第六代移动通信网络技术愿景

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第六代移动通信网络（The 6th Generation mobilecommunication technology，6G）将支持包括全息视频、数字孪生在内的新兴应用。为了实现这些愿景，研究人员投入了大量精力开发新型无线技术，以满足6G的关键性能指标 （key performance indicators, KPI）这些指标显著优于第五代移动通信网络（The 5th Generation mobilecommunication technology，5G）[1]。由于6G无线网络的性能目标远超当前的无线通信系统，预计6G无线网络将融合两大新兴技术趋势：超大规模多输入多输出（Ultra-MassiveMultiple-Input Multiple-Output， UM-MIMO）和更高的工作频段。一方面，UM-MIMO技术能够实现显著的阵列增益和高空间分辨率，从而提升网络容量和连接性能。另一方面，高频段，如毫米波（Millimeter-Wave，mmWave）和太赫兹（terahertz， THz）频段，可以提供巨大的带宽资源，进一步增强网络性能。具体而言，毫米波和太赫兹UM-MIMO可为6G移动通信提供每秒数太比特的峰值数据速率，实现100倍的速率提升[2][3]。

与5G网络核心技术的大规模MIMO相比，超高频段的次毫米波长使得在发射和接收端天线阵列设计包含256、512甚至1024个天线单元成为可能，从而实现THzUM-MIMO[4]。这种设计可以通过提供高波束赋形增益来补偿路径损耗，并解决通信距离问题。然而，6G中的UM-MIMO不仅意味着天线数量和载波频率的急剧增加，还会导致电磁（electromagnetic,EM）特性的根本性变化。需要注意的是，瑞利距离与阵列孔径平方和载波频率的乘积成正比[5]。在瑞利距离之外，即远场区域，EM场可被近似建模为平面波。在瑞利距离以内，即近场区域，EM场则需要通过球面波进行精确建模。由于5G大规模MIMO系统中的天线数量有限，瑞利距离通常仅为数米，因此可以忽略不计。因此，现有的5G通信技术主要基于远场通信理论和方法。然而，随着未来6G系统中天线数量和载波频率的显著增加，UM-MIMO的近场区域将扩大若干数量级。例如，文献[2] 中开发的3200元个阵元的天线阵列，其工作频率为2.4 GHz，阵列尺寸为2米×3米，其瑞利距离约为200米，已超出典型5G小区的半径。因此，近场UM-MIMO通信将成为未来6G移动通信网络的关键组成部分，需要考虑球面传播模型，这与现有的远场5G系统有着显著不同。

与当前5G毫米波大规模MIMO类似，混合波束赋形架构被广泛认为是UM-MIMO的可行解决方案。在更高的频段，许多硬件限制使得传统的数字预编码难以实现，因此，混合波束赋形被视为一种有前景的技术[6][7]。混合波束赋形通过将信号处理分为数字基带域和模拟射频域，能够在保持低硬件复杂度和功耗的同时，实现令人满意的频谱效率[8]-[13]。传统的大规模MIMO混合波束赋形通常假设平面波传播，并将用户设备 (UE) 方向设计为模拟波束赋形，其中每个天线单元的相位相同。然而，在近场区域，球面波的相位应基于物理几何结构精确计算，这是一种依赖于天线索引的非线性函数。基站（Base Station, BS）和（User Equipment, UE）之间每条路径的入射角和距离信息都嵌入在这种非线性相位中。通过利用球面波前的额外距离信息，近场波束赋形可以将波束能量聚焦在特定位置，在角度和距离域同时实现能量集中。由于这一特性，近场波束赋形也被称为波束聚焦[14]。

除了这种模拟波束形状的独特特性外，近场传播还为UM-MIMO系统的波束赋形技术带来了新的挑战，这些挑战需要解决，以便充分发挥6G通信的潜力。首先，即使天线数量巨大，信道的自由度（Degree of Freedoms, DoFs）仍受到有限可分辨路径数量的限制。能够支持信号传输的路径方向因此变得尤为珍贵。有效利用每个方向，并以结构化正交方式传输多个数据流，能够进一步提升系统吞吐量[15]。其次，在高频宽带系统中，UM-MIMO更容易遇到波束分裂现象，即波束偏移或空间宽带效应。现有的混合波束赋形架构通常采用模拟移相器（Phase Shifter, PS），其为不同频率的信号调谐相同的相移[16]。然而，电磁波的实际相位是信号传播延迟与频率相关波数的乘积。因此，信号传播延迟只能通过相移充分补偿窄带信号，对于其他频率则会引入相位误差，从而导致波束分裂效应。

另一方面，近场传播为混合波束赋形设计提供了新的潜力，这些潜力是现有5G远场传输方法无法挖掘的。首先，在球面传播模型下，近场视距（Line-of-Sight, LoS）信道可通过几何关系推导出满秩信道矩阵。具体而言，基于椭球波函数的展开，文献[17] 证明了近场空间自由度与基站和UE阵列孔径的乘积成正比，而与传输距离成反比。这表明，即使在散射环境较少的情况下，也能实现高空间复用度[16]。其次，近场传播还能够在多用户通信中提高系统容量。如前所述，近场波束聚焦具备在角度-距离域聚焦能量的能力[18]。因此，近场波束聚焦能够生成具有球面波前的波束，同时为位于相似角度但不同距离的用户提供服务。

鉴于近场UM-MIMO通信的独特特性与挑战，本研究将重点探讨近场UM-MIMO系统的混合波束赋形设计。为了充分利用UM-MIMO系统的性能，传统为大规模MIMO设计的混合波束赋形已不足够。显然，为实现近场UM-MIMO通信，有必要针对不同的传输场景重新设计混合波束赋形架构，并开发符合新传输需求的混合波束赋形算法。