2.2 增强型无线空口技术

以前每一代无线通信技术，基本上都是依赖无线空口技术的进步，提升了无线传输的速率。5G无线空口主要从技术挖潜中获利，LDPC码最早在1962年由麻省理工学院的Gallager在其博士论文中提出，1981年Tanner给出了LDPC码的图，从那时算起到现在已有40多年历史。

2008年，土耳其的阿里坎教授首次提出Polar码并发表了论文，到2016年被3GPP采纳为5G控制信道编码标准。1908年，马可尼就提出了用MIMO技术来抵抗信号的衰落，1995年，Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量，1998年，贝尔实验室建立了MIMO实验系统，到5G采用大规模MIMO，也经历了20多年。得益于大规模集成电路技术与算法的进步，5G做了将前人的理论工程化实现的工作。

5G在无线空口上并未出现明显的颠覆性技术贡献，5G曾经也希望形成颠覆性技术，但后来急于标准化就没有着力深入从基础理论研究做起了。5G将多年积累的大规模天线技术与新型信道编码技术加以应用，但看不到还有什么具有很大潜力的无线空口技术储备留给6G。虽然Massive MIMO还可以继续增加波束数，但效率不是成比例增加的，而且蜂窝半径还会越来越小。

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、极低的时延和超高的容量密度，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网络趋势有进一步的增强和延续，5G网络本身所具有的特性包括高速率、绿色节能、智能便捷和泛在覆盖等。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。

扩展频谱到毫米波、采用非蜂窝架构、采用轨道角动量技术、从被动躲开干扰到主动消除和利用干扰等想法很好，但都有不少限制，难以在空口技术上有非常明显的突破。显然6G不仅需要在无线物理层技术上继续努力，还需要更多关注网络技术创新。

为了更好地达成智能互联时代的各大目标，6G空口设计需要革命性的突破，实现设计理念上的范式转变，如图2-1所示。包括无线空口物理层基础技术、超大规模MIMO技术、带内全双工技术。

6G应用场景更加多样化，性能指标更为多元化，为满足相应场景对吞吐量/时延/性能的需求，需要对空口物理层基础技术进行针对性的设计。在调制编码技术方面，需要形成统一的编译码架构，并兼顾多元化通信场景需求；在新波形技术方面，需要采用不同的波形方案设计来满足6G更加复杂多变的应用场景及性能需求；在多址接入技术方面，非正交多址接入技术将成为研究热点，并将从信号结构和接入流程等方面进行改进和优化。

超大规模MIMO技术是大规模MIMO技术的进一步演进升级，它可以在更加多样的频率范围内实现更高的频谱效率、更广更灵活的网络覆盖、更高的定位精度和能量效率。

带内全双工技术通过在相同的载波频率上，同时发射、同时接收电磁波信号，与传统的FDD、TDD等双工方式相比，不仅可以有效提升系统频谱效率，还可以实现传输资源更加灵活的配置。

2.2.1 无线空口物理层基础技术应用

6G应用场景更加多样化，性能指标更为多元化，为满足相应场景对吞吐量/时延/性能的需求，需要对空口物理层基础技术进行针对性的设计。6G智能空口设计结合了模型和数据双驱动的AI能力，以满足不同用户对空口的个性化优化需求。智能空口可以根据UE的特点来定制传输方案和参数，在不牺牲系统容量的前提下，提升体验。智能空口还可以灵活扩展，支持接近零时延的URLLC服务。简单、高效的信令机制也最大限度减少了信令开销和时延。

通信技术的发展离不开物理层的创新。6G的新场景和应用所需要的超高速率，超大容量，极高的可靠性和极低的时延，都必须建立在物理层可能提供的链路和系统容量之上。预期6G的底层将采用一系列新技术，包括新型工艺和材料、新型器件、新频段（太赫兹）、新型双工复用方式、新型电磁波传播方式。除了传统的低频段和5G开始采用的毫米波，6G会扩展到更高的频段，包括太赫兹（0.1～10THz）和可见光，以获取更高的带宽，更大的复用系数和容量。而新频谱的引入，必将带来材料、工艺和器件的创新。全双工的使用，可操控的信道环境和新型电磁波传播模式，又引入更多的自由度，以提高链路和系统容量。同时在相对传统的领域，包括波形、编码与调制、多址接入和天线技术等方面，也将突破4G/5G的局限，更加逼近香浓极限，同时为新的部署场景和使用需求提供支持和便利。人工智能的广泛使用，更是对传统物理层设计的一次挑战，必将带来革命性的创新。

