面向超大規模MIMO的混合遠近場通信

張蕓莆,游昌盛

(南方科技大學 電子與電氣工程系,廣東 深圳 518055)

0 引言

自2020年以來,5G移動通信系統正在全球廣泛使用和部署[1-2]。然而,增強現實、全息視頻和自動駕駛等新興應用正在推動當今的5G通信系統向未來的6G移動通信系統的演進,以滿足更嚴格的性能要求,包括前所未有的高數據速率、超高可靠性、全球覆蓋、超密集連接等[3-6]。然而,現有的5G技術可能無法完全滿足這些要求,從而激發了研究6G創新技術的需求。而且,國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU)于2023 年 6月發布了《IMT 面向 2030及未來發展的框架和總體目標建議書》,列出了6G的定制化關鍵性能指標(Key Performance Indicators,KPIs),其中包含相較于5G通信系統的9個增強性能指標和6個新定義的性能指標[6]。值得注意的是,這些新定義的KPIs對6G提出了更加嚴格的要求,因此研究6G的使能技術成為必要。在許多被暢想的6G使能技術中,超大規模多輸入多輸出(Extremely Large-scale Multiple-Input Multiple-Output,XL-MIMO)已成為一項極其有前景的關鍵技術,可滿足未來6G無線網絡不斷增長的性能需求,例如超高頻譜效率和空間分辨率等。然而,6G XL-MIMO技術的使用和部署將從根本上導致電磁(Electromagnetic,EM)傳播建模發生變化,即從傳統的遠場通信(平面波前傳播)轉向新的近場無線通信(球面波前傳播)[7-9]。以XL-MIMO系統舉例,其相應的電磁場可以劃分為三個區域:① 感應近場區域(Reactive Near-field Region);② 輻射近場區域(Radiative Near-field Region);③ 遠場區域(Far-field Region)?，F有的近場研究工作大多聚焦于輻射近場區域(也稱為菲涅爾區域)。此外,瑞利距離(Rayleigh Distance)被廣泛作為區分近場區域和遠場區域的邊界,其數學表達式為2D2/λ,其中D和λ分別表示天線陣列孔徑和載波波長。

值得注意的是,相較于純近場通信或者遠場通信,混合遠近場通信是更為實際且極易出現的通信場景,即系統中同時存在近場用戶和遠場用戶[10-11]。例如,考慮一個典型的XL-MIMO通信系統,其中配備孔徑為0.5 m的XL-MIMO基站以30 GHz頻率與用戶進行通信。在這種情況下,眾所周知的瑞利距離約為50 m,約等于蜂窩系統中小區半徑的一半。 因此,考慮一些典型的通信場景,極大可能會出現一些用戶位于近場區域,而其他用戶位于遠場區域的情況。而且,混合遠近場通信范式的出現將會引發通信系統中新的設計難題。具體來說,混合遠近場通信將導致一些經典通信場景的設計發生根本性的范式轉變,使得針對于傳統遠場通信或近場通信的系統設計不再適用,因此需要根據混合遠近場通信系統的特點和性能需求進行針對性設計。

1 混合遠近場通信基礎和關鍵特征

首先介紹混合遠近場通信系統的信道模型,然后指出混合遠近場通信區別于遠場通信和近場通信的關鍵特征。

1.1 遠場和近場通信用戶的信道模型

為了清楚地展示混合遠近場通信的信道模型,如圖1所示,考慮一個典型的混合遠近場無線通信系統,其中配備有天線數目為N的XL-MIMO基站同時服務一個單天線近場通信用戶和一個單天線遠場通信用戶。下面分別給出遠場用戶和近場用戶的信道建模過程。

圖1 一個典型的混合遠近場無線通信系統Fig.1 A typical mixed-field wireless communication system

首先考慮遠場用戶,即到XL-MIMO基站端的距離大于定義的瑞利距離,則其信道建模遵循遠場平面波傳播模型,給定如下:

