2026面向6G的全息超表面通信技术报告

HOLOGRAPHIC METASURFACECOMMUNICATION TECHNOLOGY FOR 6G 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 摘 要 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。 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。 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。 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 面向6G的全息超表面通信技术白皮书 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。 CONTENTS目 录 第一章：技术背景01 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020304 第二章：全息超表面技术原理08 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0910 第三章：全息超表面通信技术创新与突破11 13153.1.1 现有研究进展与技术路线3.1.2 全息波束赋形关键技术 22233.2.1 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 全息超表面天线系统样机24 24253.3.1 样机组成3.3.2 系统测试 第四章：应用场景28 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29293031 第五章：总结与展望32 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333335 参考文献36 1.1 移动通信系统发展趋势 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]。 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 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。 基于此，ITU 明确将“沉浸式通信（immersive com-munication）”列为 6G 六大典型场景之一[2-4]。中信科移动、中国移动等相继布局并发布全息沉浸式通信为核心的业务演示系统。这一愿景力求突破传统通信在空间维度与感官体验上的限制，通过全息远程呈现等业务，支持超大规模用户的高精度三维数据实时交互。这对无线传输技术提出了严苛的要求，其核心在于通过大规模天线阵列，一方面利用空间复用来提高定向传输的方向性增益，从而提升频谱效率，另一方面增强电磁波波前调控能力，支持信号在复杂环境中的实时传输[5-6]。 点（multi-TRP）协同、上行多面板传输、参考信号设计以及面向波束管理、CSI 反馈和定位的 AI/ML 空口研究；Release 19 则进一步强化 MIMO、波 束 管 理、CSI 预 测、 双 工 演 进、 网 络 节 能 以 及7–24GHz 高中频段信道建模等内容，为 6G 无线接入技术奠定基础。根据 3GPP 的规划，Release20 主要承担 6G 场景、需求与关键无线技术的研究工作，Release 21 则将启动 6G 规范化制定，形成首 批 3GPP 6G 技 术 规 范。 面 向 6G， 更 高 频 段、更大带宽和更大规模阵列将推动天线系统由传统大规 模 MIMO 向 超 大 规 模 MIMO（XL-MIMO） 及新型可重构电磁表面形态演进。XL-MIMO 通过扩展阵列口径和天线单元规模，能够在空间复用、波束增益和空间分辨率等方面进一步提升系统能力，已被确认为核心研究课题之一。与此同时，3GPP在既有 FR2 毫米波频段基础上，正进一步探索中频段（FR3, 7-24 GHz）及毫米波频段（24.25-52.6GHz）的海量带宽潜力，为 6G 在容量、覆盖、感知和智能波束调控等方面的性能提升提供标准化支撑。 在标准化演进层面，第三代合作伙伴计划（3GPP）正在推动移动通信系统从 5G-Advanced 向 6G 逐步过渡。继 Release 18/19 对天线演进的持续探索后，3GPP 已经在 Release 20 中全面启动 6G 无线接入网（RAN）的技术研究并将 Release 21 开展6G 的标准制定[7]。Release 18 作为 5G-Advanced的首个版本，已围绕多天线增强开展了持续演进，重点涉及信道状态信息（CSI）反馈、多传输接收 1.2 传统 MIMO 技术发展瓶颈 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。 相控阵通常需要为大量天线单元配置移相器和功率放大器，其硬件功耗与成本会随天线单元数量线性增长。当系统向更高频段演进时，阵列规模会受限于硬件成本与功耗，为实现 XL-MIMO 带来挑战；另一方面，馈电网络的复杂度随着天线单元数量的增加而增加，进一步限制了阵列规模扩展。对于 6G所期望基于 XL-MIMO 的高能效传输、低成本部署和通信感知一体化等需求，仅依赖传统相控阵架构难以在性能提升与工程代价之间取得理想平衡。因此，亟需探索更低成本、更低功耗、更易扩展的新型电磁调控技术，为 XL-MIMO 的工程落地提供新的实现路径。 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， 1.3 全息超表面技术 在众多潜在的核心技术中，全息超表面（recon-figurable holographic surface, RHS）技术凭借其独特优势，吸引了广泛关注。该技术通过集成全息超表面或紧密排布的连续孔径天线阵列，实现了对电磁波空间特性的精细波前调控[8-9]。这与 IMT-2030（6G）推进组所倡导的超大规模天线、全息无线电（holographic radio）及近场通信等发展方向高度契合[10]。与传统相控阵不同，基于全息超表面的 MIMO 技术通过将光学全息原理应用于微波频段，电磁波在阵面上串行传播，仅通过加载低功耗动态元件来控制电磁响应，即可重构阵面全息干涉图样，从而在实现超高方向性增益和空间复用能力的同时，大幅削减了硬件成本与功耗开销[11-12]。这种架构为进一步有效扩展多天线系统空间维度、近 -远场精细波束调控以及复杂电磁环境下的全息波前重建提供了物理层支撑。本白皮书旨在集中探讨全息超表面的发展历程、核心技术、样机演示与应用场景，为加速全息移动通信技术的实用化进程提供深入见解与建议，树立我国在 6G 核心技术方面的领先优势。 传 统 大 规 模 MIMO（massive MIMO） 受 限于半波长天线间距的准则，其空间自由度存在物理瓶颈。随着 XL-MIMO 向更高频段、更紧凑空间演进，全息超表面作为超大规模 MIMO（XL-MIMO）领域的一种突破性实现形态应运而生。这一创新范式设想在紧凑空间内集成大量亚波长、低成本、可重构的天线单元，从而实现对电磁波响应的精细调控。此外，全息超表面可以使用简单的二极管动态元件来调制电磁波并重构辐射场分布，从而降低对高成本、高复杂度有源器件的依赖。得益于低功耗、低成本、高集成度和灵活可重构等特点，全息超表面被认为是实现超大规模 MIMO 系统的一种重要技术路径，并在未来高性能集成化无线系统中具有广阔的应用前景。 值得指出的是，全息超表面并不等同于常用于无线通信覆盖增强