[论文解读] Near-Field Communications: What Will Be Different?

Yuanwei Liu, Jiaqi Xu+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2023

Antenna Design and Analysis被引用 30

一句话总结

本文分析了近场通信与远场通信在信道建模、性能、波束形成和 NG 应用方面的基本差异，提出基于格林函数的连续孔径模型与新的 NFC 波束形成结构。

ABSTRACT

The design dilemma of "What will be different between near-field communications (NFC) and far-field communications (FFC)?" is addressed from four perspectives. 1) From the channel modelling perspective, the differences between near-field and far-field channel models are discussed. A novel Green's function-based channel model is proposed for continuous-aperture antennas, which is contrasted to conventional channel models tailored for spatially-discrete antennas. 2) From the performance analysis perspective, analytical results for characterizing the degrees of freedom and the power scaling laws in the near-field region are provided for both spatially-discrete and continuous-aperture antennas. 3) From the beamforming perspective, far-field beamforming is analogous to a "flashlight" that enables beamsteering, while near-field beamforming can be likened to a "spotlight" that facilitates beamfocusing. As a further advance, a couple of new beamforming structures are proposed for exploiting the new characteristics of NFC. 4) From the application perspective, new designs are discussed in the context of promising next-generation technologies in NFC, where our preliminary numerical results demonstrate that distance-aware target sensing and enhanced physical layer security can be realized in NFC. Finally, several future research directions of NFC are discussed.

研究动机与目标

• 将 NFC 作为一个独立的工作制进行动机说明，因为 NG 网络中的球面波前和距离相关的信道特性。
• 开发能够捕捉近场效应的信道模型，覆盖空间离散天线与连续孔径天线。
• 表征近场与远场在 DoF 和功率尺度方面的性能差异。
• 提出针对 NFC 的波束形成架构与结构，以利用其独特特性。
• 讨论 NG 应用（感知、安全、SWIPT、STAR-RIS）并概述未来研究方向。

提出的方法

• 提出基于格林函数的近场信道模型，适用于连续孔径天线（ metasurfaces、STAR-RISs）。
• 对空间离散天线使用非均匀球面波（NUSW）模型以捕捉近场效应。
• 给出近场与远场两种制式的解析 DoF 与功率尺度分析。
• 引入近场波束聚焦概念，并与远场波束指向（spotlight vs. flashlight）进行对比。
• 设计并讨论波束形成结构：全连接（FC）、子连接（SC）和混合远/近场（HFN）结构。
• 讨论与6G 技术的集成及潜在应用（NOMA、ISAC、PLS、SWIPT、STAR-RIS）。

实验结果

研究问题

• RQ1 近场信道模型与离散孔径/连续孔径的远场模型有何不同？
• RQ2 近场信道相较于远场信道的 DoF 与功率尺度极限是什么？
• RQ3 如何设计波束形成以利用 NFC 的距离感知球面波前？
• RQ4 有哪些可行的 NFC 架构与结构（FC/SC/HFN）以在性能与硬件复杂度之间取得平衡？
• RQ5 哪些 NG 应用（感知、安全、ISAC、SWIPT、STAR-RIS）能最充分受益于 NFC，机制如何？

主要发现

• 近场信道具有与距离相关的球面波前，与远场信道相比能够带来更高潜在 DoF 与更强的波束聚焦。
• 连续孔径天线通过利用孔径内的正交电流分布来实现更高的 DoF 与多路复用，不再局限于天线数量。
• 近场功率尺度以不同的方式增长，并且可能会随着发射单元尺寸饱和，连续孔径相比离散天线具有更高的上限。
• NFC 的波束形成从波束指向转变为波束聚焦，能够实现定位感知聚焦和更强的阻塞鲁棒性。
• 提出的 FC、SC 与 HFN 波束形成结构在降低复杂度与功率问题的同时实现近场/远场的自适应性。
• NFC 在 NOMA、感知/ISAC、物理层安全、SWIPT、STAR-RIS 辅助系统以及近场空时通信等方面具有广阔前景。