在调制编码技术方面，需要形成统一的编译码架构，并兼顾多元化通信场景需求。例如，极化（Polar）码在非常宽的码长/码率取值区间内都具有均衡且优异的性能，通过简洁统一的码构造描述和编译码实现，可获得稳定可靠的性能。极化码和准循环低密度奇偶校验（LDPC）码都具有很高的译码效率和并行性，适合高吞吐量业务需求。

（1）信道编码

传统信道编码的设计目标是无限逼近单链路信道的香农极限。为了增加系统容量并提供更多连接，需设计针对多用户且适应非正交多址接入的信道编码。LDPC码具有较低的编解码复杂度和较高的设计灵活性，在广播、卫星通信、Wi-Fi、5G和存储领域广泛应用。近年来提出的多用户MU-LDPC编码可以适用于非正交多址接入系统。区别于传统的二元域信道编码，为了提高衰落信道下和高信噪比场景下的信道编码的鲁棒性，可以考虑多进制编码，例如多进制LDPC和多进制低密度格码（Low-Density Lattice Code）[12]等。另一方面也可以考虑对5G Polar码、LDPC编码和4G Turbo码的进一步增强，以适应6G新场景。例如对短码性能的增强，用于提高不同场景下控制信道和业务信道的鲁棒性。

（2）信号调制

由于调制解调实现复杂度较低，基于均匀星座点分布的QAM调制广泛应用于4G、5G移动通信系统，但是与最优的高斯星座相比，QAM调制至少有0.53dB的性能损失。与QAM调制相比，APSK调制对非线性PA更具鲁棒性，而且对高频信号的相位噪声不太敏感，同时考虑到移动系统会逐渐向更高频段扩展，因此在6G移动通信系统中可以考虑APSK等非均匀星座调制。

为避免符号间干扰（ISI），传统的通信系统的码元速率不能超过奈奎斯特速率。2013年，Mazo首次提出了超奈奎斯特（FTN）传输技术，并证明了在码元速率超过奈奎斯特速率的25%以内时，传输信号的欧氏距离并不会减小，因此人为引入的ISI在提高系统频谱效率的同时，并未恶化系统的差错概率性能。李道本教授提出了重叠复用原理，并给出了基于重叠复用原理的重叠时分复用OVTDM信号传输模型，如图2-2所示。从信号传输模型可以看出，与奈奎斯特传输系统相比，码元速率提高了K倍，系统的频谱效率也相应提高了K倍。李道本教授同样证明了OVTDM在没有扩展信号带宽的条件下，系统容量可以超越奈奎斯特系统的香农信道容量。

FTN系统和OVTDM系统都是通过人为引入ISI的方式提高码元传输速率，从而提高系统的频谱效率，相应的代价是接收机复杂度较高。例如对于单载波OVTDM系统，接收机需要利用复杂度较高的最大似然序列检测（MLSD）算法来恢复信号；当OVTDM和OFDM调制相结合时，会引入额外的子载波间干扰（ICI）。因此低复杂度的接收机算法是FTN和OVTDM应用首要解决的问题。

在新波形技术方面，需要采用不同的波形方案设计来满足6G更加复杂多变的应用场景及性能需求。例如，对于高速移动场景，可以采用能够更加精确刻画时延、多普勒等维度信息的变换域波形；对于高吞吐量场景，可以采用超奈奎斯特（FTN）系统、高频谱效率频分复用（SEFDM）和重叠X域复用（OVXDM）等超奈奎斯特系统来实现更高的频谱效率。

