《Nature Communications》：Joint communication and sensing with structured beams carrying orbital angular momentum
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为了解决在毫米波和亚太赫兹频段，使用轨道角动量(OAM)模式进行联合通信与感知(JCS)时，多模式复用和单模式探测需求之间的根本矛盾，研究人员开展了一项关于“联合通信与感知与轨道角动量结构光束”的研究。他们提出通过动态重组OAM模式子集，在维持模式正交性以实现数据复用的同时，生成多样化的复合场分布，从而从目标反射中编码丰富的空间信息用于高精度感知。研究推导了联合感知性能的理论极限，并在120 GHz频段进行了空口实验验证，实现了在高速数据传输的同时对目标进行精确定位。这项研究为下一代无线系统（如6G）中实现高效的通信感知一体化提供了新思路。
未来网络如6G，不仅要求极高的数据传输速率，还希望能“看”清世界，实现类似雷达的环境感知能力。这就是通信感知一体化(JCS, Joint Communication and Sensing)的宏伟蓝图。要实现它，我们需要一把“瑞士军刀”般的工具——既能高效传数据，又能精细探环境。近年来，携带轨道角动量(OAM, Orbital Angular Momentum)的电磁波束成为了候选“明星”。这种波束拥有独特的螺旋相位结构和甜甜圈形的强度分布，仿佛一个旋转的“光涡旋”。在通信方面，不同的OAM模式相互正交，可以像多条独立车道一样同时传输数据，即模式分割复用，极大提升容量。在感知方面，单个OAM模式与目标相互作用会产生独特的散射特征，有助于精确定位。
然而，理想很丰满，现实却很“矛盾”。要想通信快，就得同时发射多个正交的OAM模式（多路复用）；可要想感知准，传统上又需要逐个探测单个模式，以获取与位置相关的“指纹”信息。鱼与熊掌，似乎难以兼得。这项发表在《Nature Communications》上的研究，正是为了破解这一核心矛盾。研究人员洞察到一个关键：通信容量主要取决于活跃的模式数量，而非具体是哪些模式。这就像乐队演出，重要的是有多少种乐器在合奏，而不必固定每首歌都用同样的几件乐器。基于此，他们提出了一种灵活的策略：动态地重新配置所发射的OAM模式子集。这样，既能保持足够多的活跃模式以满足通信需求，又能通过改变模式的组合，生成丰富多样的复合电磁场分布。当这些不同的“场图案”照射到目标上时，其反射信号中就编码了更全面、更独特的空间信息，极大地增强了感知能力，同时不损害模式间的正交性，数据复用照常进行。
为了验证这一构想，研究人员构建了完整的理论模型并进行了深入的实验验证。他们首先从物理原理出发，深入分析了OAM光束的特性及多输入多输出(MIMO, Multiple-Input Multiple-Output)无线传播信道的基础，为整个系统建模。基于模型，他们推导出了这种基于OAM模式重构的联合通信感知系统的理论性能极限，为设计提供了指导。随后，他们在120 GHz（属于毫米波频段）开展了大量的空口(Over-the-air)实验。实验系统能够动态生成和发射不同组合的OAM结构光束，并接收和处理从目标反射回来的信号。
通过理论与实验的结合，研究取得了系列重要结果：
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理论建模与性能极限：研究团队建立了一个紧密结合OAM光束物理特性和MIMO信道模型的理论框架。该框架清晰地描述了如何通过配置不同的OAM模式子集来生成可控的辐射场型。基于此框架，他们成功推导出了系统在目标参数（如角度、距离）估计方面的理论性能下界（例如克拉美-罗下界，Cramér-Rao Lower Bound），从理论上证明了所提出方法在感知精度上的优势。
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OAM模式重构对感知性能的提升：实验结果表明，与固定使用一组OAM模式相比，动态重构模式子集能够显著提升感知性能。通过灵活切换模式组合，系统获得了更多样化的、与目标空间位置强相关的信道状态信息(CSI, Channel State Information)或雷达回波特征。这种多样性直接转化为更高的感知分辨率与更低的参数估计误差。
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通信与感知的并行实现：研究在120 GHz的实验平台上成功演示了高速数据传输与高精度目标定位的同步进行。系统利用重构后的正交OAM模式子集并行传输独立的数据流，保持了高通信吞吐量。与此同时，接收端通过分析从同一组波束反射回来的信号，成功解算出了目标在空间中的精确位置，实现了真正的“一心二用”。
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对复杂场景的适应性：研究还探讨了所提方法在多目标或非合作目标场景下的潜力。由于不同的OAM模式组合会产生差异化的照射图案，有助于在接收信号中区分来自不同空间位置的反射路径，从而为多目标分辨提供了新的维度。
综上所述，这项研究提出并验证了一种利用轨道角动量结构光束的灵活性来调和联合通信感知系统中固有矛盾的新范式。其核心结论是：通过智能地动态重构所发射的OAM模式集合，可以在不牺牲（甚至能提升）感知性能的前提下，维持模式正交性以实现高速数据通信。这项工作不仅深化了对OAM物理机制与无线传播信道之间相互作用的理解，更为未来高频段（毫米波、太赫兹）无线系统设计提供了关键思路。它表明，通信与感知并非必然取舍，通过波形与模式的智能联合设计，可以实现“1+1>2”的效能，加速推动6G等下一代网络向兼具“千里眼”和“顺风耳”能力的智能信息基础设施演进。
