵活性和适应性，能够进行一对多的传输，为实现高密度的设备连接和海量设备之间的数据交换提供支持，因此为单片多核处理器的设计提供了更多的可行性，如图8所示。

图8 使用片上无线通信技术的单片多核处理器

综上所述，片上无线通信可广泛应用于各种移动设备和嵌入式系统中，如智能手机、平板电脑、智能手表、物联网设备等，提高通信设备的性能。片上无线通信应用于6G，可降低通信时延，提供更快速的数据传输能力，提高通信系统的实时性和能量效率。高速高效的片上通信为未来6G无线通信系统、太赫兹集成电路以及芯片间通信互联提供了可行方案。