由于极简的收发机结构和灵活的资源分配方式，OFDM波形深入应用在4G和5G系统中。上行则采用DFT-s-OFDM波形来降低发射机PAPR（峰值平均功率比）。为了降低带外辐射，同时保证单用户信号能量在时域频域的集中，5G标准化初期提出了不同的OFDM和DFT-s-OFDM的变种，但最终没有反映在空口协议里，可以由厂家自己实现。考虑到太赫兹等超高频段的引入，信号的数字化处理会更具挑战，模拟信号处理会显得尤为重要，还需要考虑更严重的相位噪声，更严格的峰均比，此时需要全新的信号波形设计。

在多址接入技术方面，为满足未来6G网络在密集场景下低成本、高可靠和低时延的接入需求，非正交多址接入技术将成为研究热点，并将会从信号结构和接入流程等方面进行改进和优化。通过优化信号结构，提升系统最大可承载用户数，并降低接入开销，满足6G密集场景下低成本高质量的接入需求。通过接入流程的增强，可满足6G全业务场景、全类型终端的接入需求。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。要进一步提高频谱效率，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）。

多址接入技术决定了网络容量和系统基本性能，正交多址接入不仅可以避免用户间干扰，同时接收机复杂度较低，因此在1G到5G系统中得到了广泛采用。相比于正交多址接入，非正交多址接入（NOMA）通过功率域或编码域的复用，允许不同用户占用相同的时间、频率和空间资源进行数据传输，能够更加逼近系统内在的容量，可以满足6G系统的高速、海量连接需求。

5G NR Rel-16对上行多种NOMA技术进行了较为全面的评估，包括多种NOMA方案的收发机复杂度，以及不同方案在同步和非同步场景下的系统性能。遗憾的是，由于各家公司NOMA方案的复杂多样性，最终没能在5G中标准化，但是相关的评估结果在6G中依然有参考价值，候选方案可以在6G场景中进一步评估和调研。

对于下行多址而言，脏纸编码理论指出，在发射机已知信道和干扰的条件下，通过发射机信号预处理可以实现多用户无干扰传输，从而提升系统容量。THP预编码是一种实用的脏纸编码，基站通过合理调度，可以在发射端进行多用户下行预干扰消除，终端采用单用户接收机即可实现无干扰传输。另一种方式是功率域叠加编码配合干扰消除接收机，4G LTE系统在Rel-13版本中引入了多用户叠加传输（Multi-user Superposition Transmission, MUST）技术，基站调度一个远用户（低SNR）和一个近用户（高SNR）通过星座叠加在功率域进行下行传输复用，终端采用干扰消除接收机即可恢复出信号。与正交传输相比，系统吞吐量大约有30%左右的提升。考虑到6G通信系统对低成本和低复杂度终端的支持，6G系统可以在下行考虑多用户THP预编码来提升系统容量。

2.2.2 超大规模MIMO技术应用

超大规模MIMO技术是大规模MIMO技术的进一步演进升级。天线和芯片集成度的不断提升将推动天线阵列规模的持续增大，通过应用新材料，引入新的技术和功能（如超大规模口径阵列、可重构智能表面（RIS）、人工智能和感知技术等），超大规模MIMO技术可以在更加多样的频率范围覆盖，同时拥有更高的定位精度和更高的能量效率。超大规模MIMO技术具备在三维空间内使用的能力。

超大规模MIMO技术将传统MIMO天线阵列的思想发挥到了极致，通过最小化天线单元的尺寸和间距，并将无限个天线单元以空间连续的TX和RX孔径的形式集成到有限的表面积中。它可以看作是光学全息技术的射频模拟，即在一个连续的有限区域内记录和处理无线电信号的电磁场。可以通过将大量有源天线以分数波长天线间距紧密地封装在一个小区域内实现；或者采用可编程超表面来实现。

使用“连续”孔径，可以获得比传统大规模MIMO技术更高的空间分辨率，为每个用户形成更细的波束，几乎可以完全消除用户间的干扰。超大规模MIMO技术还可以在非常宽的频率范围内消除任何不需要的旁瓣，从而在微波到太赫兹范围内重复使用相同的天线孔径。超大规模MIMO技术可以集成到一个大的表面，如墙壁或广告牌。

