推荐 | 工程院院刊FITEE“近场通信理论与应用”专刊上线！(内附论文全文阅读二维码)

摘要：

传统无线通信系统广泛利用了远场空间资源。随着6G网络的出现，近场资源的探索和利用势在必行。这些资源为无线通信系统引入了新的物理空间维度。通过利用更高频段并结合智能超表面（RIS）、超大规模多入多出（XL-MIMO）和无蜂窝网络等技术，近场通信将成为6G网络的关键推动因素。这种范式转变挑战了传统的远场平面波假设，需要重新评估空间资源管理策略。尽管传统系统已有效利用远场空间资源，但在6G网络中采用近场空间资源为重新定义无线通信系统提供了机会。这种向近场通信的转变促进了对创新技术范式的研究。近场通信有可能显著提高频谱效率、数据传输速率和空间分辨率，从而在增强现实、高精度定位、通感一体化以及安全无线能量传输等领域实现先进应用。影响近场通信开发和应用的关键因素包括近场传播和信道建模、提高空间资源利用率、硬件挑战以及工程实践与标准化。这些领域强调了近场通信的多面性，反映了在标准化工作的同时，对建模、技术、硬件开发和工程实践进步的需求。近场通信具有推动无线技术发展的变革潜力，为消费者、工业和安全等领域的应用提供了新的可能。在此背景下，中国工程院院刊《信息与电子工程前沿（英文）》邀请张平院士担任主编，赵亚军总工、戴凌龙教授、Marco di Renzo教授担任执行主编，组织出版了”近场通信理论与应用”专刊。专刊收录12篇文章，包括2篇综述、5篇研究、5篇通讯，内容涵盖近场传播基本原理、信道模型的发展、传统机制在近场环境中面临的限制等，此外包含XL-MIMO信道研究、同时无线信息和能量传输（SWIPT）系统以及RIS的最新研究进展，以及它们在增强通信系统中的应用。

摘要：

近场技术因其对通信系统的变革性潜力而日益受到认可，成为推动第六代（6G）系统发展的关键技术。本文全面综述了近场技术研究的最新进展。首先，深入探讨了近场传播的基本原理，详细阐述了其定义、传输特性和性能分析。接着，研究了各种近场信道模型，包括确定性模型、随机性模型和基于电磁信息理论的模型，并回顾了近场信道测试的最新进展，重点介绍了实际性能及其局限性。随着信道模型的不断发展，传统的信道估计、波束训练、码本设计等机制需要重新设计和优化，以适应近场传播特性。随后，介绍了近场技术所支持的新型波束设计，重点讨论了非衍射波束（如贝塞尔波束和艾里波束）和轨道角动量（OAM）波束，同时涉及硬件架构和信号处理框架，展示了它们在近场通信系统中的革命性潜力。此外，强调了工程和标准化方面的进展，涵盖了6G的主要频谱分配、支持近场传播的关键技术以及网络部署策略。最后，总结了近场技术发展的未来研究方向，这些方向有望对系统设计产生重大影响。这篇综述文章提供了对近场技术当前状态和未来潜力的深入理解。

关键词：

6G；近场技术；信道模型；码本；非衍射波束；轨道角动量；工程与标准化

摘要：

超大规模多入多出（XL-MIMO）通过部署大规模的天线获取更大空间自由度，是使能第六代移动通信网络（6G）的关键技术之一。XL-MIMO信道模型是XL-MIMO技术优化、系统设计和性能评估的先决条件。本文首先概述XL-MIMO信道研究在测量、表征和建模这三个方面遇到的挑战和最新进展。其中，讨论了近场空间非稳性的测量结果与表征方法。然后，综述了基于统计性、确定性和混合方法的XL-MIMO信道建模方法。最后，指出XL-MIMO信道研究在测量、表征与建模方面的研究方向。

关键词：

第六代移动通信网络（6G）；超大规模多入多出（XL-MIMO）；近场；信道测量；信道建模

摘要：

本文研究了一种智能全向超表面辅助的多用户近场宽带通信系统，提出了一种基于深度强化学习的鲁棒算法。通过联合优化基站的主动波束成形和智能全向超表面的被动波束成形，提升用户的可达速率。为缓解宽带通信中的波束分裂问题，引入了时相联合的混合预编码结构，以实现高效的宽带波束成形。考虑到智能全向超表面相移模型的耦合性，将无源波束成形设计转化为连续与离散相移的混合控制问题，并通过混合动作映射解决高维连续动作的控制难题。此外，针对现有深度强化学习算法中的估计偏差问题，引入softmax算子有效减轻了该偏差。仿真结果表明，所提算法在克服估计过高和估计过低问题方面优于现有算法。

