[论文解读] 6G Wireless Communications: From Far-field Beam Steering to Near-field Beam Focusing

Haiyang Zhang, Nir Shlezinger+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2022

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 7

一句话总结

本文提出在6G无线通信中利用高频段的超大规模天线阵列实现近场波束聚焦，其中球面波前使得在传统远场波束赋形之外实现空间聚焦波束成为可能。主要贡献在于证明了近场操作为干扰抑制、定位和高效能量传输提供了新的自由度，且在多用户和感知场景中，波束聚焦相较于远场方法表现出更优性能。

ABSTRACT

6G networks will be required to support higher data rates, improved energy efficiency, lower latency, and more diverse users compared with 5G systems. To meet these requirements, electrically extremely large-scale antenna arrays are envisioned to be key physical-layer technologies. As a consequence, it is expected that some portion of future 6G wireless communications may take place in the radiating near-field (Fresnel) region, in addition to the far-field operation as in current wireless technologies. In this article, we discuss the opportunities and challenges that arise in radiating near-field communications. We begin by discussing the key physical characteristics of near-field communications, where the standard plane-wave propagation assumption no longer holds, and clarifying its implication on the modelling of wireless channels. Then, we elaborate on the ability to leverage spherical wavefronts via beam focusing, highlighting its advantages for 6G systems. We point out several appealing application scenarios which, with proper design, can benefit from near-field operation, including interference mitigation in multi-user communications, accurate localization and focused sensing, as well as wireless power transfer with minimal energy pollution. We conclude by discussing some of the design challenges and research directions that are yet to be explored to fully harness the potential of near-field operation.

研究动机与目标

• 分析辐射近场无线通信的物理特性，其中球面波前使远场平面波近似失效。
• 识别近场操作带来的设计挑战，特别是在信道建模、波束赋形和硬件实现方面。
• 展示波束聚焦相较于传统远场波束赋形在多用户、定位和无线能量传输应用中的优势。
• 强调近场MIMO信道由于具备距离感知传播特性，可实现满秩矩阵并提升复 multiplexing gain。
• 概述在宽带近场系统中CSI估计、频率选择性预编码和硬件设计方面的关键研究挑战。

提出的方法

• 使用球面波前而非平面波建模近场信道，相位偏移依赖于阵元的波束角度和距离。
• 推导出一种距离感知的信道模型，捕捉球面波传播的丰富空间多样性，使视 Line-of-Sight 条件下实现满秩MIMO矩阵成为可能。
• 通过频率选择性预编码实现波束聚焦，其中相位偏移根据目标距离和信号波长进行调整，以实现聚焦波束。
• 在波束赋形中使用时延补偿，使波前在特定焦点处对齐，从而在近场区域实现精确波束聚焦。
• 应用模拟波束赋形并优化移相器，以在降低硬件复杂度的同时逼近最优预编码。
• 通过多用户场景的数值仿真评估性能，结果表明波束聚焦可降低同频干扰，优于远场波束赋形。

实验结果

研究问题

• RQ1 近场区域的球面波前模型与远场通信中使用的平面波前假设有何不同？
• RQ2 近场波传播对信道建模及MIMO系统中自由度的影响是什么？
• RQ3 在宽带系统中如何实现波束聚焦，以避免因频率选择性相位偏移导致的波束失焦？
• RQ4 近场波束聚焦在多用户MIMO系统中相较于远场波束赋形，在干扰抑制方面有何改进？
• RQ5 在实现6G系统实用化近场波束赋形时，硬件和信号处理面临哪些关键挑战？

主要发现

• 近场波束聚焦可实现空间聚焦的能量波束，这是远场波束赋形无法实现的，为干扰管理提供了新的自由度。
• 由于球面波传播的丰富空间多样性，近场视 Line-of-Sight MIMO 信道可实现满秩矩阵，其复 multiplexing gain 高于远场MIMO。
• 数值结果表明，波束聚焦显著降低了多用户场景中的同频干扰，提升了目标用户处的信干比。
• 在宽带系统中，频率平坦的相位移器会导致波束失焦，即不同频率的波束聚焦于不同位置，从而限制有效带宽。
• 由于最优预编码对归一化至波长的几何配置高度敏感，近场系统中准确的信道状态信息（CSI）估计更为关键。
• 功率放大器效率和高速ADC/DAC的硬件限制对太比特每秒级近场通信系统构成重大挑战，亟需新型收发器架构。