面向超大规模MIMO的混合远近场通信

张芸莆,游昌盛

(南方科技大学 电子与电气工程系,广东 深圳 518055)

0 引言

自2020年以来,5G移动通信系统正在全球广泛使用和部署[1-2]。然而,增强现实、全息视频和自动驾驶等新兴应用正在推动当今的5G通信系统向未来的6G移动通信系统的演进,以满足更严格的性能要求,包括前所未有的高数据速率、超高可靠性、全球覆盖、超密集连接等[3-6]。然而,现有的5G技术可能无法完全满足这些要求,从而激发了研究6G创新技术的需求。而且,国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)于2023 年 6月发布了《IMT 面向 2030及未来发展的框架和总体目标建议书》,列出了6G的定制化关键性能指标(Key Performance Indicators,KPIs),其中包含相较于5G通信系统的9个增强性能指标和6个新定义的性能指标[6]。值得注意的是,这些新定义的KPIs对6G提出了更加严格的要求,因此研究6G的使能技术成为必要。在许多被畅想的6G使能技术中,超大规模多输入多输出(Extremely Large-scale Multiple-Input Multiple-Output,XL-MIMO)已成为一项极其有前景的关键技术,可满足未来6G无线网络不断增长的性能需求,例如超高频谱效率和空间分辨率等。然而,6G XL-MIMO技术的使用和部署将从根本上导致电磁(Electromagnetic,EM)传播建模发生变化,即从传统的远场通信(平面波前传播)转向新的近场无线通信(球面波前传播)[7-9]。以XL-MIMO系统举例,其相应的电磁场可以划分为三个区域:① 感应近场区域(Reactive Near-field Region);② 辐射近场区域(Radiative Near-field Region);③ 远场区域(Far-field Region)。现有的近场研究工作大多聚焦于辐射近场区域(也称为菲涅尔区域)。此外,瑞利距离(Rayleigh Distance)被广泛作为区分近场区域和远场区域的边界,其数学表达式为2D2/λ,其中D和λ分别表示天线阵列孔径和载波波长。

值得注意的是,相较于纯近场通信或者远场通信,混合远近场通信是更为实际且极易出现的通信场景,即系统中同时存在近场用户和远场用户[10-11]。例如,考虑一个典型的XL-MIMO通信系统,其中配备孔径为0.5 m的XL-MIMO基站以30 GHz频率与用户进行通信。在这种情况下,众所周知的瑞利距离约为50 m,约等于蜂窝系统中小区半径的一半。 因此,考虑一些典型的通信场景,极大可能会出现一些用户位于近场区域,而其他用户位于远场区域的情况。而且,混合远近场通信范式的出现将会引发通信系统中新的设计难题。具体来说,混合远近场通信将导致一些经典通信场景的设计发生根本性的范式转变,使得针对于传统远场通信或近场通信的系统设计不再适用,因此需要根据混合远近场通信系统的特点和性能需求进行针对性设计。

1 混合远近场通信基础和关键特征

首先介绍混合远近场通信系统的信道模型,然后指出混合远近场通信区别于远场通信和近场通信的关键特征。

1.1 远场和近场通信用户的信道模型

为了清楚地展示混合远近场通信的信道模型,如图1所示,考虑一个典型的混合远近场无线通信系统,其中配备有天线数目为N的XL-MIMO基站同时服务一个单天线近场通信用户和一个单天线远场通信用户。下面分别给出远场用户和近场用户的信道建模过程。

图1 一个典型的混合远近场无线通信系统Fig.1 A typical mixed-field wireless communication system

首先考虑远场用户,即到XL-MIMO基站端的距离大于定义的瑞利距离,则其信道建模遵循远场平面波传播模型,给定如下:

式中:hfar表示远场用户和XL-MIMO基站之间的复值信道增益。a(ψ)表示远场信道导向矢量:

式中:ψ=2dcos(φ)/λ表示远场用户相对XL-MIMO基站的空间角度,φ表示信号相对于XL-MIMO基站中心的离开角(Angle of Departure,AoD),d表示天线间距。

对于近场用户,其信道建模应遵循更为精确的球面波传播模型[12],给定如下:

式中:hnear表示近场用户和XL-MIMO基站之间的复值信道增益。b(θ,r)表示近场信道导向矢量:

综上所述,一个简单的混合远近场信道模型可以建模为:

上式给出了混合场通信信道的一个简单例子,其是远场用户视距(Line-of-Sight,LoS)链路和近场用户LoS信道的叠加。

1.2 混合远近场通信的固有特征:能量扩散

如图2所示,混合远近场通信的一个关键特征是能量扩散效应。考虑在传统远场通信中被广泛采用的基于离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)的角度域码本。当XL-MIMO基站选定码本中的特定码字发射定向波束以服务远场用户时,处于远场用户一定角度范围内(-0.1～0.5)的近场用户都将接收到高强度的信号。值得注意的是,这一独特的现象是混合远近场通信中的固有特征,其使得混合远近场通信显著区别于纯远场或近场通信。因此现有的针对于远场或近场通信的经典设计不再适用,使得混合场通信的专有设计成为必要。接下来,主要从三种典型通信场景出发,详尽地描述这些典型场景在混合场通信中相较于远场通信和近场通信的根本区别。

