2023 年6 月国际电信联盟无线电通信部门5D 工作组（ITU-R WP5D）发布了《IMT 面向2030 及未来发展的框架和总体目标建议书》，提出了6G 典型场景和能力指标体系，如图2.1 所示。6G 场景包括沉浸式通信、超大规模连接、极高可靠低时延、人工智能与通信的融合、感知与通信的融合、泛在连接等。6G 关键能力指标包括9 项5G 能力增强以及6项新增能力维度，包括峰值速率、用户体验速率、频谱效率、区域流量、连接密度、移动性、时延、可靠性、安全隐私弹性、覆盖、感知相关指标、AI 相关指标、可持续性和定位。6G 也会在5G-A 的基础上继续演进，继续增强终端用户的上网体验，并为垂直行业提供支持。

为满足IMT-2030 对频谱效率的要求，产业界需要进一步探索更高频段和更大规模阵子的应用潜力，与此同时，更高频段所使用的超大规模阵列将带来近场效应。近场效应是指在一定距离条件下，电磁波在远场的平面波假设不再成立，而需要建模为球面波模型，球面波前不仅携带角度信息，还携带距离信息，电磁波束在角度域和距离域上同时聚焦，形成近场波束聚焦。利用近场效应，可以更好地实现IMT-2030 更多的应用场景和关键性能指标，例如感知与通信的融合、定位、安全性、移动性等。本节将基于上述分析对近场的应用场景进行阐释。

1、高中低频传输（不同频段的近场场景）

带宽的扩展和天线的增多将为无线通信系统带来更大的容量和更高的频谱效率。典型的2G、3G、4G、5G 通信系统采用的带宽分别为0.2 MHz、5 MHz、20 MHz、100 MHz，未来6G 需要更大的带宽。

2023 年5 月，我国工业和信息化部发布新版《中华人民共和国无线电频率划分规定》（工业和信息化部令第62 号），在全球率先将6425-7125 MHz 频段共700 MHz 的带宽全部或部分用于5G-A/6G 系统。同年12 月，国际电信联盟（ITU）在阿联酋迪拜召开的世界无线电通信大会，完成了对《无线电规则》新一轮的修订，为全球大部分国家新划分了6425-7125 MHz 共700 MHz 带宽的中频段6G 频谱资源。2023 年12 月，国际标准化组织3GPP 在英国爱丁堡召开会议，确立了5G-Advanced 第二个标准版本Rel-19 的首批项目，包括7-24 GHz 新频谱的信道模型研究等8 个领域。

相比于5G 广泛采用的sub-6 GHz 低频段，以及未来6G 可能会采用的毫米波、太赫兹等高频段，中频段兼具覆盖和容量的优势，对6G 的广域高容量覆盖具有非常重要的价值，有望成为6G 的基础性频段之一未来6G 高、中、低全频段都很可能涉及近场通信场景。2022 年6 月，美国6G 联盟发布的研究报告“6G Technologies”也明确指出在6G 高、中、低频段研究近场的必要性。

1.1高频段传输

高频毫米波（mmWave）和太赫兹（THz）无线通信可以利用较大的可用带宽，提高数据传输速率，是下一代通信系统的关键技术之一。为了弥补高频传输的路径损耗，在这些频段运行的基站（Base Station，BS）配备大规模天线阵列。使用大规模天线阵列会导致高频通信下的用户大概率落在近场区域，而传统无线系统通常在远场范围内的。在毫米波和太赫兹条件下，相对较小的天线/表面的近场距离也可达几十米，这意味着在实际距离上对电磁场的远场平面波假设不再适用，应该使用球面波的近场模型来分析毫米波/太赫兹无线通信系统。对信号球面波前的管理可转化为灵活的波束赋形能力，近场会产生将波束聚焦在特定位置的辐射模式（波束聚焦），而不是像在远场条件下通过传统的波束转向只聚焦在特定的方向。波束聚焦可支持在相同角度上多个同时同频的链路相互正交。

天线阵列的信号处理能力很大程度上决定了在大规模多输入多输出（MIMO）系统中实现聚焦波束的可行性，不同天线架构的处理能力各不相同。对于给定的辐射元件阵列，最灵活的解决方案是全数字架构，其中每个天线元件都与专用射频（RF）链相连。在这种结构中，收发机能够同时控制无限多个方向的波束，从而大大提高了空间灵活性。然而，在5G及更先进的通信系统中部署大规模阵列时，由于成本和功耗的增加，实施全数字架构极具挑战性。为了缓解这一问题，大规模多输入多输出（MIMO）通信通常采用模拟/数字混合架构。这种混合架构结合了低维数字处理和高维模拟预编码，通常使用移相器互联来实现，因此使用的射频链比天线元件少。另一种有效实现大规模阵列的新兴技术是动态超表面天线，该天线可以对发射/接收波束模式进行可编程控制，同时提供先进的模拟信号处理能力，并在不使用专用模拟电路的情况下自然实现射频链缩减，并且有助于天线元件的密集化，从而提高聚焦性能。文献探讨了如何利用各种天线架构，包括全数字阵列、基于移相器的混合架构和动态超表面天线，通过近场信号促进多用户通信，以及形成聚焦波束时对下行链路多用户系统的影响。

