摘 要：超大規(guī)模天線陣列在近期取得了快速發(fā)展并有望在未來無線通信，尤其是在中頻和毫米波頻段取得廣泛應(yīng)用。隨著天線孔徑的提升，近場(chǎng)效應(yīng)變得更為明顯和突出，因此傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)平面波假設(shè)不再適用。為更準(zhǔn)確地對(duì)近場(chǎng)通信進(jìn)行性能評(píng)估，建立準(zhǔn)確反映近場(chǎng)信道特性的信道模型尤為關(guān)鍵，基于電磁理論和物理光學(xué)，建立了一般散射體的散射模型。通過對(duì)近場(chǎng)散射體散射特性的研究，分析了非視距（Ｎｏｎ-Ｌｉｎｅ ｏｆ Ｓｉｇｈｔ，ＮＬｏＳ）徑信道狀態(tài)的變化特點(diǎn)以及近場(chǎng)場(chǎng)景中的空間非平穩(wěn)（Ｓｐａｔｉａｌ Ｎｏｎ-Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ，ＳＮＳ）特征?；诖笠?guī)模收發(fā)天線陣元間空間一致性特性，結(jié)合散射體散射特性，設(shè)計(jì)了基于空間一致性的近場(chǎng)信道參數(shù)生成方法，并提出一種衰減因子計(jì)算方法，用以表征空間非平穩(wěn)特性。在３ＧＰＰ 標(biāo)準(zhǔn)信道建模流程基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種適用于近場(chǎng)電磁波傳播的信道模型。提出的信道模型同時(shí)建模了球面波和空間非平穩(wěn)特性對(duì)近場(chǎng)通信的影響，可準(zhǔn)確評(píng)估近場(chǎng)通信性能，為近場(chǎng)碼本設(shè)計(jì)、波束成型等技術(shù)的發(fā)展打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：近場(chǎng)；信道建模；散射模型；空間非平穩(wěn)特征；空間一致性

中圖分類號(hào)：ＴＮ９１９． ２３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ

文章編號(hào)：１００３－３１１４（２０２４）０５－０８９３－１２

０ 引言

隨著５Ｇ 在全球范圍的部署，面向２０３０ 年及以后的６Ｇ 研究已經(jīng)全面展開。為滿足更高的速率、可靠性、時(shí)延、移動(dòng)性和能耗等關(guān)鍵性能，新頻譜的開發(fā)以及大規(guī)模天線的應(yīng)用將是支撐６Ｇ 的關(guān)鍵技術(shù)。

近年來，傳統(tǒng)的天線陣列正向超大規(guī)模陣列不斷演進(jìn)，并有望在中頻段和毫米波頻段應(yīng)用。與傳統(tǒng)的天線陣列相比，由于大規(guī)模陣列天線等效口徑的大幅提升，用戶處于近場(chǎng)的概率變高，近場(chǎng)效應(yīng)變得更為明顯和突出。近場(chǎng)效應(yīng)是指在特定位置，信道參數(shù)隨天線陣列中陣元位置的變化而不同，即電磁波傳輸波面的平面波假設(shè)已失效，而需要建模為非平面波波面。在傳統(tǒng)的信道模型中，假設(shè)電磁波到達(dá)天線面板中所有陣子的波前為平面波，無法體現(xiàn)近場(chǎng)效應(yīng)下的傳播特性［１－２］。為更準(zhǔn)確地對(duì)近場(chǎng)通信進(jìn)行性能評(píng)估，建立體現(xiàn)近場(chǎng)信道特性的信道模型尤為關(guān)鍵。

針對(duì)確定性信道建模，文獻(xiàn)［３－４］均提出了基于射線追蹤的大規(guī)模多輸入多輸出（ＭｕｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）信道模型，能夠反映信道隨天線位置的變化。文獻(xiàn)［３］采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并通過對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，證明基于射線追蹤的信道模型可以較為準(zhǔn)確地表征近場(chǎng)信道特性。文獻(xiàn)［４］對(duì)射線追蹤仿真進(jìn)行了修正和補(bǔ)充，引入球面波假設(shè)、散射衍射模型、信道生滅等模塊，使射線追蹤仿真可以準(zhǔn)確表征近場(chǎng)效應(yīng)和空間非平穩(wěn)特性。然而，由于該類模型一般計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較高，且缺乏詳細(xì)的數(shù)字地圖和材料數(shù)據(jù)庫，使得這種確定性建模方法在一些環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)景下缺乏適用性。

對(duì)于統(tǒng)計(jì)性信道建模，ＣＯＳＴ ２１００ 模型［５］首次提出了可見區(qū)域的概念，通過將信道簇的作用限制在一個(gè)有限的區(qū)域內(nèi)來表征ＭＩＭＯ 天線的空間非平穩(wěn)特性。在文獻(xiàn)［６］中，可見區(qū)域的概念進(jìn)一步擴(kuò)展到大規(guī)模ＭＩＭＯ 天線陣列。具體來說，只有可見區(qū)域中的天線陣元才能看到該簇，而可見區(qū)域之外的天線陣元?jiǎng)t看不到該簇?；诳梢妳^(qū)域的概念，文獻(xiàn)［７］利用陣列軸上的生滅過程對(duì)空間非平穩(wěn)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表征。

