以下是一篇学术报告，针对文档所描述的科研工作内容进行详细介绍。

这篇文章发表在 *IEEE Transactions on Wireless Communications*，卷号为第23卷第4期，发表于2024年4月。主要作者包括 Zidong Wu、Mingyao Cui 和 Linglong Dai（Fellow, IEEE），作者均来自清华大学电子工程系，并隶属于北京信息科学与技术国家研究中心（BNRist）。该研究获得了中国国家重点研发计划（2020YFB1807201）以及欧盟H2020框架计划（H2020-MSCA-ITN META WIRELESS项目956256）的部分资助。

研究背景及目的

本研究聚焦于无线通信领域的一个前沿方向：近场通信（near-field communications），对未来6G中的大规模多输入多输出（MIMO）系统的性能提升具有关键意义。在当前的5G通信中，基于传统大规模MIMO的远场平面波模型（far-field planar-wave model）已能显著提升频谱效率。然而，为满足6G时代对频谱效率的更高要求，更大规模的天线阵列系统（极大规模天线阵列，extremely large-scale antenna array，ELAA）正逐步成为研究热点。

随着ELAA天线阵列规模的迅速扩大，传统远场的平面波近似模型在近场区域变得不再准确。在近场区域中电磁波必须用球面波模型（spherical-wave model）进行描述，这对通信系统的设计提出了新的挑战与机会。然而，目前广泛研究的均匀线性阵列（Uniform Linear Array, ULA）由于在大角度入射/发射方向上的有效阵列孔径显著减少，导致其近场区域呈现收缩性，使得许多随机分布的用户无法充分受益于近场通信。

基于此，本文首次系统地研究了采用均匀圆阵列（Uniform Circular Array, UCA）替代常规ULA的可能性，以及UCA在扩展近场区域和提升用户覆盖性方面的潜力。本文目标是提出一种新的阵列几何构型，以克服ULA近场区域的局限性，使更多用户能够从近场通信中获益。

研究过程与方法

研究分为多个部分，以下是研究的详细流程及实验设计：

1. 系统模型的构建

文章构建了一个下行链路通信的模型，基站（Base Station, BS）配备具有$n$个天线的均匀圆阵列（UCA），用户则假设为单天线接收。在几何建模中，天线均匀分布在一个半径为$r$的圆周上，其位置通过极坐标$(r, \psi_n)$表示，$\psi_n$为特定天线的角度。

经典远场模型基于平面波的假设，认为不同用户的信道矩阵为低秩模型。然而在ELAA系统中，由于阵列孔径增加导致球面波效应显著，信道必须被建模为基于球面波的近场模型。研究通过公式推导了近场波束聚焦矢量（near-field beam focusing vector）作为信道的描述模型。

通过定义近场有效瑞利距离（Effective Rayleigh Distance, ERD）来区分近场与远场区域，文章详细分析了UCA与ULA在近场覆盖范围上的差异表现。

2. UCA的近场波束成形机制

通过几何关系和波束聚焦特性分析，研究探讨了UCA的近场波束增益在角度域和距离域的表现。在角度域的分析中，利用匹配滤波波束成形方法，得到波束增益与零阶贝塞尔函数（Bessel function）的关系式。为了更精确地刻画距离域的波束特性，研究推导了波束增益的封闭式表达，并分析近场波束的聚焦深度。

基于这些理论分析，文章提出了“同轴环形码本”（Concentric-Ring Codebook）设计方案，其创新之处在于通过角度域和距离域的独立采样生成波束码字。这种设计能显著降低大规模天线系统中的波束训练复杂度以及干扰管理难度。

3. 与ULA的对比分析

研究详细对比了UCA与ULA在近场通信性能上的表现。UCA因为其旋转对称性，能够在所有角度上提供一致的近场区域，其ERD与用户入射角无关，而ULA在大角度入射方向上ERD迅速减小。此外，UCA在距离域的更强聚焦性能进一步彰显了其潜力，能够显著减少功率泄漏，从而提升多用户场景中的频谱效率。

4. 圆柱阵列的扩展讨论

文章进一步将UCA扩展到三维结构：圆柱阵列（Cylindrical Array）。圆柱阵列可以看作多个沿z轴均匀间隔的同心UCA的组合。研究推导了圆柱阵列的波束成形增益，发现该增益表达式包含了UCA和ULA的特性组合，从而进一步拓展了近场波束成形的适用场景。

5. 仿真实验

研究通过一系列仿真实验验证了理论分析的正确性。例如，仿真表明UCA的波束成形增益能够严格按零阶贝塞尔函数的特性分布，各个采样点的波束增益具有可预测性。进一步的数值实验对比了UCA与ULA在近场区域有效覆盖能力和干扰管理能力上的差异，结果表明UCA在多用户场景中具备显著优势。

研究结果与结论

研究表明，均匀圆阵列（UCA）相比传统的均匀线性阵列（ULA），在以下几个方面表现出优越性： 1. 扩大的近场覆盖范围：由于UCA的旋转对称性，其ERD在所有角度上保持一致，而ULA在大角度方向上会显著减小近场覆盖范围。 2. 增强的聚焦能力：UCA在距离域的波束聚焦性能优于ULA，可实现更强的空间分离能力，从而提高多用户场景中的频谱效率。 3. 干扰管理潜力：UCA波束增益的零点特性可以被利用于干扰抑制，从而进一步提升通信的鲁棒性。 4. 近场码本设计：所提出的同轴环形码本能够高效实现近场波束成形，并显著降低波束训练的开销。

最终，研究表明UCA能够通过扩展近场区域和提升波束聚焦能力，让更多用户收益于近场通信的技术优势，从而为未来6G通信中的大规模MIMO系统提供了重要的设计参考。

研究亮点

1. 创新性的阵列几何设计：通过引入旋转对称的UCA替代传统ULA，为扩展近场通信的适用场景提供了一种新思路。
2. 深度的理论分析与数据支持：从数学建模到仿真验证，揭示了UCA在频谱效率和充足用户覆盖方面的潜力。
3. 全面的方案扩展：除了二维的UCA，研究还进一步探讨了三维圆柱阵列的波束特性，为今后的研究指明了方向。

价值与意义

本研究为提升未来6G通信中极大规模天线阵列的近场通信性能提供了新的理论支持和实践方案。论文提出的UCA几何设计与波束成形方法在提高频谱效率、降低干扰以及优化波束训练等方面具有重要应用价值。此外，研究还为多用户通信和空间资源的高效利用提供了创新路径。这些成果不仅强化了近场通信的基础理论，也为6G无线技术的工程实现指明了方向。