6G 潛在關鍵技術 (上冊)

隨著5G商用部署的穩步推進，6G的研究正在如火如荼地展開。目前業界已經對6G的場景與需求進行了研究與探討，並初步達成共識，認為6G將實現數字孿生、智能泛在的願景，在峰值速率、時延、連接密度、可靠性、頻譜效率和定位能力等方面將遠超5G，給人們的生活和出行帶來前所未有的體驗。本書為上、下兩冊，上冊共10章。第1章介紹了6G研究的概況，包括發展願景、驅動力、垂直服務與各國研究現狀，第2章介紹了6G用例與性能指標，第3章介紹了6G通信的頻譜，第4章介紹了6G面臨的挑戰與潛在關鍵技術，第5章介紹了編碼、調制與波形，第6～10章介紹了空間資源利用技術，包括OAM、RIS、MIMO、Cell-Free與全息技術。本書對6G潛在關鍵技術進行了詳細介紹，可供在無線通信、電腦科學等相關領域開展6G關鍵技術研究的學術界、教育界、產業界等相關人員閱讀、參考。

□□章概述1
1．1 歷史回顧1
1．1．1 從蒸汽時代到互聯網時代1
1．1．□ 1G到5G的發展□
1．□ 6G發展驅動力5
1．□．1 5G的限制5
1．□．□ 宏觀驅動力6
1．3 6G總體願景8
1．4 6G未來垂直服務9
1．4．1 面向□030年的工業4．0+的服務9
1．4．□ 面向□030年的移動運輸服務10
1．4．3 面向□030年的電子健康服務11
1．4．4 面向□030年的金融服務11
1．5 全球6G研究進展11
1．5．1 6G標準化組織11
1．5．□ 各國進展13
參考文獻16
第□章6G用例與指標18
□．1 6G服務的演進18
□．□ 6G用例□0
□．□．1 全息通信□1
□．□．□ 沉浸式XR□□
□．□．3 觸覺網絡□3
□．□．4 數字孿生□4
□．□．5 工業4．0+□5
□．□．6 互聯機器人自主系統30
□．□．7 智能運輸系統31
□．□．8 無人機技術31
□．□．9 新型智慧城市群3□
□．□．10 智能醫療3□
□．□．11 無線腦機交互33
□．□．1□ 全球連接和集成網絡33
□．3 6G的指標34
□．3．1 數據傳輸速率36
□．3．□ 超低延遲36
□．3．3 極高的可靠性37
□．3．4 定位能力37
□．3．5 覆蓋能力37
□．3．6 頻譜效率38
□．3．7 能量效率38
□．3．8 計算性能39
□．3．9 安全能力39
□．4 小結40
參考文獻40
第3章6G全頻譜通信43
3．1 移動通信頻譜的演□43
3．1．1 從1G到5G：移動通信頻譜發展43
3．1．□ 全頻譜通信驅動力45
3．□ 6G頻譜定義與特點46
3．□．1 6G頻譜定義46
3．□．□ 不同頻段的特點48
3．3 6G頻譜新用例5□
3．3．1 長距離回程53
3．3．□ 傳感網絡53
3．3．3 聯合雷達通信應用54
3．3．4 自動汽車駕駛55
3．3．5 智能建築與智能城市55
3．3．6 無線認知56
3．3．7 精確定位56
3．4 6G頻譜面臨的挑戰57
3．4．1 無線電硬件57
3．4．□ 多頻段共存57
3．4．3 傳播損耗58
3．4．4 頻譜管理59
參考文獻59
第4章6G面臨的主要挑戰與使能技術63
4．1 6G面臨的主要挑戰63
4．1．1 高精度信道建模63
4．1．□ □□性能傳輸64
4．1．3 網絡全覆蓋65
4．1．4 網絡異構約束66
4．1．5 海量數據通信67
4．1．6 新頻譜利用67
4．1．7 聯合管理68
4．1．8 低功耗綠色通信68
4．1．9 數據與通信安全69
4．1．10 □□能力69
4．□ 6G關鍵使能技術69
4．□．1 基礎傳輸技術70
4．□．□ 空間資源利用技術70
4．□．3 頻譜利用技術7□
4．□．4 人工智能輔助的通信73
4．□．5 應用層技術74
參考文獻75
第5章編碼、調製與波形78
5．1 編碼79
5．1．1 Polar碼80
5．1．□ Turbo碼84
5．1．3 LDPC碼87
5．1．4 Spinal碼94
5．1．5 物理層網絡編碼95
5．1．6 算法及有關方案97
5．□ 調製104
5．□．1 6G中的調製104
5．□．□ 索引調製104
5．□．3 OTFS技術110
5．□．4 高階APSK調製119
5．□．5 過零調製及連續相位調製1□1
5．□．6 信號整形1□5
5．□．7 降低PAPR1□5
5．3 波形設計1□5
5．3．1 多載波波形1□6
5．3．□ 單載波波形130
5．4 FTN傳輸技術137
5．4．1 FTN傳輸技術的原理137
5．4．□ 6G中的FTN138
參考文獻141
第6章OAM145
6．1 OAM技術的基本原理及發展146
6．1．1 OAM理論基礎146
6．1．□ OAM技術在無線通信中的發展148
6．□ OAM波束的產生151
6．□．1 常規OAM產生方法151
6．□．□ 超表面技術15□
6．□．3 其他生成方法153
6．3 OAM的接收154
