IEEE Open Journal of Vehicular Technology专题文章分享:面向毫米波与太赫兹 MIMO 系统的远场、近场与跨场波束管理技术综述
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本期月度专栏的首篇文章是一篇特邀综述论文,由上海交通大学的研究团队联合完成。文章围绕远场、近场以及跨场无线传播场景,深入浅出地梳理了波束管理技术的发展脉络,生动揭示了不同传播场区下的信道特性如何影响系统设计取舍、工程实现难点,以及面向下一代无线网络的潜在研究方向。
Cross Far- and Near-field Beam Management Technologies in Millimeter-wave and Terahertz MIMO Systems
Yuhang Chen; Heyin Shen; Chong Han
Published in Volume 7, IEEE Open Journal of Vehicular Technology
https://ieeexplore.ieee.org/document/11239413
试想这样一个世界:你的无线连接在定位你时,不仅需要知道你的方向,还必须精确感知与你之间的距离。这正是大规模天线阵列和高频信号所带来的新现实——它们将近场区域扩展为一个广阔且可通信的空间。在这样的环境中,简单的“手电筒式”波束已远远不够,我们需要更加精准的“聚光灯”。由此便产生了跨场(cross-field)挑战:当用户可能位于传统远场、扩展近场,或在两者之间移动时,我们该如何进行高效的波束管理?
为回答这一问题,我们将波束管理系统性地组织为四个核心支柱:信道建模、信道获取、波束成形设计以及波束跟踪。首先,我们需要确定一种既能刻画近场中的曲面波传播,又能描述远场中平面波特性的信道模型。为此,我们对比了精确但复杂的球面波模型、在近场失效但形式简单的平面波模型,以及在两者之间取得平衡的新型混合模型。更为关键的是,我们阐明了这些模型如何塑造波束形态,使波束控制从仅依赖角度的指向,发展为联合角度–距离的精确聚焦。
随后,我们转向信道获取问题,即在二维“角度–距离”空间中定位用户。我们系统综述了从穷举式、分层式到基于学习的方法等多种波束扫描策略,并进一步讨论了与之相匹配的信道估计技术。在完成用户定位后,波束成形设计开始发挥作用,对信号进行精细塑造。我们分析了不同系统架构和算法如何实现自适应波束成形——从适用于远场的“手电筒式”宽波束,到面向近场精确指向的“聚光灯式”窄波束。最后,我们回顾了波束跟踪策略,探讨如何利用预测与自适应方法,在用户跨越场区边界移动时保持稳定连接并实现无缝对准。
总而言之,本文将对信道物理的场区感知理解与工程实践中的波束管理框架紧密结合,揭示了传统方法在跨场场景下的不足,并为未来具备跨场能力的无线网络发展提供了清晰指引。
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