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可轉(zhuǎn)向天線（Rotatable Antenna, RA）：智聯(lián)6G通感未來
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1 研究背景 隨著全球第六代移動通信技術(shù)研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，未來無線系統(tǒng)將支撐空天地海一體化、通感算一體化及智能邊緣計算等多樣化應(yīng)用場景，亟需實現(xiàn)超大容量、泛在連接與超低時延的通信需求。這一愿景對無線系統(tǒng)的覆蓋范圍、頻譜效率、空間分辨率和能量效率等核心指標(biāo)提出了嚴(yán)苛要求，已遠(yuǎn)超現(xiàn)有mimo系統(tǒng)的能力上限。同時，陣列的物理規(guī)模增加將導(dǎo)致部署成本高、功耗大以及難以與小型化設(shè)備集成等實際挑戰(zhàn)，難以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)、低空經(jīng)濟(jì)等強(qiáng)調(diào)小型化和靈活性的應(yīng)用要求。其次，傳統(tǒng)mimo系統(tǒng)的天線空間自由度固化，缺乏應(yīng)對高動態(tài)信道的靈活適應(yīng)能力，波束控制范圍受限，難以抑制多用戶同頻干擾。在此背景下，如何突破陣列規(guī)模限制提升系統(tǒng)容量與空間分辨率，在不進(jìn)一步擴(kuò)大天線規(guī)模的前提下充分利用陣列空間自由度，已成為當(dāng)下研究亟待解決的關(guān)鍵問題。 智能可轉(zhuǎn)向天線（rotatable antenna, ra）被認(rèn)為是應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的一種創(chuàng)新解決方案。該技術(shù)通過機(jī)械驅(qū)動或者電子控制（或二者結(jié)合，即機(jī)械+電子雙驅(qū)動），動態(tài)調(diào)整天線輻射主瓣視軸朝向，是一種新型天線技術(shù)。其核心目標(biāo)在于通過轉(zhuǎn)動控制天線視軸朝向挖掘新的空間自由度，實現(xiàn)高增益波束聚焦和擴(kuò)展信號覆蓋范圍，從而有效提升系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境中的適應(yīng)能力，為支撐下一代無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展開辟了全新思路。 2 核心思想 2.1 定義與特性 1）可轉(zhuǎn)向天線（rotatable antenna, ra）：通過機(jī)械驅(qū)動或電子控制（或二者結(jié)合，即機(jī)械+電子雙驅(qū)動）調(diào)整天線視軸指向。 2）關(guān)鍵特性：天線視軸朝向可獨(dú)立轉(zhuǎn)動、主瓣輻射方向可靈活調(diào)整。 2.2 硬件實現(xiàn) 1）機(jī)械轉(zhuǎn)向：通過微型電機(jī)或mems驅(qū)動天線轉(zhuǎn)動（即改變天線物理朝向），等效改變天線主瓣輻射方向。優(yōu)勢是視軸調(diào)整范圍廣，響應(yīng)速度最快可達(dá)毫秒級。 2）電子驅(qū)動：保持天線物理朝向固定，通過激活不同的饋源組合，或者引入電子調(diào)諧元件來動態(tài)切換天線主瓣輻射方向。優(yōu)勢是響應(yīng)速度非�？欤ㄎ⒚爰墸�，功耗低，兼容性高。 2.3 與現(xiàn)有固定天線對比 1)傳統(tǒng)固定多天線波束賦形：通過調(diào)整發(fā)射信號的相位實現(xiàn)信號的相干疊加（或相干抵消），使信號在特定方向上增強(qiáng)（或減弱）。存在問題：角域方向覆蓋范圍受限，邊緣信號覆蓋較差。 2)可轉(zhuǎn)向天線靈活波束賦形：動態(tài)調(diào)整天線主瓣輻射方向，實現(xiàn)天線視軸方向聚焦（類似“聚光燈”聚焦效果），在此基礎(chǔ)上調(diào)整信號相位實現(xiàn)極高增益波束賦形。此外，可結(jié)合無線感知、視覺識別、ai等多模態(tài)感知實現(xiàn)智能波束控制，類似大腦多感官控制眼睛的靈活轉(zhuǎn)動。 2.2 性能優(yōu)勢 1)干擾規(guī)避：通過改變天線朝向主動規(guī)避特定方向的干擾，無需復(fù)雜信號處理。同時可將信號能量聚焦到目標(biāo)方向，大幅提升通信質(zhì)量（近場通信信號聚焦）。 2)覆蓋擴(kuò)展：傳統(tǒng)基站扇區(qū)天線主要覆蓋地面用戶，難以支撐低空通感需求�？赊D(zhuǎn)向天線通過動態(tài)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)空間掃描，可極大提升通感覆蓋能力，有效支撐低空通感覆蓋（低空經(jīng)濟(jì)）。 3)高精度+多維度感知：感知信號聚焦在特定目標(biāo)可極大提升感知精度和分辨率（近場感知信號聚焦），在此基礎(chǔ)上還可以捕獲目標(biāo)更多維度信息（如速度、形態(tài)、方位等）。 4)多目標(biāo)感知：傳統(tǒng)固定天線陣列可分辨目標(biāo)數(shù)量通常少于天線數(shù)量。可轉(zhuǎn)向天線陣列通過轉(zhuǎn)動掃描，可以利用較少天線感知分辨更多目標(biāo)，類似眼睛轉(zhuǎn)動可觀測到更多不同方位的目標(biāo)。 3 理論模型 3.1 可轉(zhuǎn)向天線模型 3.2 天線方向增益模型 3.3 信道模型 3.4 問題模型 4 原型驗證 4.1 視覺識別輔助的可轉(zhuǎn)向單天線通信系統(tǒng) 4.2 雷達(dá)感知輔助的可轉(zhuǎn)向單天線通信系統(tǒng) 4.3 可轉(zhuǎn)向天線陣列輔助無人機(jī)通感原型 課題組搭建了可轉(zhuǎn)向天線陣列系統(tǒng)的原型機(jī)（獲2025年ieee/cic iccc最佳demo獎），驗證了其在無人機(jī)目標(biāo)探測與追蹤中的有效性。該原型機(jī)的低成本優(yōu)勢為低空經(jīng)濟(jì)中的通感一體化系統(tǒng)提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的實現(xiàn)路徑。 5 總結(jié)與展望 6 致謝 特別感謝新加坡國立大學(xué)張瑞教授（新加坡工程院士/ieee fellow）和德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)robert schober教授（德國國家科學(xué)與工程院院士/加拿大工程院院士/ieee通信學(xué)會主席/ieee fellow）對智能可轉(zhuǎn)向天線（rotatable antenna, ra）研究工作的指導(dǎo)與支持！