关键词：

深度强化学习；近场波束成形；智能全向超表面；宽带波束分裂

摘要：

随着毫米波通信系统的发展，大规模可重构智能超表面（RIS）作为一种增强信号强度和扩展覆盖范围的潜力技术，受到广泛关注。然而，随着天线规模和带宽的增加，RIS辅助的宽带正交频分复用（OFDM）通信系统在高频段面临着近场范围扩展和波束分裂效应带来的挑战，导致信道状态信息（CSI）的获取更加困难。为应对这些挑战，本文利用波束分裂效应提出一种基于码本的三阶段波束训练方案，从而避免了CSI估计。具体而言，分析了RIS辅助OFDM通信系统中的波束分裂效应，设计了一种波束分裂感知码本。与传统窄带码本相比，该码本使用更少的码字即可覆盖近场和远场。基于此码本，三阶段波束训练机制得以实施，该机制以低时间开销获得最优码字，从而便于后续波束成形。仿真结果表明，在混合近-远场条件下，所提方案在波束训练准确率和数据传输速率方面优于现有基于近场或远场窄带码本的方案。

关键词：

近-远场；波束分裂；码本设计；波束训练；可重构智能超表面

摘要：

本研究提出一种基于可见区域的超大规模可重构智能表面辅助大规模多输入多输出系统的双时间尺度传输方案。在此方案中，基站的波束成形是基于快速变化的瞬时信道状态信息设计的，而可重构智能表面的相位偏移则是基于缓慢变化的统计信道状态信息配置的。具体而言，首先建立了一个包含空间相关莱斯衰落信道的系统模型，并引入了可见区域的概念。然后，推导了可实现速率的闭式近似表达式，并分析了可见区域对系统性能和计算复杂度的影响。接着，通过基于加速梯度上升的算法优化可重构智能表面的相位偏移，解决了最大化最小用户速率的问题。最后，展示了数值结果，验证了所考虑系统在不同方面的性能，并揭示了在可见区域理论的帮助下，部署超大规模可重构智能表面在大规模多输入多输出系统中的低系统复杂度。

关键词：

可重构智能表面；大规模多输入多输出；双时间尺度传输方案；可见区域

摘要：

使用大规模天线阵列的近场通信是6G通信中的热门研究课题之一。可重构智能表面（RIS）是一种经济有效的近场电磁调制方法。本文提出一种2比特双极化RIS，具有低成本、低功耗、高精度和极化分集的优点。每一个单元由一个缝隙耦合贴片、两个SP4T开关和两组微带延时线组成。通过一个SP4T开关控制四条延时线的通断，实现了2比特的相位分布。通过放置两个正交缝隙实现了双极化设计。本文采用15×15的原型机在3.6 GHz频段进行了性能验证，可以实现±60°范围的波束扫描，水平极化和垂直极化的最大口径效率分别是40.1%和38.3%。本设计中RIS原型机的总功耗在100 mW左右，在6G近场通信中是很有吸引力的设计方案。

关键词：

可重构智能表面；双极化；近场通信；6G通信

摘要：

本文基于张量分解研究了近场多输入多输出（MIMO）正交频分复用（OFDM）系统中多目标位置和速度的联合估计问题。考虑各天线发送携带有通信消息且在频域中彼此正交的OFDM波形，此时的近场多目标位置和速度估计问题涉及到球面波前信号模型，其求解是极具挑战的。然而，基于球面波前的信号模型具有更高的空间位置分辨率，如果设计得当，可以用于提高参数估计精度。本文提出一种基于CANDECOMP/PARAFAC(CP)分解的近场定位（CP-NFL）算法，用于多目标位置和速度的联合估计。该方法将接收到的信号表示为一个三阶张量；根据其因子矩阵，在此基础上将原非凸优化问题转化为凸优化问题，并使用CVX工具求解。我们的分析表明，所提出的方法可以保证CP分解的唯一性，并且计算复杂度与子载波数、OFDM符号数、天线数和目标数的三次方之和呈线性关系。仿真结果表明，相比现有方法，该方法在估计精度和计算复杂度方面都具有明显优势。

