携带轨道角动量的结构化波束的通信与感知一体化

将感知与流媒体结合

视频流、云游戏和大量联网设备正把现代无线网络推向极限。与此同时，未来网络不仅要传输数据，还需要感知周围环境——探测障碍物、跟踪物体并监测环境。本文展示了一种特殊的“扭曲”无线波束如何同时完成这两项任务：既传输高速数据，又像精确雷达一样工作，而不会在任一任务上牺牲性能。

具有隐含结构的扭曲波束

作者并不使用普通那种平滑传播的无线波，而是采用在前进过程中自转、呈螺旋形态的波束。横截面上，这些波束看起来像带有中心暗孔的明亮环，工程师可以选择许多不同的“扭曲模式”。每种模式表现得像独立的信道，因此多个数据流可以在同一频带的不同扭曲上并行传输。这类结构化波束已被用于提升数据速率和精细成像，但迄今为止，通常要么用于通信，要么用于感知——很少同时兼顾两者。

为什么通信与感知通常会冲突

为最大化吞吐量，无线系统希望同时传输许多这类扭曲模式，每个模式携带自己的信息流。而感知则更倾向于用单一、干净的模式逐次照射，这样反射信号才能清晰对应到特定波束。当多个扭曲波束同时从物体反射回来时，它们的回波会以复杂方式混合，这种混合取决于模式之间如何干涉以及物体的位置。如何在不丢失原始数据流的情况下解开这种混合，是本文要解决的核心难题。

更智能地重用相同的波束

研究的关键见解在于：对于数据链路而言，真正重要的是有多少不同的扭曲模式被激活，而不是在任何时刻具体是哪几种——前提是接收端能捕捉到它们。这就赋予系统在时间上重新排列激活模式的自由，作者称之为模式跳变。他们布置了几圈圆形天线环，每个天线环能产生选定的扭曲模式，并在每个时间帧中选择一组新的模式组合。对通信接收端来说，这些仍然是干净且独立的信道。对附近监听场景回波的感知接收端来说，每一种新的组合都会在空间中产生不同的干涉图样，类似用快速变化的光学模板照亮环境。

把回波当作签名来聆听

环境中的每个物体都会以其独特方式反射这种不断变化的照明，取决于它在发射器周围的角度和位置。在多个帧内，感知接收端记录一系列时间序列回波，每一帧对应不同的扭曲组合。作者详细建模了在若干假设目标位置下这些反射应有的样子，并预先计算出大量这样的“签名”库。在实验中，他们将测得的回波模式与该库进行比较，从而推断物体的可能位置。由于环境通常是稀疏的——基站附近只有少数强反射体——他们采用偏好少量可能目标位置的技术，从而使最终的定位图更为清晰。

在极高频率下的现实测试

为证明该方法的可行性，研究人员搭建了一个在约120千兆赫工作的大规模测试平台，这一频段是未来超高速链路的关注点。精心设计的被动表面同时产生多个扭曲波束，接收端的附加表面则将各个数据流重新分离。在用不同角度放置的小金属板进行的感知测试中，系统在现实噪声水平下能把仰角估计到小于一度的误差，方位角误差也在几度以内。它还能够区分两个角度仅略有差异的独立目标，接近此类波束的理论分辨极限。与此同时，相同的扭曲波束可以传输总计数吉比特每秒的多路数据流，在为感知而切换扭曲组合时误码率几乎没有变化。

对未来网络的意义

这项工作表明，结构化的扭曲无线波束可以被设计为既传输大量数据又精确定位目标，同时使用相同的频段并同时运行。与其把资源划分为通信专用和感知专用，不如智能地重用相同的波束：其明亮的中心环维持稳定的高容量链路，而较弱的侧环照亮周边并将位置信息编码在回波中。这种联合设计有望使未来的毫米波和亚太赫兹网络既成为数据高速公路，又是环境传感器，支持从可预见阻塞的无线回程链路到时刻感知周边情况的智能基础设施等应用。

引用: Shen, R., Ghasempour, Y. Joint communication and sensing with structured beams carrying orbital angular momentum. Nat Commun 17, 2832 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69493-y

关键词: 轨道角动量, 毫米波无线, 通信与感知一体化, 波束成形, 无线回程链路