感謝流態(tài)天線系統(tǒng)（fas）、可移動天線（ma）和六維可移動天線（6dma）對可轉(zhuǎn)向天線（ra）的重要啟發(fā)意義！感謝智能超表面技術(shù)聯(lián)盟（rista）的宣傳和支持！ 7 相關(guān)工作 7.1建模與優(yōu)化 1. b. zheng, q. wu, t. ma, and r. zhang, “rotatable antenna enabled wireless communication: modeling and optimization,” submitted to ieee trans. commun., under review, 2025. available: https://arxiv.org/abs/2501.02595 2. q. wu, b. zheng, t. ma, and r. zhang, “modeling and optimization for rotatable antenna enabled wireless communication,” in proc. ieee int. conf. commun. (icc), montreal, canada, jun. 2025, pp. 1-6. available: https://arxiv.org/abs/2411.08411 3. q. wu, b. zheng, c. you, and j. tang, “rotatable antenna enhanced integrated sensing and communication,” in proc. ieee globecom, taipei, taiwan, dec. 2025, pp. 1-6. 7.2 wcl文章 1. l. dai, b. zheng, q. wu, c. you, r. schober and r. zhang, “rotatable antenna-enabled secure wireless communication,” ieee wireless commun. lett., early access, 2025. available: https://ieeexplore.ieee.org/document/11098736 2. x. xiong, b. zheng, w. wu, x. shao, l. dai, m.-m. zhao, and j. tang, “efficient channel estimation for rotatable antenna-enabled wireless communication,” ieee wireless commun. lett., early access, 2025. available: https://ieeexplore.ieee.org/document/11134688/ 7.3 magazine文章 1. b. zheng, t. ma, c. you, j. tang, r. schober, and r. zhang, “rotatable antenna enabled wireless communication and sensing: opportunities and challenges,” ieee wireless commun., early access, 2025. available: https://arxiv.org/abs/2505.16828 2. x. xiong, b. zheng, w. wu, w. zhu, m. wen, s. lin, and y. zeng, “intelligent rotatable antenna for integrated sensing, communication, and computation: challenges and opportunities,” submitted to ieee wireless commun., under review, 2025. available: https://arxiv.org/abs/2506.13586 7.4原型實現(xiàn) 1. l. dai, b. zheng, y. tan, l. zhu, f. chen, and r. zhang, “rotatable antenna enabled wireless communication system with visual recognition: a prototype implementation,” in proc. ieee/cic int. conf. commun. china (iccc), shanghai, china, aug. 2025, pp. 1-6. available: https://arxiv.org/abs/2502.17097 2. q. dai, b. zheng, q. wang, x. xiong, j. tang, x. shao, l. zhu, and r. zhang, “a demo of radar sensing aided rotatable antenna for wireless communication,” in proc. ieee int. conf. electron. circuits inf. eng. (ecie), guangzhou, china, may 2025, pp. 205-208. available: https://ieeexplore.ieee.org/document/11086777 8 聯(lián)系信息 鄭倍雄，華南理工大學(xué)微電子學(xué)院（bxzheng@scut.edu.cn），廣州 -----------------------------------------------------預(yù)知詳情，請看附件哦！--------------------------------------------------------------------------- 本文為華南理工大學(xué)鄭倍雄無線通信課題研究組最新研究成果，未經(jīng)本人許可，請勿進(jìn)行轉(zhuǎn)載，商業(yè)利用等。如需與本人進(jìn)行合作事宜，請通過郵箱聯(lián)系：bxzheng@scut.edu.cn 另外，課題組目前正在招收2026年博士生，歡迎自薦或推薦，歡迎投遞簡歷到我的郵箱，謝謝�。�！ |
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2025-09-29 20:35:36, 14.91 M
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