可見區(qū)域的概念雖然可以建模徑的生滅過程，但難以準(zhǔn)確地建模近場(chǎng)信道中信道參數(shù)隨天線位置的變化。對(duì)于這方面的研究，文獻(xiàn)［８］通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，解釋了近場(chǎng)和空間非平穩(wěn)特性，之后提出了一種新的大規(guī)模ＭＩＭＯ 信道模型框架，該模型引入一個(gè)參數(shù)來表征近場(chǎng)中的空間非平穩(wěn)特性。文獻(xiàn)［９］詳細(xì)介紹了非均勻球面波模型，通過對(duì)每個(gè)單獨(dú)發(fā)射天線與接收天線之間所有遠(yuǎn)場(chǎng)信道的復(fù)值求和來建模天線陣列產(chǎn)生的近場(chǎng)信道。文獻(xiàn)［１０］結(jié)合可見區(qū)域的概念和非均勻球面波假設(shè)，提出了一種基于幾何的信道模型，基于此模型，可以計(jì)算出近場(chǎng)中不同天線陣子處信號(hào)的相位、幅值及其空間相關(guān)性。結(jié)合平面波假設(shè)和球面波假設(shè)，文獻(xiàn)［１１］提出了一種球面波平面波混合的信道模型，該信道模型將大規(guī)模天線陣列分割為多個(gè)子陣列，子陣列內(nèi)采用平面波信道模型，子陣列之間采用球面波信道模型。為了更精確地表征近場(chǎng)特性，文獻(xiàn)［１２］將近場(chǎng)信道建模分為視距（Ｌｉｎｅ ｏｆ Ｓｉｇｈｔ，ＬｏＳ）徑建模和非視距（Ｎｏｎ-Ｌｉｎｅ ｏｆ Ｓｉｇｈｔ，ＮＬｏＳ）徑建模兩部分考慮。其中，ＬｏＳ 徑基于幾何自由空間假設(shè)進(jìn)行建模，而對(duì)于ＮＬｏＳ 徑，則結(jié)合近場(chǎng)陣列響應(yīng)矢量進(jìn)行建模。文獻(xiàn)［１３］提出了一種基于測(cè)量的隨機(jī)信道建模方法，并將其應(yīng)用于建立三維空間散射體簇的統(tǒng)計(jì)信道模型。該模型使用球面波假設(shè)統(tǒng)一遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的信道模型，并將傳統(tǒng)的空間信道模型與“散射體簇”相結(jié)合，生成大規(guī)模天線陣列的空間非平穩(wěn)信道。綜合考慮多徑參數(shù)、天線效率和不同天線拓?fù)涞慕鼒?chǎng)導(dǎo)向矢量，文獻(xiàn)［１４］提出了一種基于空時(shí)頻非平穩(wěn)特性的大規(guī)模ＭＩＭＯ 信道模型。

隨著智能反射面（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅＳｕｒｆａｃｅ，ＲＩＳ）、全息ＭＩＭＯ 等新技術(shù)的發(fā)展，近場(chǎng)效應(yīng)在其中的作用逐漸凸顯。對(duì)于ＲＩＳ 技術(shù)，其性能增益隨著面板尺寸的增大而顯著提升。文獻(xiàn)［１５］結(jié)合球面波假設(shè)，為ＲＩＳ 輔助的ＭＩＭＯ 通信系統(tǒng)建立了近場(chǎng)信道模型?；冢常?圓柱模型，文獻(xiàn)［１６］提出了一種３Ｄ 的ＲＩＳ 輔助ＭＩＭＯ 信道模型。該模型結(jié)合環(huán)境中散射體的影響，分析了ＲＩＳ 輔助的近場(chǎng)通信的信道特性，同時(shí)綜合考慮ＬｏＳ 徑、ＲＩＳ 單跳徑以及雙跳徑的建模。對(duì)于全息ＭＩＭＯ 技術(shù)，研究表明傳統(tǒng)的信道建模方式不再適用于近場(chǎng)信道場(chǎng)景［１７］。目前比較有效的近場(chǎng)建模方式從基礎(chǔ)電磁場(chǎng)理論出發(fā)，采用計(jì)算電磁學(xué)理論等工具，向波場(chǎng)傳輸信道發(fā)展，結(jié)合信息理論的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而建立電磁場(chǎng)信息理論數(shù)學(xué)分析框架，建立大規(guī)模ＭＩＭＯ 通信的場(chǎng)傳播模型。

目前對(duì)近場(chǎng)信道建模的研究多基于對(duì)近場(chǎng)信道狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)特性總結(jié)或簡單的幾何光學(xué)原理，缺少電磁理論維度的分析。此外，大多數(shù)研究僅包括近場(chǎng)球面波影響或空間非平穩(wěn)特性，而實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中球面波影響與空間非平穩(wěn)特性可能同時(shí)出現(xiàn)，需要建立統(tǒng)一的信道模型，可以同時(shí)建模這兩種現(xiàn)象。針對(duì)以上問題，本文基于電磁理論和物理光學(xué)，結(jié)合球面波假設(shè)以及空間非平穩(wěn)特性，建立了適用于近場(chǎng)電磁波傳播的信道模型。該信道模型準(zhǔn)確建模了近場(chǎng)電磁波特性，可用于評(píng)估近場(chǎng)通信性能，為近場(chǎng)碼本設(shè)計(jì)、波束成型等技術(shù)的發(fā)展打下基礎(chǔ)。