通信技术行业：面向6G的全息超表面通信技术

参与单位中信科移动通信技术股份有限公司北京大学 中国移动通信有限公司研究院 中国电信股份有限公司研究院中国信息通信研究院 东南大学 华中科技大学 清华大学北京三星通信技术研究有限公司 北京邮电大学 北京交通大学武汉大学 鹏城实验室 香港城市大学 吉林大学面向6G的全息超表面通信技术HOLOGRAPHIC METASURFACE COMMUNICATION TECHNOLOGY FOR 6G随着 5G 技术的规模化商用，全球通信产业正加速向第六代移动通信（6G）演进。6G 的重要突破方向之一是实现沉浸式全息移动通信，突破传统通信在空间维度与感官体验上的限制，支持超大规模用户的高精度三维数据实时交互。这一愿景对无线通信系统提出了超高传输速率、超低时延、超低功耗的严苛要求，迫切需要能够同时实现高方向性增益、精细波前调控与高能效传输的新型天线技术。在这一技术背景之下，全息超表面技术通过将光学全息原理引入微波频段，采用亚波长密集排布的超材料辐射单元和串行馈电架构，突破了传统相控阵的半波长间距限制与并行馈电的结构瓶颈，在提升电磁调控能力的同时，大幅削减了硬件成本与功耗开销，有望成为支撑 6G 沉浸式全息移动通信的物理层重要使能技术。本白皮书对全息超表面技术的总体发展动向进行了系统分析，分别从理论维度、技术维度、实现维度和应用维度展开论述。针对理论维度，白皮书从全息超表面的技术内涵入手，对全息超表面调控机理进行了深入探讨，揭示了亚波长密集阵列带来的电磁信息论新特性。针对技术维度，白皮书对可重构全息超表面串行传输方案设计、等效孔径全息波束赋形、多波束全息图样线性叠加、宽带码本设计与波束训练以及互耦效应下的波束优化等关键技术进行了详细阐述。针对实现维度，白皮书介绍了基于可重构全息超表面的毫米波通信系统样机设计，并展示了相关实验验证结果，展示了该技术在实际系统中的性能表现。针对应用维度，白皮书对全息通感一体化、低轨卫星地面终端、无人机低空经济等支撑沉浸式全息移动通信的典型应用场景进行了前瞻性介绍与分析。通过以上几方面的探讨与论述，本白皮书力图从全息超表面技术研究、标准化及产业推动的角度，对该技术在 6G 沉浸式全息移动通信系统中的发展潜力进行预判并对其技术演进方向进行展望。与此同时，我们期望偕同产业界和学术界以此为契机，着眼于更为广阔的未来，通过产学研用的深入合作，共同推进全息超表面技术与相关产业的进一步发展。摘 要本白皮书版权专属中信科移动通信技术股份有限公司（以下简称“中信科移动”）所有，并受法律保护。如需基于非商业目的引用、转载、传播或以其他方式合理使用本白皮书的全部或部分内容，应完整注明来源。违反前述声明者， 中信科移动将追究其法律和商业道德之责任。面向6G的全息超表面通信技术白皮书CONTENTS第一章：技术背景 1.1 移动通信系统发展趋势 1.2 传统 MIMO 技术发展瓶颈 1.3 全息超表面技术 第二章：全息超表面技术原理 2.1 全息超表面的基本原理与结构组成 2.2 全息图样构造与波束赋形实现机制 第三章：全息超表面通信技术创新与突破 3.1 全息波束赋形传输技术 3.2 全息超表面天线设计3.3 全息超表面天线系统样机 第四章：应用场景 4.1 基于大规模全息超表面的无线通信基站 4.2 全息通感一体化 4.3 基于大规模全息超表面天线的低轨卫星地面终端 4.4 全息超表面天线赋能的无人机低空经济第五章：总结与展望5.1 大规模应用面临的技术挑战 5.2 技术演进路线5.3 未来展望参考文献0102030408091011121315222223242425282929303132333335363.1.1 现有研究进展与技术路线 3.1.2 全息波束赋形关键技术3.2.1 全息超表面天线单元设计 3.2.2 全息超表面天线阵列设计3.3.1 样机组成 3.3.2 系统测试目 录面向6G的全息超表面通信技术白皮书0101技术背景面向6G的全息超表面通信技术白皮书02移动通信系统的代际演进以无线传输能力的持续提升为核心目标，天线技术升级与阵列规模扩展是支撑这一目标实现的重要基础。4G 阶段，多输入多输出（multiple-input multiple-output, MIMO）天线技术通过在收发两端引入多天线结构，充分利用空间分集与空间复用能力，有效提升了链路可靠性、系统容量和频谱利用效率；进入 5G 阶段，大规模多输入多输出（large-scale MIMO, L-MIMO）天线技术得到规模化应用，天线阵列规模进一步扩大，使无线系统能够在空间维度上形成更高增益、更强指向性的定向波束，从而显著增强多用户并发传输能力和频谱资源利用能力；面向 6G，超大规模多输入多输出（extremely large-scale MIMO, XL-MIMO）天线技术将进一步拓展阵列物理孔径和空间调控自由度，为更高容量、更高频谱效率、更精细的波束赋形以及通信感知一体化等新型能力提供关键支撑。在由 MIMO、L-MIMO 向 XL-MIMO 持续演进的过程中，多天线技术的发展主线已从单纯扩大阵列规模，逐步拓展为在更大空间自由度基础上的多维能力协同。超维度天线（extreme multiple input multiple output, E-MIMO）正是在这一趋势下形成的重要技术概念，其核心内涵是在空间维度持续扩展的基础上，通过新型天线结构、人工智能工具、通信感知融合能力和高能效设计，进一步实现空间维度的持续扩展、智能维度的深度挖掘、功能维度的显著增强以及能效维度的充分优化。超维度天线为 6G 多天线技术从规模扩展走向多维能力协同提供了系统化框架，而天线规模的持续扩展则是支撑这一框架落地和无线系统能力边界拓展的重要基础[1]。随着 5G 技术的规模化商用，全球通信产业正加速向第六代移动通信（6G）演进。2023 年，国际电信联盟（ITU）正式发布了《IMT-2030（6G）框架及总体目标建议书》（ITU-R M.2160），明确提出 6G 将在峰值数据速率、频谱效率等方面实现进一步提升。其中，数据速率与频谱效率的提升依赖于大规模天线阵列提供的空间复用能力、方向性增益和精细化波束调控能力。上述性能指标共同构成了 6G 新型应用场景的技术基础，尤其为高精度、高吞吐、低时延的沉浸式通信提供了关键支撑。1.1 移动通信系统发展趋势图 1 - IMT-2030 的性能指标及应用场景a) 性能指标b) 应用场景面向6G的全息超表面通信技术白皮书03传统 MIMO 技术主要依赖相控阵天线实现空间波束调控。相控阵通常采用半波长的天线单元间距，通过馈线网络向各天线单元馈电，并借助移相器、功率放大器等射频器件对不同单元的激励相位和幅度进行调节，从而在空间中形成具有特定指向性的波束。基于这一机制，相控阵能够通过波束赋形提升链路增益，实现无线通信系统的高性能稳定传输。其技术体系成熟、实现路径清晰，是当前无线系统的重要实现方案。然而，面向 6G 的超大规模天线系统，传统基于相控阵的技术路线面临着硬件复杂度、功耗、成本和规模可扩展性等方面的内在约束。一方面，相控阵通常需要为大量天线单元配置移相器和功率放