关键词：

太赫兹；多输入多输出-正交频分复用（MIMO-OFDM）；近场定位（NFL）；速度估计；张量分解

摘要：

本文研究超大规模多入多出（XL-MIMO）系统中的有效自由度（EDoF）问题。考虑了两种XL-MIMO硬件架构–基于均匀平面阵列（UPA）和连续孔径（CAP）的XL-MIMO系统，以及两种具有代表性的近场信道模型——基于标量格林函数的信道模型和考虑三极化的并矢格林函数信道模型。首先，对于基于UPA的XL-MIMO系统，通过离散信道矩阵分析其EDoF性能。然后，针对基于CAP的XL-MIMO系统，构建了一个适用于二维CAP平面的EDoF性能分析框架，该框架利用渐近分析方法并扩展了现有一维CAP线段系统的分析方法。研究结果表明，随着天线数量的增加，基于UPA的XL-MIMO系统的EDoF性能趋近于基于CAP平面的XL-MIMO系统。此外，信道中的多极化效应以及收发器物理尺寸的增加有助于提升EDoF性能。

关键词：

超大规模多入多出（XL-MIMO）；近场通信；有效自由度；极化效应

摘要：

现如今，无线传感器设备的数量正在迅速增加，这给重新更换电池和电源布线带来了长期的挑战。本文提出一种基于频率分集超表面设计的携能通信（SWIPT）方案，为传感器等电子设备提供了一种新的无线供电方案。超表面采用环境中常见的频段设计，可实现在5.8 GHz时高效接收电磁（EM）能量，在2.45 GHz时传输传感器信息，使其能够充分利用环境中的能量，并易于与现有系统集成。双方环的枝节是基于空间阻抗匹配和等效电路设计，具有体积小（单位尺寸为0.16λ₀×0.16λ₀×0.012λ₀，其中λ₀是2.45 GHz处的波长）、高隔离度（工作频带内S21<−20 dB）和对入射角不敏感（在60°内保持80%以上的效率）等优点。超表面与整流电路和传感器集成，可有效地将超表面接收到的电磁波转换为直流电以供传感器工作。然后，传感器通过超表面辐射信息，有效解决与传感器设备布线和电池更换相关的挑战，从而为下一代智慧城市的发展提供新的解决方案。

关键词：

频率分集；超表面设计；携能通信系统（SWIPT）；传感器

摘要：

本文讨论了一种基于交叉波束合成理论计算近场空间功率合成效率的方法，用于无人机集群在电子对抗系统中的应用。通过建立无人机阵列物理模型和近场空间功率合成的工作原理解释无人机干扰的功率合成效率。分析了无人机定位和姿态精度等参数对合成效率的影响，以及无人机在实际场景下的影响因子，包括平台抖动、损伤率和时间同步精度。最后，构建了一个基于光纤同步的测试场景，以测量具有高精度时间同步下的空间功率合成效率。研究结果进一步证明了所提近场交叉波束计算方法在分布式无人机干扰应用中的有效性和可靠性。

关键词：

空间功率合成；近场；分布式无人机干扰；交叉波束合成

摘要：

无线通信由于其广播特性而容易受到恶意干扰和窃听攻击的影响。超大规模可重构智能表面展示了其增强物理层安全并补偿严重路径损耗的能力。本文研究了一种超大规模可重构智能表面赋能的抗干扰、防窃听近场物理层安全通信系统，该系统借助人工噪声来抵御干扰和窃听攻击。为最大化保密容量，提出一种交替优化算法，在基站最大发射功率和超大规模可重构智能表面单位模约束下，联合优化基站处的波束成形器和超大规模可重构智能表面处的反射系数矩阵。对于基站的波束成形和人工噪声设计，引入辅助变量将子问题变换为易处理的形式，并通过所提基于连续凸逼近的算法求解。对于超大规模可重构智能表面处的反射系数矩阵设计，提出基于流形优化算法应对大规模变量及单位模约束的挑战。数值结果表明，即使窃听者位于合法用户相同方向且距离超大规模可重构智能表面更近，仍能确保安全通信。

关键词：

近场通信；物理层安全；超大规模可重构智能表面；波束成形；反射系数设计

摘要：

本文提出一种采用有源均匀圆阵列（UCAs）实现五模态同时传输的轨道角动量（OAM）复用通信系统。在28 GHz的中心频率下，设计了双环圆阵列收发阵面，每个阵面由多个4×4微带子阵列组成。每个模态采用独立的有源收发模块（T/R），其T/R由波束形成集成电路和馈电网络组成。装置中央额外集成了可以传输模态0的天线。与有源相控阵系统类似，装置能够通过调整移相器来重新配置接收和发射的模态。可以按照具体需求分配不同的OAM模式给各组UCA，且每个UCA的接收和发送状态可以独立配置。在本研究中，设计了一个距离为6米的OAM复用通信链路，实现了3 Gb/s的数据传输速率。

关键词：

轨道角动量；有源相控阵；通信系统