专题:6G超大规模MIMO技术

章嘉懿

内容导读

面向2030+,6G将实现太比特峰值速率、微秒级时延和超广域覆盖。为了实现这些指标需求,超大规模多天线(MIMO)技术将在未来的6G空口无线传输中作为最重要的关键技术之一。超大规模MIMO是在现有大规模MIMO基础上的进一步演进。通过部署超大规模的天线阵列,应用新材料,引入新的工具,超大规模MIMO 技术可以获得更高的频谱效率、更灵活的网络覆盖、更高的定位精度、更高的能量效率等。超大规模MIMO的信道呈现出近场和非平稳等新特点,传统的信号处理技术无法适用,引入人工智能技术将有助于充分发挥超大规模MIMO技术的潜力。超大规模MIMO具备在三维空间内进行波束调整的能力,从而在提供地面覆盖之外,还可以提供非地面覆盖。然而,目前相关技术的研究还处于起步阶段,距离技术成熟与商用还面临着电磁信息论、信道测量与建模、网络架构、信号处理、资源管理、平台样机开发等方面的诸多挑战。

鉴于上述情况,为了更好地将我国超大规模MIMO领域的最新研究成果介绍给读者,进一步满足实际国情和6G发展需求,探索面向6G的超大规模MIMO科学规律、技术突破和实际应用,加快网络强国建设,我们组织了本专题。

针对超大规模MIMO系统中的极化域信道估计调整,《超大规模MIMO系统中稀疏度自适应的极化域信道估计》提出了一种基于压缩感知的自适应极化域稀疏度同步正交匹配追踪(Adaptive Polar-domain Simultaneous Orthogonal Matching Pursuit,AP-SOMP)算法。AP-SOMP算法利用信道相关度设计合理的判决准则来估计极化域信道稀疏度,从而在极化域信道稀疏度未知的情况下完成信道估计。该算法有效地克服了传统算法对信道稀疏度的依赖,具有更强的实用性。仿真结果表明,AP-SOMP算法在归一化均方误差性能表现上优于传统的P-SOMP算法,且算法复杂度并未明显增加。

针对未来6G中用户的业务流量呈现多样性的特点,《具有用户QoS要求的无小区mMIMO系统最优下行功率分配策略》考虑了一个在保证时延敏感用户服务质量(Quality-of-Service,QoS)的前提下,最大化用户最小速率的优化问题,通过优化每个接入点的功率分配系数,求解优化问题得到最优解。通过数值仿真将所提出的优化算法求出的最优功率分配系数与均匀功率分配基准算法求得功率分配系数进行了对比,实验结果表明所提出算法在各种指标下均优于对比实验。

超大规模天线阵列的孔径增加使阵列近场区域扩大,原有研究中的远场假设不再成立,对于ELAA 近场通信,应该建立正确的近场模型进行研究。基于此,《6G超大规模天线阵列近场通信的波束赋形设计》建立了近场球面波信号模型并提出了ELAA近场MIMO通信系统模型。通过进行波束赋形设计优化近场通信的可达和速率。为了突出正确近场通信模型的重要性,对比了原有远场平面波假设下的波束赋形设计在近场通信中的性能。此外,考虑到ELAA 的硬件开销,设计了相位提取-迫零(Phase Extraction Zero-Forcing,PE-ZF)混合波束赋形方法。结果表明基于近场正确建模的波束赋形设计拥有最佳的和速率,同时提出的PE-ZF混合波束赋形方法拥有良好的性能,验证了ELAA近场通信波束赋形设计的重要性。

针对基于均匀平面阵列的超大规模MIMO系统,《基于离散面阵的超大规模MIMO近场性能分析》首先推导出近场有效自由度的解析表达式,然后得到信道容量的解析表达式。通过仿真,验证了所得表达式的准确性,同时揭示了通信距离和天线阵列尺寸等关键因素对超大规模MIMO系统近场通信性能的影响机理。

《基于电磁信息论的多用户超大规模MIMO的互信息研究》利用随机场对多个连续孔径超大规模MIMO之间的近场通信进行建模,推导了多用户干扰和不同噪声情况下多用户超大规模MIMO系统的互信息表达式,相比传统离散分析方法有更高的准确度,同时分析了离散点数、噪声功率等关键因素对超大规模MIMO系统互信息的影响。此外,基于模型探究了信号波长,噪声功率与互信息收敛时最大离散点数之间的关系,为XL-MIMO系统信号处理算法的设计提供了一定参考。

超大规模MIMO可以大幅度提升未来通信系统的性能,如超高的频谱效率和空间分辨率、超低时延等。不同于现有研究工作主要关注于近场通信或远场通信,《面向超大规模MIMO的混合远近场通信》考虑更加实际的混合远近场通信场景,即通信系统中同时存在近场和远场用户。具体来说,首先介绍超大规模MIMO系统中考虑混合远近场通信范式的重要性;然后简要介绍混合远近场通信的信道建模,并指出混合远近场通信场景中固有的关键特征,即能量扩散效应;随后详细介绍三种典型的混合远近场通信场景:混合远近场的干扰分析、无线信能同传、物理层安全,针对上述典型场景,详尽地指出其在混合远近场通信中相较于近场通信/远场通信的根本区别和面临的关键设计难题;最后总结了混合远近场通信中仍需关注和亟待解决的开放性问题。

综上所述,本专题全方位地展示了超大规模MIMO相关技术,内容涵盖电磁信息论、信道估计、波束赋形、性能分析、混合远近场通信、物理层安全、无线性能同传等多方面相关技术。希望本专题能够对广大读者了解和研究超大规模MIMO提供有益的启示、参考和借鉴,共同搭建起开放的超大规模MIMO技术交流平台,促进我国超大规模MIMO领域技术的发展。最后,感谢编辑部各位老师在征稿通知发布、论文评审与意见汇总、论文定稿、编辑修改及出版所付出的努力和汗水;感谢专题评审专家及时、耐心、细致的评审工作;衷心感谢各位作者的辛勤工作和精心撰稿!