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ZBX_无线通信

新虫 (初入文坛)

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[资源] 可转向天线（Rotatable Antenna, RA）：智联6G通感未来

1 研究背景
   随着全球第六代移动通信技术研发与标准化进程的加速推进，未来无线系统将支撑空天地海一体化、通感算一体化及智能边缘计算等多样化应用场景，亟需实现超大容量、泛在连接与超低时延的通信需求。这一愿景对无线系统的覆盖范围、频谱效率、空间分辨率和能量效率等核心指标提出了严苛要求，已远超现有mimo系统的能力上限。同时，阵列的物理规模增加将导致部署成本高、功耗大以及难以与小型化设备集成等实际挑战，难以适应物联网、低空经济等强调小型化和灵活性的应用要求。其次，传统mimo系统的天线空间自由度固化，缺乏应对高动态信道的灵活适应能力，波束控制范围受限，难以抑制多用户同频干扰。在此背景下，如何突破阵列规模限制提升系统容量与空间分辨率，在不进一步扩大天线规模的前提下充分利用阵列空间自由度，已成为当下研究亟待解决的关键问题。

      智能可转向天线（rotatable antenna, ra）被认为是应对上述挑战的一种创新解决方案。该技术通过机械驱动或者电子控制（或二者结合，即机械+电子双驱动），动态调整天线辐射主瓣视轴朝向，是一种新型天线技术。其核心目标在于通过转动控制天线视轴朝向挖掘新的空间自由度，实现高增益波束聚焦和扩展信号覆盖范围，从而有效提升系统在动态环境中的适应能力，为支撑下一代无线网络发展开辟了全新思路。
2 核心思想
2.1 定义与特性
   1）可转向天线（rotatable antenna, ra）：通过机械驱动或电子控制（或二者结合，即机械+电子双驱动）调整天线视轴指向。
   2）关键特性：天线视轴朝向可独立转动、主瓣辐射方向可灵活调整。
2.2 硬件实现
   1）机械转向：通过微型电机或mems驱动天线转动（即改变天线物理朝向），等效改变天线主瓣辐射方向。优势是视轴调整范围广，响应速度最快可达毫秒级。
   2）电子驱动：保持天线物理朝向固定，通过激活不同的馈源组合，或者引入电子调谐元件来动态切换天线主瓣辐射方向。优势是响应速度非常快（微秒级），功耗低，兼容性高。
2.3 与现有固定天线对比
   1)传统固定多天线波束赋形：通过调整发射信号的相位实现信号的相干叠加（或相干抵消），使信号在特定方向上增强（或减弱）。存在问题：角域方向覆盖范围受限，边缘信号覆盖较差。
   2)可转向天线灵活波束赋形：动态调整天线主瓣辐射方向，实现天线视轴方向聚焦（类似“聚光灯”聚焦效果），在此基础上调整信号相位实现极高增益波束赋形。此外，可结合无线感知、视觉识别、ai等多模态感知实现智能波束控制，类似大脑多感官控制眼睛的灵活转动。
2.2 性能优势

   1)干扰规避：通过改变天线朝向主动规避特定方向的干扰，无需复杂信号处理。同时可将信号能量聚焦到目标方向，大幅提升通信质量（近场通信信号聚焦）。
   2)覆盖扩展：传统基站扇区天线主要覆盖地面用户，难以支撑低空通感需求。可转向天线通过动态转动实现空间扫描，可极大提升通感覆盖能力，有效支撑低空通感覆盖（低空经济）。
   3)高精度+多维度感知：感知信号聚焦在特定目标可极大提升感知精度和分辨率（近场感知信号聚焦），在此基础上还可以捕获目标更多维度信息（如速度、形态、方位等）。
4)多目标感知：传统固定天线阵列可分辨目标数量通常少于天线数量。可转向天线阵列通过转动扫描，可以利用较少天线感知分辨更多目标，类似眼睛转动可观测到更多不同方位的目标。
3 理论模型
3.1 可转向天线模型
3.2 天线方向增益模型
3.3 信道模型
3.4 问题模型
4 原型验证
4.1 视觉识别辅助的可转向单天线通信系统
4.2 雷达感知辅助的可转向单天线通信系统
4.3 可转向天线阵列辅助无人机通感原型
   课题组搭建了可转向天线阵列系统的原型机（获2025年ieee/cic iccc最佳demo奖），验证了其在无人机目标探测与追踪中的有效性。该原型机的低成本优势为低空经济中的通感一体化系统提供了一种经济高效的实现路径。
5    总结与展望
6 致谢
特别感谢新加坡国立大学张瑞教授（新加坡工程院士/ieee fellow）和德国埃尔朗根-纽伦堡大学robert schober教授（德国国家科学与工程院院士/加拿大工程院院士/ieee通信学会主席/ieee fellow）对智能可转向天线（rotatable antenna, ra）研究工作的指导与支持！感谢流态天线系统（fas）、可移动天线（ma）和六维可移动天线（6dma）对可转向天线（ra）的重要启发意义！感谢智能超表面技术联盟（rista）的宣传和支持！
7 相关工作
7.1建模与优化
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原型实现
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 联系信息
郑倍雄，华南理工大学微电子学院（bxzheng@scut.edu.cn），广州

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   本文为华南理工大学郑倍雄无线通信课题研究组最新研究成果，未经本人许可，请勿进行转载，商业利用等。如需与本人进行合作事宜，请通过邮箱联系：bxzheng@scut.edu.cn
另外，课题组目前正在招收2026年博士生，欢迎自荐或推荐，欢迎投递简历到我的邮箱，谢谢！！！