專題:6G超大規模MIMO技術

章嘉懿

內容導讀

面向2030+,6G將實現太比特峰值速率、微秒級時延和超廣域覆蓋。為了實現這些指標需求,超大規模多天線(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。超大規模MIMO是在現有大規模MIMO基礎上的進一步演進。通過部署超大規模的天線陣列,應用新材料,引入新的工具,超大規模MIMO 技術可以獲得更高的頻譜效率、更靈活的網絡覆蓋、更高的定位精度、更高的能量效率等。超大規模MIMO的信道呈現出近場和非平穩等新特點,傳統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揮超大規模MIMO技術的潛力。超大規模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、網絡架構、信號處理、資源管理、平臺樣機開發等方面的諸多挑戰。

鑒于上述情況,為了更好地將我國超大規模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發展需求,探索面向6G的超大規模MIMO科學規律、技術突破和實際應用,加快網絡強國建設,我們組織了本專題。

針對超大規模MIMO系統中的極化域信道估計調整,《超大規模MIMO系統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上優于傳統的P-SOMP算法,且算法復雜度并未明顯增加。

針對未來6G中用戶的業務流量呈現多樣性的特點,《具有用戶QoS要求的無小區mMIMO系統最優下行功率分配策略》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化問題,通過優化每個接入點的功率分配系數,求解優化問題得到最優解。通過數值仿真將所提出的優化算法求出的最優功率分配系數與均勻功率分配基準算法求得功率分配系數進行了對比,實驗結果表明所提出算法在各種指標下均優于對比實驗。

超大規模天線陣列的孔徑增加使陣列近場區域擴大,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通信系統模型。通過進行波束賦形設計優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模MIMO系統,《基于離散面陣的超大規模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模MIMO系統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模MIMO的互信息研究》利用隨機場對多個連續孔徑超大規模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模MIMO系統的互信息表達式,相比傳統離散分析方法有更高的準確度,同時分析了離散點數、噪聲功率等關鍵因素對超大規模MIMO系統互信息的影響。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之間的關系,為XL-MIMO系統信號處理算法的設計提供了一定參考。

超大規模MIMO可以大幅度提升未來通信系統的性能,如超高的頻譜效率和空間分辨率、超低時延等。不同于現有研究工作主要關注于近場通信或遠場通信,《面向超大規模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,即通信系統中同時存在近場和遠場用戶。具體來說,首先介紹超大規模MIMO系統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模MIMO技術交流平臺,促進我國超大規模MIMO領域技術的發展。最后,感謝編輯部各位老師在征稿通知發布、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!