图2 混合场通信中能量扩散效应的图解Fig.2 Illustration of the energy-spread effect in mixed-field communications

2 混合远近场通信典型场景

2.1 混合远近场通信的干扰分析

考虑混合远近场通信中的多用户干扰分析[13]。不同于传统远场通信或近场通信中的多用户干扰产生机制,由于能量扩散效应的存在,混合远近场通信中的多用户干扰呈现出新的特点。具体来说,考虑不同通信场景下的多用户干扰。如果用户都处于传统的远场区域,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)技术可以用来同时服务多个用户,并且用户间干扰较低。这是因为指向不同远场通信用户的定向波束在角度域上具有渐近正交性,从而有效消除用户间干扰。接下来,如果用户位于近场区域,新兴的位分多址接入[15](Location Division Multiple Access,LDMA)技术可以在非常低干扰下通过利用近场波束聚焦性质,同时为处于不同角度和/或距离的近场通信用户提供通信服务。需要强调的是,LDMA是利用近场中独特的波束聚焦效应来实现的,该效应使近场波束能够聚焦在特定的位置(范围),而不是像传统远场通信中那样波束打向特定的方向。

然而,对于全新的混合远近场多用户通信场景,用户间的干扰分析变得非常复杂。为了更加清楚地描述混合场通信场景中干扰的特征,如图3所示,考虑一个典型混合场通信系统中包含一个远场用户和一个近场用户,其中XL-MIMO基站的天线数目为256,信号传输功率为30 dBm,载波频率30 GHz,XL-MIMO基站和用户的距离为7.2 m。

图3 近场用户的干扰功率与远场波束的空间角度的关系Fig.3 Interference power at a near-field user versus the spatial angle of a far-field beam

一个有趣的观察是,即使近场用户位于与远场用户不同的空间角度(参见阴影区域),近场用户也会受到来自远场波束的强烈干扰,这与仅存在近场用户或远场用户场景中的结果存在显著差异。而且,混合远近场通信的干扰机制已经在文献[13]中进行了全面且详尽的研究。具体来说,远场用户对近场用户的干扰本质上是由近场用户的信道导向矢量和远场波束之间的相关性决定的,其数学描述定义为:

η(θ,r,ψ)=|bH(θ,r)a(ψ)|≈

值得注意的是,上述定义的相关性函数可以由菲涅耳函数很好地近似,由下式给出:

上述混合场中的干扰近似表达式给出了一个重要结果,即混合场中用户之间的干扰是由函数G(β1,β2)以及两个参数β1和β2给出的。更具体地说,β1是远场用户的空间角度、近场用户的空间角度和距离的函数,而β2则由XL-MIMO基站的天线数目以及近场用户的角度和距离共同决定。文献[13]针对这些关键参数对混合场干扰的具体影响已经进行了全面而详尽的研究。总的来说,当XL-MIMO基站的天线数量和近场用户距离相对较小,和/或近场用户和远场用户空间角度差较小时,用户间存在强干扰[13]。

综上所述,混合远近场通信中独特且固有的能量扩散效应将不可避免地导致更为复杂的多用户干扰问题,也为后续的干扰消除方案设计带来严峻的挑战。

2.2 混合远近场通信的无线信能同传

从无线使能通信(Wireless Power Transfer,WPT)的角度来看,混合远近场通信的能量扩散效应可以被利用来提升系统能量采集性能[16]。具体来说,为远场通信用户服务的基于DFT的波束引起的能量泄漏可以被利用为近场能量采集用户充电。特别地,考虑一个典型的混合场无线信能同传场景(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT),其中能量采集(Energy Harvesting,EH)用户和信息解码(Information Decoding,ID)用户分别假设位于XL-MIMO系统的近场和远场区域。需要强调的是,混合远近场SWIPT 的系统设计也面临着新的挑战。例如,通过利用近场波束聚焦特性,近场EH用户的波束赋形应精心设计,以最大限度地提高EH效率,同时最大可能地减少对远场ID用户的干扰。在为远场ID用户设计波束赋形时应充分利用能量扩散效应,当近场EH用户与远场ID用户位于相似的角度时,服务于远场用户的波束可以机会性地为近场EH用户充电。此外,应精心设计基站的功率分配,以平衡混合场SWIPT系统中新的远近权衡与波束聚焦和能量扩散的影响。

