博士生王莹在FITEE期刊发表近场通信纯模拟波束成形论文

2024年10月，课题组的一篇论文“Analog-Only Beamforming for Near-Field Multiuser MIMO Communications”，被SCI期刊Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering（FITEE）录用。FITEE期刊中文名《信息与电子工程前沿（英文）》，现为中国工程院院刊信息与电子工程领域分刊。论文的第一作者是博士生王莹同学，第二作者是王莹的导师戚晨皓教授。

超大规模MIMO与近场通信技术已获得了学术界和工业界的广泛关注。如图1所示，近场信道往往被建模为球面波模型，而不是传统远场通信的平面波模型。现有的近场多用户通信大多基于混合波束成形（Hybrid Beamforming，HBF）架构设计，HBF包括模拟波束成形和数字波束成形。而本文提出了一种基于纯模拟波束成形（Analog-Only Beamforming，AoBF）架构的近场多用户通信方案，仅仅使用了模拟波束成形，而不需要数字波束成形，简化了系统架构，并消除了数字波束成形所需要的等效信道估计过程与导频开销。

图1 信道建模对比示意图：(a)远场信道，(b)近场信道

图2 波束成形架构对比：(a)混合波束成形架构，(b)纯模拟波束成形架构 

HBF架构与AoBF架构的区别如图2所示。模拟波束成形通常由移相器网络形成高指向性的波束，而数字波束成形通常由数字信号处理单元实施。在实际通信中，在无线空口信道未知的情况下，可通过波束训练或波束扫描获得适配于空口信道的最佳模拟波束。当模拟波束确定好以后，只需要估计模拟波束与空口信道构成的等效信道。尽管等效信道与空口信道相比，维数已大幅降低，但仍需要通过收发导频来对等效信道进行估计，若是下行信道估计，还需要将估计好的信道反馈到发端。考虑到近年来模拟射频芯片发展迅速，我们提出的AoBF架构仅仅使用了模拟波束成形，而不需要数字波束成形，简化了系统架构，并消除了数字波束成形所需要的等效信道估计过程与导频开销。我们以和速率最大化为目标，在AoBF架构下研究了近场通信中的多用户波束成形问题。论文首先将和速率最大化问题转化为目标用户功率最大化同时非目标用户功率最小化的问题。为了解决这一非凸问题，我们使用波束聚焦（Beam Focusing）和波束零陷（Beam Nulling）进行AoBF，并利用MM（Majorization-Minimization）算法优化求解，提出了两种AoBF方案。首先提出了基于理想信道状态信息（Channel State Information，CSI）的AoBF方案，该方案假设CSI理想已知，着重研究了AoBF替代HBF的可行性。随后提出了基于非理想CSI的AoBF方案，该方案利用近场波束扫描获得的实际环境的CSI进行近场多用户AoBF。考虑到非理想CSI通常采用基于空域栅格码本的波束扫描获得，栅格码本不可避免地引入了量化误差。为解决这一问题，我们在最佳码字邻域附近生成多个辅助点，并根据辅助点位置调整MM优化的目标函数，辅助点位置示意图如图3所示。需要说明的是，以上过程仅涉及到计算，并不会引入额外的训练开销。

图3 辅助点位置示意图

图4 各方案波束增益分布示意图

如图4所示，我们将所提出的AoBF方案与现有HBF方案所生成的波束增益分布进行对比。基于理想CSI，AoBF方案所生成波束与HBF方案所生成的波束形状相近，表明AoBF替代HBF可行。基于非理想CSI，AoBF方案可在非目标用户邻域生成波束零陷区域，从而有效降低了量化误差的影响。通过波束聚焦与波束零陷，AoBF方案在增加目标用户方向的功率时，还减少了非目标用户方向的功率，从而抑制了用户间干扰。

图 5 和速率与能量效率性能对比图

在仿真中，我们从和速率和能量效率两方面评估所提出的AoBF方案。和速率定义为系统单位时间内向所有用户传输的数据量之和，反映了通信系统的数据传输速度；能量效率定义为系统单位能量传输的比特数，反映了通信系统的能量利用的有效性。如图5所示，AoBF方案可获得逼近HBF方案的和速率性能，而在能量效率方面优于HBF方案。因此，AoBF架构更简洁，无需等效信道估计与导频开销，能量效率更高。

更多报道参见FITEE期刊公众号：https://mp.weixin.qq.com/s/5CJ4PdwnhUKyimmFEj3qzw