6．3．1 單點接收法155
6．3．□ 全空域共軸接收法155
6．3．3 部分接收法156
6．3．4 其他接收方法156
6．4 基於UCA的OAM通信系統157
6．4．1 模型簡介157
6．4．□ 信道模型158
6．4．3 通信系統性能分析159
6．4．4 非理想條件分析16□
6．5 基於OAM的多模傳輸與多徑傳輸164
6．5．1 多模態OAM復用164
6．5．□ OAM信道的多徑效應164
6．6 OAM技術與其他技術的結合165
6．6．1 OAM與MIMO結合165
6．6．□ OAM與OFDM結合168
6．7 OAM技術面臨的挑戰169
6．7．1 非對準情況下OAM的傳輸169
6．7．□ OAM發散角的抑製或消除170
6．7．3 OAM-MIMO的□□拓撲研究170
6．7．4 OAM模態選擇171
6．7．5 OAM應用場景的選擇171
6．8 小結17□
參考文獻17□
第7章智能超表面178
7．1 智能超表面簡介178
7．1．1 智能表面基本原理178
7．1．□ 相關概念和名詞含義179
7．□ 發展歷史和研究現狀183
7．□．1 技術的起源和發展183
7．□．□ 研究項目情況184
7．□．3 智能超表面各方面研究現狀194
7．□．3 研究意義□0□
7．3 智能超表面的分類□0□
7．3．1 按照功能劃分□0□
7．3．□ 按照調控劃分□07
7．3．3 按照響應參數劃分□09
7．4 6G中有前景的應用□09
7．4．1 輔助通信□09
7．4．□ 節約成本□13
7．4．3 非通信用途□16
7．4．4 應用實例□18
7．5 智能超表面的硬件實現□□0
7．5．1 基本硬件結構□□0
7．5．□ 信息超材料□□□
7．5．3 可調電磁單元的實現□□4
7．5．4 控制單元的實現□□9
7．5．5 面臨的挑戰及方向□34
7．6 智能超表面輔助通信□38
7．6．1 信道模型□38
7．6．□ 理論性能分析□4□
7．6．3 關鍵算法□50
7．7 RIS與其他技術的結合□54
7．7．1 RIS與NOMA結合□54
7．7．□ RIS與UAV結合□55
7．7．3 RIS與FD結合□58
7．7．4 RIS與THz結合□59
7．7．5 RIS與AI結合□61
7．7．6 智能表面與無線電能傳輸結合□63
7．7．7 智能表面與定位和傳感技術的結合□64
參考文獻□66
第8章MIMO□83
8．1 超大規模MIMO□83
8．1．1 背景□84
8．1．□ 硬件與架構問題□85
8．1．3 工作模式□88
8．1．4 一比特量化預編碼□90
8．1．5 面臨的挑戰□9□
8．□ 超大規模波束成形□94
8．3 超密集MIMO□96
8．3．1 背景□96
8．3．□ 分離技術□97
8．3．3 MIMO□□的解耦□98
8．4 透鏡MIMO301
8．4．1 背景301
8．4．□ 使用透鏡陣列的波束空間30□
參考文獻306
第9章無蜂窩大規模MIMO31□
9．1 背景31□
9．□ 系統模型315
9．□．1 上行鏈路訓練316
9．□．□ 下行鏈路有效載荷數據傳輸317
9．□．3 上行鏈路有效載荷數據傳輸318
9．3 性能分析318
9．3．1 Large-M分析318
9．3．□ 有限M的可達速率319
9．4 導頻分配方案3□1
9．4．1 效用式3□□
9．4．□ 可擴展式3□3
9．5 DCC選擇3□4
9．6 性能比較3□5
9．6．1 大規模的衰落模型3□5
9．6．□ 參數和設置3□6
9．6．3 結果和討論3□8
9．7 優勢333
9．8 研究挑戰334
9．8．1 實用的以用戶為中心334
9．8．□ 可擴展的功率控制335
9．8．3 高級分佈式SP335
9．8．4 低成本組件336
9．8．5 前程信令的量化336
9．8．6 AP的同步337
參考文獻337
□□0章全息技術34□
10．1 全息通信343
10．1．1 全息型通信343
10．1．□ 基於全息通信的擴展現實344
10．□ 6G無線網絡的全息MIMO表面345
10．□．1 HMIMOS設計模型346
10．□．□ 功能、特徵和通信應用程序350
10．□．3 設計挑戰與機遇35□
10．□．4 結論353
10．3 全息MIMO信道的自由度353
10．4 有源相控陣355
10．5 全息波束成形355
10．6 全息光束形成與相控陣比較358
10．6．1 性能比較358
10．6．□ 成本比較358
10．6．3 功率比較359
10．6．4 尺寸和重量比較359
10．6．5 總結360
10．7 全息無線電360
10．7．1 全息無線電的實現361
10．7．□ 全息無線電的信號處理361
10．8 全息廣播36□
10．9 全息定位363
10．9．1 全息定位的基本極限363
10．9．□ 審查的算法364
10．9．3 未來方向364
10．10 關鍵基礎設施365