用于XL-MIMO通信的近场联合空间分集与复用技术

《Science China-Information Sciences》：Near-field joint spatial-division and multiplexing for XL-MIMO communications

针对超大规模MIMO通信中高维信道估计带来的过载问题，本文提出近场统计CSI驱动的两阶段预赋形联合空分多址（NF-JSDM）方案，通过引入非均匀球面波模型和差异化的用户分组算法，有效降低估计复杂度并提升性能。

　　

摘要

在极大规模的多输入多输出（XL-MIMO）通信中，超大型天线阵列会导致过高的信道估计开销。联合空间分割与复用（JSDM）可以通过利用用户组信道空间协方差的先验知识来设计预波束成形矩阵，从而缓解这一问题。这使得系统在预波束成形后只需估计低维的等效信道，而无需估计完整的高维瞬时信道，从而显著降低信道估计开销。然而，现有的JSDM依赖于零均值信道模型、均匀平面波（UPW）模型以及同一组内所有用户信道统计特性相同的假设，由于新的信道特性（包括近场非均匀球面波（NUSW）和部分阵列可见性），这种做法已不再适用于XL-MIMO通信。因此，我们提出了一种适用于XL-MIMO通信的近场JSDM（NF-JSDM）方法，该方法利用了开发的近场统计信道状态信息（CSI），包括信道均值和协方差。与传统的远场JSDM（FF-JSDM）相比，所提出的NF-JSDM考虑了更一般的非零均值信道模型，并能够适应同一组内用户之间的统计CSI差异。此外，我们还提出了一种高效的用户分组算法，以实现更精确的用户组划分。与FF-JSDM类似，NF-JSDM也通过基于统计CSI的预波束成形来降低信道估计开销。不同的是，NF-JSDM进一步利用了一阶和二阶近场统计CSI，并引入了两阶段预波束成形方案，以进一步考虑组内用户之间的统计CSI差异。仿真结果验证了所提出的用户分组算法的有效性，并证明了NF-JSDM在XL-MIMO通信中优于传统FF-JSDM。