章嘉懿

內容導讀

面向2030+,6G將實現(xiàn)太比特峰值速率、微秒級時延和超廣域覆蓋。為了實現(xiàn)這些指標需求,超大規(guī)模多天線(MIMO)技術將在未來的6G空口無線傳輸中作為最重要的關鍵技術之一。超大規(guī)模MIMO是在現(xiàn)有大規(guī)模MIMO基礎上的進一步演進。通過部署超大規(guī)模的天線陣列,應用新材料,引入新的工具,超大規(guī)模MIMO 技術可以獲得更高的頻譜效率、更靈活的網(wǎng)絡覆蓋、更高的定位精度、更高的能量效率等。超大規(guī)模MIMO的信道呈現(xiàn)出近場和非平穩(wěn)等新特點,傳統(tǒng)的信號處理技術無法適用,引入人工智能技術將有助于充分發(fā)揮超大規(guī)模MIMO技術的潛力。超大規(guī)模MIMO具備在三維空間內進行波束調整的能力,從而在提供地面覆蓋之外,還可以提供非地面覆蓋。然而,目前相關技術的研究還處于起步階段,距離技術成熟與商用還面臨著電磁信息論、信道測量與建模、網(wǎng)絡架構、信號處理、資源管理、平臺樣機開發(fā)等方面的諸多挑戰(zhàn)。

鑒于上述情況,為了更好地將我國超大規(guī)模MIMO領域的最新研究成果介紹給讀者,進一步滿足實際國情和6G發(fā)展需求,探索面向6G的超大規(guī)模MIMO科學規(guī)律、技術突破和實際應用,加快網(wǎng)絡強國建設,我們組織了本專題。

針對超大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的極化域信道估計調整,《超大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中稀疏度自適應的極化域信道估計》提出了一種基于壓縮感知的自適應極化域稀疏度同步正交匹配追蹤(Adaptive Polar-domain Simultaneous Orthogonal Matching Pursuit,AP-SOMP)算法。AP-SOMP算法利用信道相關度設計合理的判決準則來估計極化域信道稀疏度,從而在極化域信道稀疏度未知的情況下完成信道估計。該算法有效地克服了傳統(tǒng)算法對信道稀疏度的依賴,具有更強的實用性。仿真結果表明,AP-SOMP算法在歸一化均方誤差性能表現(xiàn)上優(yōu)于傳統(tǒng)的P-SOMP算法,且算法復雜度并未明顯增加。

針對未來6G中用戶的業(yè)務流量呈現(xiàn)多樣性的特點,《具有用戶QoS要求的無小區(qū)mMIMO系統(tǒng)最優(yōu)下行功率分配策略》考慮了一個在保證時延敏感用戶服務質量(Quality-of-Service,QoS)的前提下,最大化用戶最小速率的優(yōu)化問題,通過優(yōu)化每個接入點的功率分配系數(shù),求解優(yōu)化問題得到最優(yōu)解。通過數(shù)值仿真將所提出的優(yōu)化算法求出的最優(yōu)功率分配系數(shù)與均勻功率分配基準算法求得功率分配系數(shù)進行了對比,實驗結果表明所提出算法在各種指標下均優(yōu)于對比實驗。

超大規(guī)模天線陣列的孔徑增加使陣列近場區(qū)域擴大,原有研究中的遠場假設不再成立,對于ELAA 近場通信,應該建立正確的近場模型進行研究。基于此,《6G超大規(guī)模天線陣列近場通信的波束賦形設計》建立了近場球面波信號模型并提出了ELAA近場MIMO通信系統(tǒng)模型。通過進行波束賦形設計優(yōu)化近場通信的可達和速率。為了突出正確近場通信模型的重要性,對比了原有遠場平面波假設下的波束賦形設計在近場通信中的性能。此外,考慮到ELAA 的硬件開銷,設計了相位提取-迫零(Phase Extraction Zero-Forcing,PE-ZF)混合波束賦形方法。結果表明基于近場正確建模的波束賦形設計擁有最佳的和速率,同時提出的PE-ZF混合波束賦形方法擁有良好的性能,驗證了ELAA近場通信波束賦形設計的重要性。

針對基于均勻平面陣列的超大規(guī)模MIMO系統(tǒng),《基于離散面陣的超大規(guī)模MIMO近場性能分析》首先推導出近場有效自由度的解析表達式,然后得到信道容量的解析表達式。通過仿真,驗證了所得表達式的準確性,同時揭示了通信距離和天線陣列尺寸等關鍵因素對超大規(guī)模MIMO系統(tǒng)近場通信性能的影響機理。

《基于電磁信息論的多用戶超大規(guī)模MIMO的互信息研究》利用隨機場對多個連續(xù)孔徑超大規(guī)模MIMO之間的近場通信進行建模,推導了多用戶干擾和不同噪聲情況下多用戶超大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的互信息表達式,相比傳統(tǒng)離散分析方法有更高的準確度,同時分析了離散點數(shù)、噪聲功率等關鍵因素對超大規(guī)模MIMO系統(tǒng)互信息的影響。此外,基于模型探究了信號波長,噪聲功率與互信息收斂時最大離散點數(shù)之間的關系,為XL-MIMO系統(tǒng)信號處理算法的設計提供了一定參考。

超大規(guī)模MIMO可以大幅度提升未來通信系統(tǒng)的性能,如超高的頻譜效率和空間分辨率、超低時延等。不同于現(xiàn)有研究工作主要關注于近場通信或遠場通信,《面向超大規(guī)模MIMO的混合遠近場通信》考慮更加實際的混合遠近場通信場景,即通信系統(tǒng)中同時存在近場和遠場用戶。具體來說,首先介紹超大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中考慮混合遠近場通信范式的重要性;然后簡要介紹混合遠近場通信的信道建模,并指出混合遠近場通信場景中固有的關鍵特征,即能量擴散效應;隨后詳細介紹三種典型的混合遠近場通信場景:混合遠近場的干擾分析、無線信能同傳、物理層安全,針對上述典型場景,詳盡地指出其在混合遠近場通信中相較于近場通信/遠場通信的根本區(qū)別和面臨的關鍵設計難題;最后總結了混合遠近場通信中仍需關注和亟待解決的開放性問題。

綜上所述,本專題全方位地展示了超大規(guī)模MIMO相關技術,內容涵蓋電磁信息論、信道估計、波束賦形、性能分析、混合遠近場通信、物理層安全、無線性能同傳等多方面相關技術。希望本專題能夠對廣大讀者了解和研究超大規(guī)模MIMO提供有益的啟示、參考和借鑒,共同搭建起開放的超大規(guī)模MIMO技術交流平臺,促進我國超大規(guī)模MIMO領域技術的發(fā)展。最后,感謝編輯部各位老師在征稿通知發(fā)布、論文評審與意見匯總、論文定稿、編輯修改及出版所付出的努力和汗水;感謝專題評審專家及時、耐心、細致的評審工作;衷心感謝各位作者的辛勤工作和精心撰稿!