现有的研究工作[16]表明,混合场SWIPT系统中的波束调度显著不同于传统远场SWIPT系统的波束调度设计。具体而言,如图4所示,混合场SWIPT系统的最优设计需要调度近场EH用户,而远场SWIPT系统最优设计表明只需调度ID用户[17]。

图4 混合场SWIPT系统波束调度图Fig.4 Illustration of beam scheduling in mixed-field SWIPT

2.3 混合远近场通信的物理层安全

考虑混合场物理层安全(Physical Layer Security,PLS)。针对于传统的远场PLS,在角度域区分合理用户和窃听用户即可实现安全通信[18]。对于新兴的近场PLS,通过利用近场通信所带来的额外的距离域分辨率,处于同一空间角度而不同距离的合理用户和窃听用户也可实现安全通信[19]。然而,针对于混合场PLS,实现安全通信极具挑战性。具体来说,考虑一类具有挑战性的混合场PLS通信场景,即窃听用户位于XL-MIMO系统的近场区域,而合理用户处于远场区域。在这类场景中,由于窃听用户可以在一定范围内从合理用户的信息泄漏(Information Leakage)中窃听合理用户的信息,同时处于近场的窃听用户享有更好的信道条件,因此针对这类场景的混合场PLS极具挑战性,这也凸显了混合场PLS方案设计的必要性。

3 混合远近场通信开放性研究问题

3.1 混合远近场通信的信道建模

信道建模为混合远近场通信奠定了基础。 在现有的研究工作中,广泛假设混合场信道模型由近场和远场LoS信道组成。 然而,需要研究更实际和通用的混合远近场信道模型。例如,研究用于混合远近场通信的更复杂的多径信道至关重要,该信道建模考虑了XL-MIMO系统远场和/或近场中周围环境散射体引起的多径。同时,混合远近场通信中可视区域[20](Visible Region,VR)现象也会更加显著。这是因为除了环境散射体会影响不同用户的 VR,近场和远场之间的相互作用也会进一步使不同用户的VR复杂化,需要正确建模这种影响。 此外,除了确定性信道模型之外,近场信道模型多呈现出近场空间相关性和非平稳性。因此,混合远近场的信道建模也需要考虑随机性的近场信道模型。

3.2 混合远近场通信的波束管理

为了实现高质量的通信服务,混合远近场通信的波束管理也至关重要[10]。具体来说,现有的波束训练方法假设用户全部位于远场区域或近场区域。对于混合远近场通信场景下用户同时分布在近场和远场区域,如何设计适用于近场和远场通信场景的统一波束训练方法是一个关键问题。 这需要进一步深入研究近场和远场波束训练方法的有效融合。而且,对于混合远近场的波束追踪,考虑远场和近场用户的高移动性,远场用户可能会进入近场区域,近场用户也可能进入远场区域。这在设计混合场波束追踪算法时需要同时考虑对用户所处场的预测,以及相应的波束追踪算法设计。混合场的波束调度也是一个实际而具有挑战性的问题。由于混合场通信场景中存在新的远近均衡(Near-to-Far Tradeoff),因此在设计混合场波束调度方法时需要精巧地设计以达到一个系统的均衡。

3.3 混合远近场通信的收发器设计

由于XL-MIMO系统通常工作在高频段,高功耗和硬件复杂性成为核心问题。一个理想的解决方案是利用经典的混合波束成形技术来降低硬件和能源成本[21]。然而,随着XL-MIMO天线数目的增加,经典的混合波束成形技术仍然具有很高的复杂度。因此,考虑采用子连接架构、动态子阵列架构和透镜天线阵列等进行适当设计,以实现复杂度和性能之间的权衡。由于混合场通信系统中同时存在近场和远场用户,因此需要考虑新型的收发器结构设计,使之可以同时服务于两类用户。此外,高频率伴随的高宽带会在近场通信中产生波束分裂现象(Beam Split),现有的基于移相器的模拟组件无法处理此问题。一种有效的解决方案是在射频链路和移相器之间采用额外的电路来生成与频率相关的相移,从而将波束聚焦在整个带宽上。这个方向仍处于早期阶段,值得进一步研究在射频链和移相器之间采用额外的真时延[22](True Time Delay,TDD)电路来产生与频率相关的相移,从而将波束聚焦在整个带宽上。

4 结论

主要考虑6G XL-MIMO系统中一个典型且实际的混合远近场通信场景,即系统中同时存在近场用户和远场用户。针对这一新兴通信范式,强调了6G XL-MIMO系统中考虑此范式的重要性。介绍了其固有的能量扩散现象。考虑了混合场通信的三种典型场景:混合场干扰分析、SWIPT 和PLS,并着重阐述混合远近场通信中三种典型场景和传统远场及近场通信的基本区别和新的设计思路。总结了混合远近场通信需要研究和亟待解决的几个关键问题。