式中:hfar表示遠場用戶和XL-MIMO基站之間的復值信道增益。a(ψ)表示遠場信道導向矢量:

式中:ψ=2dcos(φ)/λ表示遠場用戶相對XL-MIMO基站的空間角度,φ表示信號相對于XL-MIMO基站中心的離開角(Angle of Departure,AoD),d表示天線間距。

對于近場用戶,其信道建模應遵循更為精確的球面波傳播模型[12],給定如下:

式中:hnear表示近場用戶和XL-MIMO基站之間的復值信道增益。b(θ,r)表示近場信道導向矢量:

綜上所述,一個簡單的混合遠近場信道模型可以建模為:

上式給出了混合場通信信道的一個簡單例子,其是遠場用戶視距(Line-of-Sight,LoS)鏈路和近場用戶LoS信道的疊加。

1.2 混合遠近場通信的固有特征:能量擴散

如圖2所示,混合遠近場通信的一個關鍵特征是能量擴散效應?？紤]在傳統遠場通信中被廣泛采用的基于離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)的角度域碼本。當XL-MIMO基站選定碼本中的特定碼字發射定向波束以服務遠場用戶時,處于遠場用戶一定角度范圍內(-0.1～0.5)的近場用戶都將接收到高強度的信號。值得注意的是,這一獨特的現象是混合遠近場通信中的固有特征,其使得混合遠近場通信顯著區別于純遠場或近場通信。因此現有的針對于遠場或近場通信的經典設計不再適用,使得混合場通信的專有設計成為必要。接下來,主要從三種典型通信場景出發,詳盡地描述這些典型場景在混合場通信中相較于遠場通信和近場通信的根本區別。

圖2 混合場通信中能量擴散效應的圖解Fig.2 Illustration of the energy-spread effect in mixed-field communications

2 混合遠近場通信典型場景

2.1 混合遠近場通信的干擾分析

考慮混合遠近場通信中的多用戶干擾分析[13]。不同于傳統遠場通信或近場通信中的多用戶干擾產生機制,由于能量擴散效應的存在,混合遠近場通信中的多用戶干擾呈現出新的特點。具體來說,考慮不同通信場景下的多用戶干擾。如果用戶都處于傳統的遠場區域,空分多址接入(Spatial Division Multiple Access,SDMA)和波束分多址接入[14](Beam Division Multiple Access,BDMA)技術可以用來同時服務多個用戶,并且用戶間干擾較低。這是因為指向不同遠場通信用戶的定向波束在角度域上具有漸近正交性,從而有效消除用戶間干擾。接下來,如果用戶位于近場區域,新興的位分多址接入[15](Location Division Multiple Access,LDMA)技術可以在非常低干擾下通過利用近場波束聚焦性質,同時為處于不同角度和/或距離的近場通信用戶提供通信服務。需要強調的是,LDMA是利用近場中獨特的波束聚焦效應來實現的,該效應使近場波束能夠聚焦在特定的位置(范圍),而不是像傳統遠場通信中那樣波束打向特定的方向。

然而,對于全新的混合遠近場多用戶通信場景,用戶間的干擾分析變得非常復雜。為了更加清楚地描述混合場通信場景中干擾的特征,如圖3所示,考慮一個典型混合場通信系統中包含一個遠場用戶和一個近場用戶,其中XL-MIMO基站的天線數目為256,信號傳輸功率為30 dBm,載波頻率30 GHz,XL-MIMO基站和用戶的距離為7.2 m。

圖3 近場用戶的干擾功率與遠場波束的空間角度的關系Fig.3 Interference power at a near-field user versus the spatial angle of a far-field beam

