综合报告: 基于超大规模MIMO的新信道特性与低成本设计综述

作者与发表信息

本综述文章发表于 IEEE Internet of Things Journal，题为《Toward Extra Large-Scale MIMO: New Channel Properties and Low-Cost Designs》。主要作者包括 Yu Han（Southeast University，China）、Shi Jin（Southeast University，China）、Michail Matthaiou（Queen’s University Belfast，UK）、Tony Q. S. Quek（Singapore University of Technology and Design & Kyung Hee University, South Korea）以及 Chao-Kai Wen（National Sun Yat-Sen University, Taiwan）。文章于 2023 年 8 月 15 日正式发表。本文受中国国家自然科学基金、新加坡国家研究基金会及其他项目资助。

背景与研究目标

在第五代（5G）通信系统中，大规模多输入多输出（Massive MIMO）技术已经证明是提高数据传输速率的重要手段。通过在基站（Base Station, BS）配备数十甚至数百个天线，Massive MIMO 能够显著提升空间分辨率并支持多用户在相同时间和频率资源上的传输。然而，为了适应下一代（6G）通信系统中对超高速率、低延迟以及新兴应用（如感知与定位）的需求，超大规模 MIMO（Extra Large-Scale MIMO, XL-MIMO）的概念应运而生。

XL-MIMO 相比于传统的大规模 MIMO 系统，天线规模扩大至数百甚至上千，与此同时在信道特性、硬件成本以及处理复杂性方面显现出新的挑战。本文旨在系统回顾 XL-MIMO 的新信道特性、低成本架构以及相关设计方法，为未来通信系统实践提供理论指导。

文章主要内容

1. 新信道特性及其背景

XL-MIMO 的关键特性包括空间非平稳性（Spatial Nonstationarity）、球面波传播（Spherical Wave Propagation）及用户可见区域（Visibility Region, VR）。这些特性源于天线阵列整体孔径的扩大以及用户与天线阵列之间距离的缩短。

• 空间非平稳性：对于传统 MIMO 系统，用户通常位于阵列的远场，信号传播可以被归类为平面波。然而在 XL-MIMO 中，大尺度的天线阵列导致信道特性在空间上出现显著的异质性。
• 球面波传播：由于 XL-MIMO 的天线阵列极其靠近用户，用户处于近场（Near Field）或 Fresnel 区域，信道传播模式表现为球面波而非平面波。
• 用户可见区域（VR）：用户与 XL-MIMO 天线之间的信道功率分布不均匀，主要由路径损耗和障碍物遮挡引起。

2. 信道建模

文章详细研究了球面波传播对 XL-MIMO 信道的影响，提供了基于三种信道响应模型的分析：

1. 模型 1：理想的功率完全采集，适用于均匀球面传播。
2. 模型 2：功率采集受到用户位置及天线方向性影响。
3. 模型 3：涵盖了天线方向性和电磁波极化特性。

基于这些模型，分别定义了 XL-MIMO 中的近场、Fresnel 区域和远场，并给出了分界距离（如 Rayleigh 距离）的计算公式。

3. 用户可见区域的定义与建模

• 起源：用户可见区域的形成主要由路径损耗的不均匀分布及遮挡物引起。
• 定义：用户可见区域被定义为包含能接收到大部分信道功率的天线子集。
• 建模：通过划分用户信道协方差矩阵或引入方向矢量与 VR 掩码相结合的方式，量化用户可见区域，并分析了它与信道空间稀疏性的关系。

4. XL-MIMO 信道中的空间非平稳性

XL-MIMO 信道的空间非平稳性主要表现在信道协方差矩阵的稀疏性。文章分析了传统 MIMO 中信道空间平稳性的假设不再适用于 XL-MIMO，并通过模型验证了存在球面波和 VR 的情况下如何影响信道的统计特性。

低成本 XL-MIMO 架构设计

XL-MIMO 的硬件成本极高，主要体现在射频链路（Radio Frequency, RF）和天线接口的复杂性上。文章从以下两种低成本设计出发，提出了解决方案。

1. 主动天线阵列的设计

通过减少 RF 链路数目与 PS（Phase Shifter, 相移器）组件实现硬件优化：

• 连接类型：

  • 天线选择：单 RF 链路控制单天线，适合大规模阵列。
  • 部分阵列连接：单 RF 链路控制子阵列，可进一步缩减 RF 模块规模。
  • 全阵列连接：传统大规模 MIMO 的全连接结构，但对于 XL-MIMO 来说成本过于昂贵。

• 组件类型：

  • 使用低成本的开关（Switch）替代 PS。
  • 通过动态子阵列结构提升灵活性及性能。

2. 可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）

RIS 是一种几乎被动的表面，通过调控入射信号的反射相位、幅度甚至极化，创造理想的无线传播环境。文章分析了 RIS 的物理组成与信道建模方式：

• 应用场景：RIS 可作为非直视路径（NLOS）下的信号反射器，增强信号覆盖范围。
• 信道建模：通过统一建模公式展示 RIS-辅助通信如何提供另一条可控传输路径，改善信号质量。

文章的意义与价值

本文通过系统综述 XL-MIMO 的新信道特性及低成本设计，全面展示了未来 XL-MIMO 技术的研究方向与实际应用可能性。科研价值主要体现在以下几个方面：

1. 理论贡献：定义并分析了 XL-MIMO 系统的新信道特性（如 VR 和空间非平稳性）及其对通讯系统设计的深远影响。
2. 工程应用：提供了一系列低成本的硬件架构设计原则，为 XL-MIMO 商用化提供可行性路径。
3. 展望未来：通过对 RIS 的深入探讨，推动了大规模非主动天线阵列的发展方向。

总结

随着第六代（6G）通信系统对高性能无线网络的需求持续增长，超大规模 MIMO 技术因其卓越的性能和潜力成为了关键的研究领域。本文的系统综述不仅为 XL-MIMO 的研究提供了坚实的理论基础，也为其未来的商用部署提供了重要参考和指导。