随着5G商用部署的稳步推进，6G的研究正在如火如荼地展开。目前业界已经对6G的场景与需求进行了研究与探讨，并初步达成共识，认为6G将实现数字孪生、智能泛在的愿景，在峰值速率、时延、连接密度、可靠性、频谱效率和定位能力等方面将远超5G，给人们的生活和出行带来前所未有的体验。本书为上、下两册，上册共10章。第1章介绍了6G研究的概况，包括发展愿景、驱动力、垂直服务与各国研究现状，第2章介绍了6G用例与性能指标，第3章介绍了6G通信的频谱，第4章介绍了6G面临的挑战与潜在关键技术，第5章介绍了编码、调制与波形，第6～10章介绍了空间资源利用技术，包括OAM、RIS、MIMO、Cell-Free与全息技术。本书对6G潜在关键技术进行了详细介绍，可供在无线通信、计算机科学等相关领域开展6G关键技术研究的学术界、教育界、产业界等相关人员阅读、参考。

在过去的四十年中，移动网络已经更新了五代，从1G到万物互联的5G，移动通信不仅深刻影响了人们的生活方式，更成为社会经济数字化和信息化水平加速提升的新引擎。1G使用模拟技术，带来了公用和商业可用的蜂窝网络，并提供语音通信。2G主要使用数字技术，除了语音服务还可以提供数据传送服务。3G能够实现多样化的多媒体技术。4G提供更快的上网速率，传输高质量的图像与视频。5G实现了高速率、低时延和大宽带连接，开启了万物互联的新时代。 随着5G的商业部署，世界各国对6G的研究也开始步入轨道。按照移动通信产业“使用一代、建设一代、研发一代”的发展节奏，业界预期2030年左右商用6G，各国家及组织也纷纷展开了关于6G的研究。预计在未来十年，6G网络将得到蓬勃发展。不同于5G的人—机—物互联，6G将实现海量机器之间的连接。空天地海一体化的网络将实现通信的全球覆盖，解决偏远地区的通信问题；智能化的引入进一步实现了自动化系统，真正减少了人类在各行各业的参与；绿色节能网络的应用也应对了全球能耗增加与资源稀缺的问题，对实现全球可持续发展至关重要。此外，6G将频带扩展到更高频段，在解决频谱稀缺问题的同时，为人们带来极致的数据速率体验。6G网络将是移动通信的变革性发展，带来更高的系统容量、更快的数据速率、更低的延迟、更可靠的安全性和更优的服务质量。 5G技术在日益丰富的应用需求面前逐渐显现出不足，这些复杂应用的性能指标对即将到来的6G关键技术提出了挑战。一方面，6G将延续5G中已有的技术并进一步增强，如机器学习、全双工、MIMO、非正交多址等；另一方面，一些新技术也将成为6G的潜在使能技术，如边缘智能、RIS、太赫兹通信和轨道角动量技术等。目前6G尚处于研发初期，这些关键技术的研究进展将决定6G的实现速度。 本书分为上下两册，上册为1～10章，下册为11～18章。第一章介绍了6G研究的概况包括发展愿景、驱动力、垂直服务与各国研究现状，第二章介绍了6G的用例与性能指标，第三章介绍了6G通信的频谱，第四章介绍了6G面临的挑战与潜在关键技术，第5章介绍了基础传输技术编码调制波形。第六章～第十章介绍了空间资源利用技术包括OAM、RIS、大规模MIMO、无蜂窝MIMO与全息技术。 参与本书编写的团队来自北京邮电大学先进信息网络北京实验室，感谢编写过程中王晨晨、赵东升、梁艺源、闫啸天、张翀羽、孙宇泽、李培德、何智斌、冀思伟、段高明、刘港、杨立、张静、刘昊翔、张婷、马京京、庞博文等同学的支持。 由于作者的知识视野存在一定的局限性，书中可能存在不全面之处，请广大读者与同行批评指正。

第1章 概述 1 1.1 历史回顾 1 1.1.1 从蒸汽时代到互联网时代 1 1.1.2 1G到5G的发展 2 1.2 6G发展驱动力 5 1.2.1 5G的限制 5 1.2.2 宏观驱动力 6 1.3 6G总体愿景 8 1.4 6G未来垂直服务 9 1.4.1 面向2030年的工业4.0+的服务 9 1.4.2 面向2030年的移动运输服务 10 1.4.3 面向2030年的电子健康服务 11 1.4.4 面向2030年的金融服务 11 1.5 全球6G研究进展 11 1.5.1 6G标准化组织 11 1.5.2 各国进展 13 参考文献 16 第2章 6G用例与指标 18 2.1 6G服务的演进 18 2.2 6G用例 20 2.2.1 全息通信 21 2.2.2 沉浸式XR 22 2.2.3 触觉网络 23 2.2.4 数字孪生 24 2.2.5 工业4.0+ 