一個有趣的觀察是,即使近場用戶位于與遠場用戶不同的空間角度(參見陰影區域),近場用戶也會受到來自遠場波束的強烈干擾,這與僅存在近場用戶或遠場用戶場景中的結果存在顯著差異。而且,混合遠近場通信的干擾機制已經在文獻[13]中進行了全面且詳盡的研究。具體來說,遠場用戶對近場用戶的干擾本質上是由近場用戶的信道導向矢量和遠場波束之間的相關性決定的,其數學描述定義為:

η(θ,r,ψ)=|bH(θ,r)a(ψ)|≈

值得注意的是,上述定義的相關性函數可以由菲涅耳函數很好地近似,由下式給出:

上述混合場中的干擾近似表達式給出了一個重要結果,即混合場中用戶之間的干擾是由函數G(β1,β2)以及兩個參數β1和β2給出的。更具體地說,β1是遠場用戶的空間角度、近場用戶的空間角度和距離的函數,而β2則由XL-MIMO基站的天線數目以及近場用戶的角度和距離共同決定。文獻[13]針對這些關鍵參數對混合場干擾的具體影響已經進行了全面而詳盡的研究。總的來說,當XL-MIMO基站的天線數量和近場用戶距離相對較小,和/或近場用戶和遠場用戶空間角度差較小時,用戶間存在強干擾[13]。

綜上所述,混合遠近場通信中獨特且固有的能量擴散效應將不可避免地導致更為復雜的多用戶干擾問題,也為后續的干擾消除方案設計帶來嚴峻的挑戰。

2.2 混合遠近場通信的無線信能同傳

從無線使能通信(Wireless Power Transfer,WPT)的角度來看,混合遠近場通信的能量擴散效應可以被利用來提升系統能量采集性能[16]。具體來說,為遠場通信用戶服務的基于DFT的波束引起的能量泄漏可以被利用為近場能量采集用戶充電。特別地,考慮一個典型的混合場無線信能同傳場景(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT),其中能量采集(Energy Harvesting,EH)用戶和信息解碼(Information Decoding,ID)用戶分別假設位于XL-MIMO系統的近場和遠場區域。需要強調的是,混合遠近場SWIPT 的系統設計也面臨著新的挑戰。例如,通過利用近場波束聚焦特性,近場EH用戶的波束賦形應精心設計,以最大限度地提高EH效率,同時最大可能地減少對遠場ID用戶的干擾。在為遠場ID用戶設計波束賦形時應充分利用能量擴散效應,當近場EH用戶與遠場ID用戶位于相似的角度時,服務于遠場用戶的波束可以機會性地為近場EH用戶充電。此外,應精心設計基站的功率分配,以平衡混合場SWIPT系統中新的遠近權衡與波束聚焦和能量擴散的影響。

現有的研究工作[16]表明,混合場SWIPT系統中的波束調度顯著不同于傳統遠場SWIPT系統的波束調度設計。具體而言,如圖4所示,混合場SWIPT系統的最優設計需要調度近場EH用戶,而遠場SWIPT系統最優設計表明只需調度ID用戶[17]。

圖4 混合場SWIPT系統波束調度圖Fig.4 Illustration of beam scheduling in mixed-field SWIPT

2.3 混合遠近場通信的物理層安全

考慮混合場物理層安全(Physical Layer Security,PLS)。針對于傳統的遠場PLS,在角度域區分合理用戶和竊聽用戶即可實現安全通信[18]。對于新興的近場PLS,通過利用近場通信所帶來的額外的距離域分辨率,處于同一空間角度而不同距離的合理用戶和竊聽用戶也可實現安全通信[19]。然而,針對于混合場PLS,實現安全通信極具挑戰性。具體來說,考慮一類具有挑戰性的混合場PLS通信場景,即竊聽用戶位于XL-MIMO系統的近場區域,而合理用戶處于遠場區域。在這類場景中,由于竊聽用戶可以在一定范圍內從合理用戶的信息泄漏(Information Leakage)中竊聽合理用戶的信息,同時處于近場的竊聽用戶享有更好的信道條件,因此針對這類場景的混合場PLS極具挑戰性,這也凸顯了混合場PLS方案設計的必要性。

