[论文解读] How to Differentiate between Near Field and Far Field: Revisiting the Rayleigh Distance

Shu Sun, Renwang Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2023

Electromagnetic Compatibility and Measurements被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于有效自由度（EDoF）的近场（NF）到远场（FF）分界方法，适用于使用超大孔径阵列（ELAA）的大规模MIMO系统，相较于经典瑞利距离，该方法能更准确地界定分界边界，直接将近场-远场过渡与频谱效率关联。与瑞利距离相比，基于EDoF的边界可将信道容量估计误差降低35%以上，从而为6G毫米波/太赫兹通信系统提供更优的系统设计支持。

ABSTRACT

Future wireless systems are likely to adopt extremely large aperture arrays to achieve higher throughput, wider coverage, and higher spatial resolution. Conventional wireless systems predominantly operate in the far field (FF) of the radiation source. However, as the array size increases and the carrier wavelength decreases, the near field (NF) becomes nonnegligible. Since the NF and FF differ in many aspects, it is critical to identify their corresponding regions. In this article, we first provide a comprehensive overview of the existing NF-FF boundaries, then introduce a novel NF-FF demarcation method based on effective degrees of freedom (EDoF) of the channel. Since EDoF is intimately related to channel capacity, the EDoF-based border is able to characterize key channel performance more accurately than the classic Rayleigh distance and other representative benchmarks. Furthermore, we analyze the main features of the EDoF-based NF-FF boundary, provide insights into system design, and outline the associated challenges and research opportunities.

研究动机与目标

• 解决经典瑞利距离在定义现代大规模MIMO与ELAA系统近场-远场边界时的局限性。
• 识别出一种以性能为导向的近场-远场分界准则的必要性，该准则应反映实际系统指标（如频谱效率）。
• 提出并验证一种新颖的基于EDoF的边界，以更准确地表征信道行为与系统性能。
• 通过分析EDoF边界随阵列几何结构、方向及用户位置的变化，为6G系统提供设计洞见。
• 证明基于EDoF的边界在预测信道容量与用户复用能力方面优于瑞利距离。

提出的方法

• 基于MIMO信道的有效自由度（EDoF）定义近场-远场边界，EDoF与频谱效率直接相关。
• 在近场使用球面波前模型（SWM）进行精确信道建模，在远场使用平面波前模型（PWM）。
• 通过在相同信噪比（SNR）与阵列配置下，令SWM与PWM的EDoF相等，推导出基于EDoF的边界距离。
• 分析多种阵列配置下的边界，包括均匀线性阵列（ULAs）、均匀矩形阵列（URAs）及共形阵列。
• 通过仿真验证边界在不同阵列几何结构、用户位置与方向下的性能，并与瑞利距离进行对比。
• 研究边界对关键系统性能指标（如信道容量、用户多路复用能力与波束成形精度）的影响。

Figure 1: Illustration of wireless communications in the near field and far field.

实验结果

研究问题

• RQ1 在信道容量预测方面，基于EDoF的近场-远场边界与经典瑞利距离相比，其准确性如何？
• RQ2 影响基于EDoF的近场-远场边界的几何与阵列配置关键因素有哪些？
• RQ3 边界距离如何随用户位置、方向与阵列孔径尺寸变化？
• RQ4 基于EDoF的边界在近场大规模MIMO系统中，如何提升用户多路复用与波束管理性能？
• RQ5 基于EDoF的边界能否推广应用于6G无线系统中不同类型共形与平面阵列结构？

主要发现

• 在ULAs对ULAs场景下，基于EDoF的近场-远场边界相比瑞利距离可将信道容量估计误差降低35%以上，尤其在高信噪比下表现更优。
• 基于EDoF的边界比瑞利距离更准确，因其与频谱效率（核心性能指标）直接关联。
• 边界距离显著受阵列方向与几何结构影响：当两个用户从基站看方向相同时边界距离最小，当其角度分离最大时边界距离最大。
• 对于URA对ULA配置，当URA垂直长度较小时，边界距离随方向角θ增加而增大；当垂直长度较大时，边界距离随θ增加而减小，原因在于有效孔径的依赖性。
• 当两ULAs的中心连线方向与阵列垂直时，边界距离达到最大值；当连线方向与阵列平行时，边界距离最小。
• 基于EDoF的边界可实现更优的用户分离能力，因为在近场中即使用户处于同一方向，其空间信道仍可区分，直至某一由边界决定的距离。

Figure 2: Antenna array configurations considered in this article. (a) Both the BS and user are equipped with a ULA, where $\alpha$ denotes the angle between the center of the BS ULA and the center of the user ULA, and $\beta$ is the angle of the user ULA with respect to the positive Z-direction wit