25 2.2.6 互联机器人自主系统 30 2.2.7 智能运输系统 31 2.2.8 无人机技术 31 2.2.9 新型智慧城市群 32 2.2.10 智能医疗 32 2.2.11 无线脑机交互 33 2.2.12 全球连接和集成网络 33 2.3 6G的指标 34 2.3.1 数据传输速率 36 2.3.2 超低延迟 36 2.3.3 极高的可靠性 37 2.3.4 定位能力 37 2.3.5 覆盖能力 37 2.3.6 频谱效率 38 2.3.7 能量效率 38 2.3.8 计算性能 39 2.3.9 安全能力 39 2.4 小结 40 参考文献 40 第3章 6G全频谱通信 43 3.1 移动通信频谱的演变 43 3.1.1 从1G到5G：移动通信频谱发展 43 3.1.2 全频谱通信驱动力 45 3.2 6G频谱定义与特点 46 3.2.1 6G频谱定义 46 3.2.2 不同频段的特点 48 3.3 6G频谱新用例 52 3.3.1 长距离回程 53 3.3.2 传感网络 53 3.3.3 联合雷达通信应用 54 3.3.4 自动汽车驾驶 55 3.3.5 智能建筑与智能城市 55 3.3.6 无线认知 56 3.3.7 精确定位 56 3.4 6G频谱面临的挑战 57 3.4.1 无线电硬件 57 3.4.2 多频段共存 57 3.4.3 传播损耗 58 3.4.4 频谱管理 59 参考文献 59 第4章 6G面临的主要挑战与使能技术 63 4.1 6G面临的主要挑战 63 4.1.1 高精度信道建模 63 4.1.2 极致性能传输 64 4.1.3 网络全覆盖 65 4.1.4 网络异构约束 66 4.1.5 海量数据通信 67 4.1.6 新频谱利用 67 4.1.7 联合管理 68 4.1.8 低功耗绿色通信 68 4.1.9 数据与通信安全 69 4.1.10 终端能力 69 4.2 6G关键使能技术 69 4.2.1 基础传输技术 70 4.2.2 空间资源利用技术 70 4.2.3 频谱利用技术 72 4.2.4 人工智能辅助的通信 73 4.2.5 应用层技术 74 参考文献 75 第5章 编码、调制与波形 78 5.1 编码 79 5.1.1 Polar码 80 5.1.2 Turbo码 84 5.1.3 LDPC码 87 5.1.4 Spinal码 94 5.1.5 物理层网络编码 95 5.1.6 算法及有关方案 97 5.2 调制 104 5.2.1 6G中的调制 104 5.2.2 索引调制 104 5.2.3 OTFS技术 110 5.2.4 高阶APSK调制 119 5.2.5 过零调制及连续相位调制 121 5.2.6 信号整形 125 5.2.7 降低PAPR 125 5.3 波形设计 125 5.3.1 多载波波形 126 5.3.2 单载波波形 130 5.4 FTN传输技术 137 5.4.1 FTN传输技术的原理 137 5.4.2 6G中的FTN 138 参考文献 141 第6章 OAM 145 6.1 OAM技术的基本原理及发展 146 6.1.1 OAM理论基础 146 6.1.2 OAM技术在无线通信中的发展 148 6.2 OAM波束的产生 151 6.2.1 常规OAM产生方法 151 6.2.2 超表面技术 152 6.2.3 其他生成方法 153 6.3 OAM的接收 154 6.3.1 单点接收法 155 6.3.2 全空域共轴接收法 155 6.3.3 部分接收法 156 6.3.4 其他接收方法 156 6.4 基于UCA的OAM通信系统 157 6.4.1 模型简介 157 6.4.2 信道模型 158 6.4.3 通信系统性能分析 159 6.4.4 非理想条件分析 162 6.5 基于OAM的多模传输与多径传输 164 6.5.1 多模态OAM复用 164 6.5.2 OAM信道的多径效应 164 6.6 OAM技术与其他技术的结合 165 6.6.1 OAM与MIMO结合 165 6.6.2 OAM与OFDM结合 168 6.7 OAM技术面临的挑战 169 6.7.1 非对准情况下OAM的传输 169 6.7.2 OAM发散角的抑制或消除 170 6.7.3 OAM-MIMO的天线拓扑研究 170 6.7.4 OAM模态选择 171 6.7.5 