[论文解读] Enhancing Near-Field Sensing and Communications with Sparse Arrays: Potentials, Challenges, and Emerging Trends

Songjie Yang, Wanting Lyu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2023

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 5

一句话总结

本文提出了一种极大规模稀疏阵列（XL-SAs），用于毫米波/太赫兹6G系统中的近场感知与通信（S&C），利用球面波传播以提升自由度和空间复用能力。仿真结果表明，XL-SAs在信道秩和Cramer-Rao下界（CRB）方面优于密集均匀阵列，展现出在复用和估计精度方面的优越性能。

ABSTRACT

As a promising technique, extremely large-scale (XL)-arrays offer potential solutions for overcoming the severe path loss in millimeter-wave (mmWave) and TeraHertz (THz) channels, crucial for enabling 6G. Nevertheless, XL-arrays introduce deviations in electromagnetic propagation compared to traditional arrays, fundamentally challenging the assumption with the planar-wave model. Instead, it ushers in the spherical-wave (SW) model to accurately represent the near-field propagation characteristics, significantly increasing signal processing complexity. Fortunately, the SW model shows remarkable benefits on sensing and communications (S\&C), e.g., improving communication multiplexing capability, spatial resolution, and degrees of freedom. In this context, this article first overviews hardware/algorithm challenges, fundamental potentials, promising applications of near-field S\&C enabled by XL-arrays. To overcome the limitations of existing XL-arrays with dense uniform array layouts and improve S\&C applications, we introduce sparse arrays (SAs). Exploring their potential, we propose XL-SAs for mmWave/THz systems using multi-subarray designs. Finally, several applications, challenges and resarch directions are identified.

研究动机与目标

• 解决近场毫米波/太赫兹系统中密集均匀阵列（XL-DUAs）带来的高硬件成本和高能耗问题。
• 克服XL-DUAs受弗琅禾费距离限制导致的通信范围受限问题。
• 利用稀疏阵列（SAs）提升近场S&C中的自由度和空间分辨率。
• 研究将SAs集成到XL-阵列中，以释放球面波传播的优势。
• 识别XL-SAs在动态、宽带及一体化感知-通信系统中的关键挑战与未来研究方向。

提出的方法

• 提出基于多子阵列的XL-SAs，以替代近场毫米波/太赫兹系统中的密集均匀阵列（XL-DUAs）。
• 采用球面波（SW）模型而非平面波模型，以更准确地表征近场电磁波传播。
• 应用奇异值分解（SVD）计算信道秩，并评估空间复用能力。
• 采用Cramer-Rao下界（CRB）评估近场参数（如角度和距离）的估计精度。
• 通过仿真对比XL-SAs（如XL-NRMS）与XL-DUAs在信道秩和CRB性能方面的表现。
• 将SAs优化与近场混合波束成形及动态天线重构相结合，以提升能效与系统适应性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在近场S&C系统中，XL-SAs相较于XL-DUAs如何提升自由度和空间复用能力？
• RQ2 稀疏阵列配置对毫米波/太赫兹近场信道中信道秩和估计精度（通过CRB衡量）有何影响？
• RQ3 如何通过SAs优化与动态重构提升近场S&C中的能效与系统性能？
• RQ4 XL-SAs在宽带波束管理、波束squint效应和信道估计方面面临哪些关键挑战？
• RQ5 XL-SAs如何通过引入额外的距离参数，实现近场区域的先进感知与跟踪？

主要发现

• XL-SAs的信道秩高于XL-DUAs，其中XL-NRMS展现出最强的复用能力，可支持更多同时传输的数据流。
• XL-DUA的最大信道秩为6，而XL-SAs显著超过该值，表明其具备更强的空间复用潜力。
• XL-SAs的Cramer-Rao下界（CRB）低于XL-DUAs，表明其在到达角（DoA）和距离等近场参数估计方面具有更高的精度。
• 球面波模型能够更好地利用近场效应，包括提升自由度和改善感知与通信中的分辨率。
• 稀疏阵列配置在降低硬件复杂度和能耗的同时，仍能保持或提升性能，优于密集均匀阵列。
• XL-SAs为一体化感知与通信（ISAC）开辟了新机遇，尤其适用于动态、宽带及低时延应用场景。