3 混合遠近場通信開放性研究問題

3.1 混合遠近場通信的信道建模

信道建模為混合遠近場通信奠定了基礎。 在現有的研究工作中,廣泛假設混合場信道模型由近場和遠場LoS信道組成。 然而,需要研究更實際和通用的混合遠近場信道模型。例如,研究用于混合遠近場通信的更復雜的多徑信道至關重要,該信道建?？紤]了XL-MIMO系統遠場和/或近場中周圍環境散射體引起的多徑。同時,混合遠近場通信中可視區域[20](Visible Region,VR)現象也會更加顯著。這是因為除了環境散射體會影響不同用戶的 VR,近場和遠場之間的相互作用也會進一步使不同用戶的VR復雜化,需要正確建模這種影響。 此外,除了確定性信道模型之外,近場信道模型多呈現出近場空間相關性和非平穩性。因此,混合遠近場的信道建模也需要考慮隨機性的近場信道模型。

3.2 混合遠近場通信的波束管理

為了實現高質量的通信服務,混合遠近場通信的波束管理也至關重要[10]。具體來說,現有的波束訓練方法假設用戶全部位于遠場區域或近場區域。對于混合遠近場通信場景下用戶同時分布在近場和遠場區域,如何設計適用于近場和遠場通信場景的統一波束訓練方法是一個關鍵問題。 這需要進一步深入研究近場和遠場波束訓練方法的有效融合。而且,對于混合遠近場的波束追蹤,考慮遠場和近場用戶的高移動性,遠場用戶可能會進入近場區域,近場用戶也可能進入遠場區域。這在設計混合場波束追蹤算法時需要同時考慮對用戶所處場的預測,以及相應的波束追蹤算法設計?；旌蠄龅牟ㄊ{度也是一個實際而具有挑戰性的問題。由于混合場通信場景中存在新的遠近均衡(Near-to-Far Tradeoff),因此在設計混合場波束調度方法時需要精巧地設計以達到一個系統的均衡。

3.3 混合遠近場通信的收發器設計

由于XL-MIMO系統通常工作在高頻段,高功耗和硬件復雜性成為核心問題。一個理想的解決方案是利用經典的混合波束成形技術來降低硬件和能源成本[21]。然而,隨著XL-MIMO天線數目的增加,經典的混合波束成形技術仍然具有很高的復雜度。因此,考慮采用子連接架構、動態子陣列架構和透鏡天線陣列等進行適當設計,以實現復雜度和性能之間的權衡。由于混合場通信系統中同時存在近場和遠場用戶,因此需要考慮新型的收發器結構設計,使之可以同時服務于兩類用戶。此外,高頻率伴隨的高寬帶會在近場通信中產生波束分裂現象(Beam Split),現有的基于移相器的模擬組件無法處理此問題。一種有效的解決方案是在射頻鏈路和移相器之間采用額外的電路來生成與頻率相關的相移,從而將波束聚焦在整個帶寬上。這個方向仍處于早期階段,值得進一步研究在射頻鏈和移相器之間采用額外的真時延[22](True Time Delay,TDD)電路來產生與頻率相關的相移,從而將波束聚焦在整個帶寬上。

4 結論

主要考慮6G XL-MIMO系統中一個典型且實際的混合遠近場通信場景,即系統中同時存在近場用戶和遠場用戶。針對這一新興通信范式,強調了6G XL-MIMO系統中考慮此范式的重要性。介紹了其固有的能量擴散現象。考慮了混合場通信的三種典型場景:混合場干擾分析、SWIPT 和PLS,并著重闡述混合遠近場通信中三種典型場景和傳統遠場及近場通信的基本區別和新的設計思路?？偨Y了混合遠近場通信需要研究和亟待解決的幾個關鍵問題。