1.2 中频段传输

10GHz 频段的中频厘米波也是6G 频谱的备选频段和机会点。厘米波频段具有丰富的漫反射和良好的散射与衍射效果，有潜力提供超分辨率空间传播路径。相对于高频通信，厘米波具有相对较低的路径损耗，可以实现更大范围的覆盖，同时相对于sub-6G 频段具有更小的波长，使得能够部署和配置超大规模但较小尺寸的天线。

综合考虑厘米波的路径损耗、波长以及成本等因素，厘米波基站和用户终端可以配置更多的射频通道，因此有望实现高分辨率的空间窄波束，从而获得更多的空间自由度。因此，该波段的典型应用场景包括单用户多流或更高阶多用户复用场景。然而，考虑到物理环境的空间分辨率可能无法充分利用厘米波多天线系统提供的空间自由度，在通信网络中部署低成本低功耗的智能超表面设备，可以有效提升通信系统的自由度。该场景下的关键问题包括智能超表面的部署和协作、智能超表面辅助多用户MIMO 系统的用户配对和调度，潜在的大面板尺寸所带来的复杂的波束训练、非平面波信道模型建模，以及近场码本设计等。

1.3 低频段传输

低频段（FR1，Sub-6GHz）定义了蜂窝网络的基线覆盖范围，6G 在拓展更高频段的同时，也将进一步充分利用FR1 频段适合广泛覆盖和深度穿透的优势，提高频谱效率，突破带宽瓶颈。在低频段可以使用大规模MIMO，在保证广泛覆盖的同时，提高6G 系统的谱效和能效。

低频段部署传统大规模MIMO 的主要问题是铁塔或基站部署对天线外形尺寸的限制。

模块化或分布式的大规模MIMO，以及超表面天线有望克服尺寸限制，通过紧凑天线阵列降低天线单元之间半波长距离的要求。另一方面，基于小区的传统部署策略会带来可行性、处理和架构复杂度等挑战，所以低频段的大规模MIMO 将可能采用多面板、多收发节点、无蜂窝、不规则的大规模分布式网络部署。在这种场景下，需要进一步研究分布式部署策略，非均匀天线面板可能对新信道模型的需求，大型天线阵列以及用户可能靠近接入点时的近场效应等因素。同时，针对远近场信道，探索高效的参考信号设计和信道获取框架，进一步评估人工智能在信道获取上的潜力等。

2.2超大孔径使能近场

2.1 智能超表面使能近场

智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface）被认为是6G 中的关键潜在技术之一，它由大量低成本的可重构单元组成。在无线网络中部署RIS 可以有效地调整发射机和接收机之间的无线信道，从而提高通信质量和覆盖范围。RIS 技术的典型应用之一是通过数百乃至数千个元件获得足够的波束赋形增益用于毫米波及太赫兹通信中的覆盖补盲。而更大的RIS 阵列和更高的工作频率，进一步扩大了RIS 辅助通信链路的近场区域。RIS 通常用于在发射机/接收机之间建立直连信道。在远场区域，信道的秩通常较小，这制约了信道的空间复用增益。与此相对，由于球面波带来的信号幅度以及相位的非线性变化，近场信道往往满秩，可以有效改善系统的复用增益以及空间自由度：当用户位于辐射近场区域时，即使多个用户位于相同辐射角度，也可以通过对智能超表面配置不同的近场码本，通过波束聚焦来减轻同信道干扰，支持多个共存的正交链路，实现空分多址，如图2.4 所示。同样，利用球面波前提供的自由度，同时携带角度信息和距离信息的近场辐射波，进一步增强了无线定位服务精度和感知精度，如图2.5 所示。另一方面，这也意味着信道的空间非平稳性加剧，这将给信道估计、码本设计、波束训练复杂度、移动性管理、信令设计等方面带来挑战。

2.2超大规模天线阵列使能近场

如图2.6 (a)和(b)所示，现有两种常用的超大规模阵列架构分别是集中式超大规模天线阵列和分布式超大规模天线阵列。集中式超大规模天线阵列的天线阵元间距通常为半波长。

