摘要 超大规模三维多输入多输出(three dimensional multiple-input multiple-output, 3D MIMO)由于提供了巨大的空间自由度将成为未来6G移动网络的潜在关键支持技术,然而超大规模3D MIMO也带来了新的电磁效应–近场效应.近场效应为通信与感知系统提供了深度感知与高精度目标检测,能够有效提升通信与感知系统的整体性能.本文从经典电磁信息论入手,分析了超大规模3D MIMO技术带来的新的电磁效应,并刻画了基于近场球面波前的信道模型与信道容量,然后介绍了近场通信与感知的典型应用,包括波束训练、混合预编码和联合目标检测与信道估计,最后介绍了近场通信与感知的未来研究方向,并进行了总结.

关键词 近场通信; 电磁信息论; 信道建模; 通信与感知; near-field communication; electromagnetic information theory; channel modeling; sensing and communication

摘要 太赫兹(THz, Terahertz) 通信具有高传输速率和强抗干扰等特点, 可以解决目前无线通信系统的频谱资源稀缺和容量限制问题, 被认为是第六代(6G, 6th generation) 移动通信中最具前景的技术之一. 而太赫兹频段存在高传播损耗问题, 利用大规模多输入多输出(MIMO, multiple input multiple output) 技术可以补偿这种衰减. 为充分利用太赫兹频段的优势, 需要探究太赫兹大规模MIMO 的信道特性并且建立准确高效的信道模型. 本文开展典型会议室视距(LoS, line of sight) 场景下260∼400 GHz 高频段宽频带的128 根天线虚拟大规模MIMO 阵列的近场通信信道测量活动. 首先, 介绍了基于矢量网络分析仪(VNA, vector network analyzer) 的扩频方案的太赫兹信道频域测量系统及环境部署; 其次, 阐述了该系统的校准原理, 并且重点对主径近端杂散问题进行理论分析; 最后, 基于测量结果验证了不同发射机位置的空间一致性, 并且全面分析了太赫兹室内信道特性, 包括多径特性, 多天线阵列轴上非平稳特性以及近场相位特性. 分析结果表明该频段太赫兹信道多径呈现明显的稀疏分布和成簇分布的特点, 且多天线阵列相位变化与近场球面波函数(SWF, spherical waveform function) 拟合良好. 此外, 可以观察到散射簇沿多天线阵列轴方向出现明显的生灭现象, 这说明太赫兹信道沿阵列轴呈现非平稳特性.

关键词 信道测量; 太赫兹通信; 空间非平稳特性; 大规模MIMO; 近场球面波函数; channel measurement; terahertz communication; spatial non-stationary characteristics; missive MIMO; near-field SWF

摘要 本文针对超大规模MIMO (extremely large-scale multiple-input multiple-output, XL-MIMO)系统的混合场信道估计问题,提出了一种基于远近场路径分量分离的牛顿化正交匹配追踪(separationbased Newtonized orthogonal matching pursuit, S-NOMP)算法.首先研究适用于分离远场路径及近场路径分量的阈值准则,进而对混合场中远场及近场路径分量进行精确识别及分离.在此基础上,对分离出的路径分量分别使用远场牛顿化正交匹配追踪(far-field NOMP, F-NOMP)和近场牛顿化正交匹配追踪(near-field NOMP, N-NOMP)算法进行信道估计,实现在混合场复杂信道环境中远场及近场路径分量比例先验信息未知的情况下,以较低复杂度完成对多条路径信道参数的精确估计以及对混合场信道的高效重构.相较于其他混合场信道估计算法,该算法能够在缺乏信道远近场路径分量比例先验信息的条件下,仍获取高效的信道估计结果.仿真结果表明所提S-NOMP算法可以实现更加灵活高效的混合场信道估计,且相较于现有算法具备更高的估计精度.

关键词 超大规模MIMO; 混合场信道; 远近场路径分离; 信道估计; XL-MIMO; hybrid-field; near-field and far-field paths separation; channel estimation

摘要 在近场区域内,智能反射面(reconfigurable intelligent surface, RIS)辅助的通信系统中面临着信道估计导频开销大,优化算法复杂度高等挑战.针对以上问题,建立了基于菲涅尔衍射理论的菲涅尔椭球模型,分别设计了双模态智能反射面模型并由此提出了低导频开销的通感一体化(integrated sensing and communication, ISAC)帧结构和低复杂度的分布式通感算法.具体来说,基于用户粗定位信息,首先通过联合位置信息和菲涅尔空间的参数椭球提出了透射RIS下的配置算法在RIS控制器处感知用户的精定位信息.之后基于精定位和基站反馈的信道估计的相位偏移量并考虑离散相移约束,提出了反射RIS下的通信算法.其中,基站采用最大比传输且不需要估计RIS相关信道,而精定位和反射RIS的参数配置全程由RIS控制器驱动且不需要基站的控制.分析和仿真结果证明了所提方法在导频开销和计算复杂度的优越性.

关键词 智能反射面; 离散相移约束; 近场通信; 位置辅助通信; 通感一体化方法; reconfigurable intelligent surface; discrete phase shift constraint; near-field communications; location-aided communications; ISAC scheme

摘要 随着智能机器人产业的蓬勃发展,将通信和感知功能同时集成到通信设备中已成为未来的一个重要发展趋势.为了实现通信设备的高精度感知,利用设备移动性形成大规模虚拟天线阵列,成为一种具有前景的解决方案.然而,现有利用通信设备移动性的感知系统基于远场信道假设设计,仅能提供到达角(angle of arrival, AoA)定位信息,无法直接提供距离估计,需要部署多个接入点(access point, AP).针对该问题,本文通过融合多天线信道状态信息(channel state information, CSI)和机器人的运动轨迹,为移动机器人开发了一种新型近场感知架构,仅需单个AP就能实现高精度定位.具体而言,本文首先提出了AoA-距离参数联合估计方案,并通过耦合两根天线的CSI矫正相位偏移.其次,本文在理论上证明了在近场条件下,多天线CSI耦合的方案在直线轨迹和弧形轨迹均能实现高精度定位.然后,本文进一步提出了聚类加权多尺度估计方案精准分离视距路径.最后,本文搭建了一个基于移动机器人和商用WiFi的原型实验验证系统.实验结果表明,所提系统可以在复杂的环境中工作,其定位精度优于现有方案.

关键词 近场感知定位; 移动机器人; 虚拟天线阵列; 信道状态信息; 移动轨迹; near-field sensing and localization; mobile robot; virtual antenna array; channel state information; mobile trajectory

摘要 随着6G网络的发展,通信与环境感知的深度融合已成为重要的研究方向之一.本文提出了一种新颖的近场联合成像与通信系统,旨在通过优化波束成形策略刻画近场成像与通信之间的性能折中关系.具体而言,本文将近场成像等效信道条件数最小化作为设计目标,并以近场通信速率和总发射功率为约束,研究了相应的波束成形设计问题.为有效求解该问题,本文提出了半定松弛与连续凸近似相结合的优化方法.最后,数值仿真验证了所提波束成形设计方法的有效性,并展示了近场联合成像与通信系统中成像和通信性能的折中关系.同时,仿真结果还展示了系统条件数与成像精度之间的关系,验证了以条件数最小化为优化设计准则的有效性.

关键词 近场通信; 近场成像; 联合成像与通信; 波束成形; 6G网络; near-field communication; near-field imaging; integrated imaging and communication; beamforming; 6G networks