课题组在COMMAG发表超大规模MIMO近场通信综述论文

2024年10月，课题组在无线通信领域旗舰刊物IEEE Communications Magazine（影响因子：8.3）发表了超大规模MIMO近场通信的综述论文“Near-Field Communications for Extremely Large-Scale MIMO: A Beamspace Perspective”。论文的第一作者是博士生陈康建同学，第二作者是陈康建的指导教师戚晨皓教授，第三作者为博士生黄婧佳同学，第四和第五作者分别为加拿大纽芬兰纪念大学Octavia A. Dobre教授和帝国理工学院Geoffrey Ye Li教授。

超大规模MIMO（Extremely Large-scale MIMO，XL-MIMO）技术，通过大幅增加天线数量，实现了显著的波束成形增益，被视为提升未来无线通信性能的关键技术之一。天线数量的急剧增长导致部分通信区域从远场转移至近场，而近场通信的球面波信道特性与远场的平面波模型存在显著差异，使得传统远场通信方法在近场环境下不再适用。因此，研究专门适于近场通信的技术显得尤为重要。

本论文从波束空间的角度深入探讨了超大规模MIMO系统下的近场通信问题。利用近场信道球面波前的特殊性质，论文提出采用分数阶傅立叶变换将近场信道由天线空间变换至近场波束空间，如上图所示。基于波束增益的分布，论文进一步将近场波束空间划分为高主瓣区、低主瓣区和旁瓣区，并对高主瓣区和低主瓣区的特性进行了详尽分析。分析结果显示，近场波束聚焦能力在角度维度上随天线数量线性增长，而在距离维度上则随天线数量二次增长。高主瓣区可近似为二维高斯函数，而低主瓣区的波束增益平方随聚焦区域与任意区域间距离差的增大而线性减小，低主瓣区的角度宽度则随此距离差的增大而线性增大。此外，论文还利用分数阶傅立叶变换的性质对近场波束空间进行了深入分析，发现其满足帕斯瓦尔关系、具有平移不变性，且可通过快速分数阶傅立叶变换算法进行高效计算。

基于上述分析，论文指出，可基于波束空间研究近场波束训练、细化、跟踪、感知与定位、信道估计以及波束成形。具体而言，利用低主瓣区可大幅减少波束训练次数；利用高主瓣区的高斯近似性质则可实现低开销、高精度和低复杂度的波束对准；基于高主瓣区覆盖范围的分析，可实现高效的波束跟踪；综合利用高低主瓣区可有效提高超大规模MIMO系统的感知能力；波束空间的平移不变性有利于开发高效的信道估计算法；而确定主瓣范围和增益则有助于更高效地实施用户分组与波束调度。

最后，论文对未来可能的研究方向进行了展望，包括宽带通信、双端超大规模MIMO以及RIS辅助的无线通信系统中的近场波束空间特性的研究。另外，鉴于近场波束空间的复杂特性，论文还提出了利用人工智能的学习与预测能力提高对近场波束空间特性的利用。