OAM应用场景的选择 171 6.8 小结 172 参考文献 172 第7章 智能超表面 178 7.1 智能超表面简介 178 7.1.1 智能表面基本原理 178 7.1.2 相关概念和名词含义 179 7.2 发展历史和研究现状 183 7.2.1 技术的起源和发展 183 7.2.2 研究项目情况 184 7.2.3 智能超表面各方面研究现状 194 7.2.3 研究意义 202 7.3 智能超表面的分类 202 7.3.1 按照功能划分 202 7.3.2 按照调控划分 207 7.3.3 按照响应参数划分 209 7.4 6G中有前景的应用 209 7.4.1 辅助通信 209 7.4.2 节约成本 213 7.4.3 非通信用途 216 7.4.4 应用实例 218 7.5 智能超表面的硬件实现 220 7.5.1 基本硬件结构 220 7.5.2 信息超材料 222 7.5.3 可调电磁单元的实现 224 7.5.4 控制单元的实现 229 7.5.5 面临的挑战及方向 234 7.6 智能超表面辅助通信 238 7.6.1 信道模型 238 7.6.2 理论性能分析 242 7.6.3 关键算法 250 7.7 RIS与其他技术的结合 254 7.7.1 RIS与NOMA结合 254 7.7.2 RIS与UAV结合 255 7.7.3 RIS与FD结合 258 7.7.4 RIS与THz结合 259 7.7.5 RIS与AI结合 261 7.7.6 智能表面与无线电能传输结合 263 7.7.7 智能表面与定位和传感技术的结合 264 参考文献 266 第8章 MIMO 283 8.1 超大规模MIMO 283 8.1.1 背景 284 8.1.2 硬件与架构问题 285 8.1.3 工作模式 288 8.1.4 一比特量化预编码 290 8.1.5 面临的挑战 292 8.2 超大规模波束成形 294 8.3 超密集MIMO 296 8.3.1 背景 296 8.3.2 分离技术 297 8.3.3 MIMO天线的解耦 298 8.4 透镜MIMO 301 8.4.1 背景 301 8.4.2 使用透镜阵列的波束空间 302 参考文献 306 第9章 无蜂窝大规模MIMO 312 9.1 背景 312 9.2 系统模型 315 9.2.1 上行链路训练 316 9.2.2 下行链路有效载荷数据传输 317 9.2.3 上行链路有效载荷数据传输 318 9.3 性能分析 318 9.3.1 Large-M分析 318 9.3.2 有限M的可达速率 319 9.4 导频分配方案 321 9.4.1 效用式 322 9.4.2 可扩展式 323 9.5 DCC选择 324 9.6 性能比较 325 9.6.1 大规模的衰落模型 325 9.6.2 参数和设置 326 9.6.3 结果和讨论 328 9.7 优势 333 9.8 研究挑战 334 9.8.1 实用的以用户为中心 334 9.8.2 可扩展的功率控制 335 9.8.3 高级分布式SP 335 9.8.4 低成本组件 336 9.8.5 前程信令的量化 336 9.8.6 AP的同步 337 参考文献 337 第10章 全息技术 342 10.1 全息通信 343 10.1.1 全息型通信 343 10.1.2 基于全息通信的扩展现实 344 10.2 6G无线网络的全息MIMO表面 345 10.2.1 HMIMOS设计模型 346 10.2.2 功能、特征和通信应用程序 350 10.2.3 设计挑战与机遇 352 10.2.4 结论 353 10.3 全息MIMO信道的自由度 353 10.4 有源相控阵 355 10.5 全息波束成形 355 10.6 全息光束形成与相控阵比较 358 10.6.1 性能比较 358 10.6.2 成本比较 358 10.6.3 功率比较 359 10.6.4 尺寸和重量比较 359 10.6.5 总结 360 10.7 全息无线电 360 10.7.1 全息无线电的实现 361 10.7.2 全息无线电的信号处理 361 10.8 全息广播 362 10.9 全息定位 363 10.9.1 全息定位的基本极限 363 10.9.2 审查的算法 364 10.9.3 未来方向 364 10.10 关键基础设施 365 参考文献