波束调整的能力，除地面覆盖之外，还可以提供非地面覆盖，如覆盖无人机、民航客机甚至低轨卫星等。随着新材料技术的发展，以及天线形态、布局方式的演进，超大规模MIMO技术将与环境更好地融合，进而实现网络覆盖、多用户容量等指标的大幅度提高。分布式超大规模MIMO技术有利于构造超大规模的天线阵列，网络架构趋近于无定形网络，有利于实现均匀一致的用户体验，获得更高的频谱效率，降低系统的传输能耗。

此外，超大规模MIMO阵列具有极高的空间分辨能力，可以在复杂的无线通信环境中提高定位精度，实现精准的三维定位；超大规模MIMO的超高处理增益可有效补偿高频段的路径损耗，能够在不增加发射功率的条件下提升高频段的通信距离和覆盖范围；引入人工智能的超大规模MIMO技术有助于在信道探测、波束管理、用户检测等多个环节实现智能化。

超大规模MIMO所面临的挑战主要包括成本高、信道测量与建模难度大、信号处理运算量大、参考信号开销大和前传容量压力大等问题。此外，低功耗、低成本、高集成度天线阵列及射频芯片是超大规模MIMO技术实现商业化应用的关键。

2.2.3 全双工技术应用

传统双工模式包括TDD（时分双工）和FDD（频分双工），它们用来避免发射机信号对接收机信号在时域或频域上的干扰。全双工通信又称为同频双向同时通信，也就是通信的双方可以在相同的时间相同的频率发送和接收信息的信息交互方式。相对于传统双工通信链路，全双工通信技术能够在理论上将系统频谱效率提高一倍。它消除了TDD和FDD系统帧格式的差异，为更加灵活的帧格式配置提供基础。全双工通信支持传输数据的同时接收反馈信息，缩短了无线空口时延。基于高容量、低时延，灵活帧结构配置的优点，全双工通信在蜂窝网络、中继网络和物联网领域都有广阔的应用。

当发射机发送信号时，其中的部分能量会被工作在相同频率的自身接收机收到，这就是自干扰问题。如果发射机和接收机距离较近，发射信号的能量可能会比接收到的信号能量高很多。为了实现全双工通信，自干扰问题必须解决。在接收机上进行自干扰消除需考虑非线性干扰，接收机饱和度、振荡器的相位噪声、I/Q支路不平衡等问题。常见自干扰技术包括天线自干扰技术、射频自干扰技术、数字自干扰技术等。它们可以联合使用进行多级干扰消除，达到更好的效果。自干扰算法的选择与天线配置、系统工作频率、信号带宽、发射天线功率等参数相关。自干扰技术保证了单节点的全双工通信。为了实现多节点之间的全双工通信，还需要进一步增强无线MAC协议和调度机制。

除了自干扰消除、MAC协议和调度机制增强设计，全双工技术还需要考虑和现有双工技术结合及现有通信协议兼容的问题。这样通过将部分传统双工通信设备替换为全双工通信设备，就可实现系统的平滑过渡切换。

带内全双工技术通过在相同的载波频率上，同时发射、同时接收电磁波信号，与传统的FDD、TDD等双工方式相比，不仅可以有效提升系统频谱效率，还可以实现传输资源更加灵活的配置。

全双工技术的核心是自干扰抑制，从技术产业成熟度来看，小功率、小规模天线单站全双工已经具备实用化的基础，中继和回传场景的全双工设备已有部分应用，但大规模天线基站全双工组网中的站间干扰抑制、大规模天线自干扰抑制技术还有待突破。在部件器件方面，小型化高隔离度收发天线的突破将会显著提升自干扰抑制能力，射频域自干扰抑制需要的大范围可调时延芯片的实现会促进大功率自干扰抑制的研究。在信号处理方面，大规模天线功放非线性分量的抑制是目前数字域干扰消除技术的难点，信道环境快速变化的情况下，射频域自干扰抵消的收敛时间和鲁棒性也会影响整个链路的性能。