为了补充现有集中式和分布式超大规模天线阵列架构，文献提出了新型模块化超大规模天线阵列架构。如图2.6 (c)所示，所有天线阵元按照模块化的方式规则地部署在同一平台上，其中每个模块由中等数量的天线阵元组成，且天线间距通常为半波长，而不同模块的间距远大于波长级别，从而实现与环境灵活共形。例如，模块化超大规模天线阵列可以嵌入到由窗户分隔的不连续的墙壁中，如购物中心、工厂或办公楼的建筑表面。相比于相同天线数的集中式阵列结构，模块化超大规模天线阵列不仅部署更加灵活，且其物理尺寸更大，导致其近场效应更加明显并具有更高的空间分辨率。然而，模块化超大规模天线阵列的模块间距远大于半波长，会产生栅瓣问题。此外，相比于分布式阵列结构，模块化超大规模天线阵列通常执行联合信号处理，而不需要交换或协调站点间信息，这可以缓解同步的需求，并降低与分布式阵列结构的回程/前程链路相关的硬件成本。模块化超大规模天线阵列通常对应于非均匀稀疏超大规模阵列。

均匀稀疏阵列作为模块化超大规模阵列架构的特例，如图2.6 (d)所示，其天线阵元间距始终为大于半波长的定值。均匀稀疏阵列的波束方向图将具有更窄的主瓣，因而具有更高的空间分辨率，为用户密集分布的通信场景带来显著的干扰抑制增益。然而，由于存在大于半波长的阵元间距，均匀稀疏阵列也同样存在栅瓣问题。

上述四种阵列架构适合于不同的应用场景。例如，集中式、模块化和均匀稀疏超大规模天线阵列都可以用于支持蜂窝热点通信，且模块化和均匀稀疏超大规模天线阵列可显著提高用户集中分布场景下的传输速率。此外，分布式超大规模阵列架构可以为较大地理区域的用户提供更好的通信服务。因此，这四种阵列体系架构应该是互补的，它们的选择取决于实际应用场景。

2.3 无蜂窝近场通信

不同于经典的蜂窝小区通信架构，无蜂窝（Cell-Free）通信架构通过分布式部署大量接入节点，实现以用户为中心的通信范式，可有效克服小区间干扰、避免通信中断，进一步提升下一代6G 移动通信性能。基于无蜂窝通信架构，由于多阵列采用分布式部署方式，其等效阵列口径显著扩大，近场球面波效应更为显著；同时，由于接入节点分布更加密集、通信距离更短，用户将以更高的概率位于近场范围；此外，由于无蜂窝通信架构的协作特性，用户可能被多个不同天线规模、不同距离的接入节点同时服务，其可能位于不同节点的远场或近场范围，面临更为复杂的远近场混合通信场景。因此，无蜂窝近场通信将是未来6G 的重要应用场景之一。

近场球面波信道建模可以为无蜂窝通信系统提供模型基础；由于其近场球面波效应显著，考虑近场球面波特性可进一步提升无蜂窝架构中接入节点优化精度；同时，兼容近场球面波和远场平面波的波束赋形方法、高效远近场无蜂窝通信信道估计和波束训练方案可以更好适配近场通信场景，进一步提升无蜂窝通信系统的性能。

2.、可移动天线使能近场通信与感知

最近，可移动天线（Movable Antenna, MA）技术被引入无线通信系统，通过控制发射/接收端天线的局部移动（位置或旋转），以改善无线信道条件和通信性能。该技术有多种实用方法可用于实现天线移动，如机械驱动、微机电系统（MEMS）等。由于其灵活的移动能力，可移动天线可以充分利用无线信道的空间变化。例如，与传统固定位置天线相比，可移动天线可以显著提高空间分集性能，包括接收机信号功率提升和干扰抑制。对于多个可移动天线辅助的MIMO 或多用户通信系统，可以通过天线位置优化重塑信道矩阵，从而提升空间复用增益以及无线信道容量。此外，通过将多个可移动天线集成到阵列中，可以通过联合设计阵列几何形状和波束赋形矢量实现更灵活的波束成形。在无线通信或感知应用场景中，由于有效阵列口径正比于天线移动区域大小，扩大天线移动区域也导致了发射机/接收机的近场区域范围增大，如图2.7 所示。

与需要大量天线单元和射频前端的超大规模天线阵列不同，可移动天线的数量适中，且不随天线移动范围改变。因此，与超大规模天线阵列相比，可移动天线可以帮助降低硬件成本和射频功耗。可移动天线系统的性能优势，如更高的空间分集性、增强的复用增益和更灵活的波束形成，在6G 近场通信中更具吸引力，因为基于球面波的模型在空间呈现出更为显著的信道变化。此外，分布式可移动天线可以无缝集成到无蜂窝通信系统中，为改善6G 网络性能提供额外的天线位置、旋转自由度。在6G 无线感知和通感一体化应用中，可移动天线系统可以有效地扩大天线口径，从而增加角度/距离估计精度。对于充分大的天线移动区域，可移动天线辅助系统可以实现近场超分辨率感知。总之，可移动天线技术为6G 近场通信感知研究开辟了新的方向。在理论研究、技术探索、系统设计、实验验证和标准化工作当中需要更多的努力，以释放可移动天线在未来6G 网络中的全部潜力。

3、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，如图所示。基于上述讨论，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，将近场通感一体化是一项极具前景的技术。

4、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，在远场通信中也有研究。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。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。

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”。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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