[论文解读] Near-Field Wideband Beamforming for Extremely Large Antenna Array.

Mingyao Cui, Linglong Dai+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2021

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 33被引用 17

一句话总结

本文提出一种基于分段远场模型与分段线性相位特性的时延聚焦方法，以缓解超大阵列中极宽频带通信的近场波束分裂效应，实现Tbps量级带宽通信的高 spectral efficiency。提出有效Rayleigh距离作为更精确的近场/远场区分度量。

ABSTRACT

Extremely large antenna array for wideband communications is a promising technology to achieve a Tbps data rate for next-generation communications. However, due to the extremely large bandwidth and antenna array aperture, the near-field beam split effect will severely decrease the actual transmission rates, which has not been investigated in existing works. To solve this challenging problem, we first reveal the near-field beam split effect and analyze the corresponding array gain loss. Then, a piecewise-far-field model with piecewise-linear phase property is proposed to approximate the near-field channel, based on which we propose a phase-delay focusing method to effectively mitigate the near-field beam split effect. Moreover, a new metric called effective Rayleigh distance is defined, which is more accurate than the classical Rayleigh distance to distinguish the far-field and near-field regions for practical communications. Finally, theoretical and numerical results are provided to demonstrate the effectiveness of our methods.

研究动机与目标

• 解决在太比特每秒（Tbps）宽频带通信中，超大阵列天线面临的未探索的近场波束分裂效应挑战。
• 分析在大孔径与宽带宽系统中，近场波束分裂效应引起的阵列增益损失。
• 提出一种实用模型——分段远场模型，具有分段线性相位特性，以近似复杂近场信道。
• 提出一种相位延迟聚焦方法，有效抑制波束分裂并恢复阵列增益。
• 引入有效Rayleigh距离作为改进度量，以更准确地区分实际宽频带系统中的近场与远场区域。

提出的方法

• 构建一种分段远场模型，通过将阵列划分为子孔径，每个子孔径视为具有线性相位变化的远场区域，以近似近场信道。
• 利用分段线性相位特性，高精度建模宽频带信号在近场中的球面波前。
• 设计一种相位延迟聚焦方法，补偿由近场几何结构引入的相位误差，最小化波束分裂。
• 推导有效Rayleigh距离作为带宽与阵列尺寸的函数，改进经典Rayleigh距离在宽频带系统中的适用性。
• 通过理论分析与数值仿真，验证所提模型与波束成形方法的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有宽频带信号的超大阵列中，近场波束分裂效应如何降低阵列增益与频谱效率？
• RQ2 在宽频带系统中，具有分段线性相位特性的分段远场模型在多大程度上能准确表示近场信道？
• RQ3 相位延迟聚焦方法是否能有效缓解波束分裂并恢复近场区域的阵列增益？
• RQ4 所提出的有效Rayleigh距离与经典Rayleigh距离相比，在区分实际宽频带通信中的近场与远场区域方面表现如何？
• RQ5 在实际宽频带大规模MIMO场景中，所提方法可实现的频谱效率与阵列增益提升程度如何？

主要发现

• 由于波前的空间变化，近场波束分裂效应在宽频带、超大阵列中导致显著的阵列增益损失。
• 所提出的分段远场模型通过分段线性相位近似，准确捕捉了近场信道响应，支持有效的波束成形设计。
• 相位延迟聚焦方法成功抑制了波束分裂，恢复了近场区域的阵列增益，并提升了频谱效率。
• 有效Rayleigh距离相比经典Rayleigh距离提供了更精确的近场/远场区分准则，尤其在宽频带系统中表现更优。
• 数值结果表明，所提方法即使在极端近场区域，也能实现接近最优的阵列增益与频谱效率。