丁 瑞，錢(qián)曉涵，劉道華，王 玨，高銳鋒，胡英東，孫 強(qiáng)

(1.南通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通市大數(shù)據(jù)管理局，江蘇 南通 226018)

0 引 言

多天線(xiàn)發(fā)送與接收(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)通過(guò)深度挖掘空間維度資源，在無(wú)需增加頻譜和發(fā)射功率的情況下可成倍提高信道容量和傳輸速率,近20年來(lái)受到了廣泛的研究。

早期有限維MIMO技術(shù)由于所定義的基站天線(xiàn)陣列數(shù)目較少(例如，在LTE-A中定義最多8個(gè)基站天線(xiàn)端口)，導(dǎo)致空間分辨率較低，性能增益有限。為了應(yīng)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量需求的爆炸性增長(zhǎng)，大規(guī)模多天線(xiàn)技術(shù)(Massive MIMO,M-MIMO)應(yīng)運(yùn)而生[1]。M-MIMO可有效增加覆蓋范圍，提升系統(tǒng)容量與連接數(shù)，提高頻譜效率和能量效率，已成為5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。現(xiàn)有M-MIMO信道測(cè)量結(jié)果顯示，由于陣列尺寸增大，其信道相比于有限維MIMO系統(tǒng)增加了兩個(gè)重要特征，即陣列端信道特性分布非平穩(wěn)和近場(chǎng)傳播特性。

隨著5G移動(dòng)通信在2020年正式投入商用，面向下一代移動(dòng)通信技術(shù)(6G)的前期研究已提上日程。隨著新的終端形態(tài)與業(yè)務(wù)需求的爆炸式增長(zhǎng)，6G對(duì)于系統(tǒng)吞吐量與連接密度提出了更高的需求，而現(xiàn)有5G標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法支撐。因此，需要對(duì)現(xiàn)有通信資源進(jìn)行更加深入的挖掘，而基站端天線(xiàn)陣列維度進(jìn)一步增加的趨勢(shì)預(yù)計(jì)將在6G系統(tǒng)中繼續(xù)發(fā)展[3]?；诖?，近年來(lái)超大規(guī)模多天線(xiàn)技術(shù)(Extra-large Scale Massive MIMO，XL-MIMO)被提出并逐漸受到關(guān)注，其可視為5G大規(guī)模MIMO進(jìn)一步向更高空間維度的擴(kuò)展和延伸。通過(guò)大幅增加基站實(shí)際部署天線(xiàn)數(shù)至數(shù)千乃至更高數(shù)量級(jí)，XL-MIMO可更為深入地挖掘空間資源，從而大幅提高系統(tǒng)容量、提升頻譜效率。XL-MIMO在一定程度上繼承了M-MIMO陣列非平穩(wěn)和近場(chǎng)傳播的信道特征，但隨著陣列維度的進(jìn)一步增加，陣列尺寸、重量、風(fēng)荷載等實(shí)際因素將使其部署呈現(xiàn)新的形態(tài)，例如將陣列集成于大型建筑表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的超大孔徑陣列。同時(shí)，近年來(lái)智能反射面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)等技術(shù)的發(fā)展也為超大陣列的部署形式提供了更多可能。新的部署形態(tài)使得XL-MIMO信道進(jìn)一步呈現(xiàn)出新的特征，如不同位置分布的用戶(hù)將在陣列上具有不同的可視區(qū)域(Visible Region,VR)。為了充分挖掘其信道新特性并有效應(yīng)用于傳輸設(shè)計(jì)，對(duì)XL-MIMO信道的測(cè)量與建模工作是其必要前提。

基于此，本文對(duì)近年來(lái)文獻(xiàn)中XL-MIMO相關(guān)的信道測(cè)量、信道特征分析與建模工作進(jìn)行梳理與綜述，以期為未來(lái)XL-MIMO傳輸設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 MIMO信道建模概述

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，無(wú)線(xiàn)信道模型可分為以下兩類(lèi)：一是側(cè)重于描述傳播過(guò)程、用于系統(tǒng)性能仿真評(píng)估的物理模型；二是側(cè)重描述信道統(tǒng)計(jì)特性、用于數(shù)學(xué)理論分析的分析模型[4]。

1.1 物理模型

物理模型借助重要的物理參數(shù)，例如無(wú)線(xiàn)信道到達(dá)角(Angle of Arrival,AoA)、離開(kāi)角(Angle of Departure,AoD)、路徑時(shí)延等描述傳播過(guò)程，并通過(guò)射線(xiàn)疊加等手段獲得給定物理參數(shù)下的多徑衰落信道系數(shù)。根據(jù)其對(duì)傳播路徑及相關(guān)物理參數(shù)描述方法的不同，物理模型可進(jìn)一步分為確定性模型和統(tǒng)計(jì)模型。

1.2 分析模型

分析模型不關(guān)注信道的物理傳播過(guò)程，而僅關(guān)注信道統(tǒng)計(jì)特性本身，適用于數(shù)學(xué)分析以及鏈路級(jí)仿真評(píng)估。該方法在文獻(xiàn)中也被稱(chēng)為基于相關(guān)的隨機(jī)信道模型(Correlation Based Stochastic Models,CBSM)。當(dāng)MIMO天線(xiàn)陣元間距足夠大且在信道傳播過(guò)程中散射豐富，MIMO信道矩陣中各系數(shù)在統(tǒng)計(jì)上接近獨(dú)立，此時(shí)可用獨(dú)立同分布瑞利模型來(lái)進(jìn)行信道的理論分析與仿真。當(dāng)傳播特性非理想從而使信道系數(shù)間具有相關(guān)性，需要在CBSM中對(duì)該相關(guān)性進(jìn)行描述。典型的CBSM模型包括克羅內(nèi)克模型[5]和Weichselberger模型[6]等。CBSM模型優(yōu)勢(shì)在于擁有較低的復(fù)雜度和較高的計(jì)算效率，其缺點(diǎn)在于過(guò)度簡(jiǎn)化信道傳播過(guò)程，不能對(duì)真實(shí)的信道環(huán)境進(jìn)行描述。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)化模型

面向標(biāo)準(zhǔn)化的MIMO信道模型主要有空間信道模型(Spatial Channel Model,SCM)[7]和WINNER II模型[8]等。SCM模型為GBSM類(lèi)模型。在其典型實(shí)現(xiàn)中，考慮6組散射體簇，每組散射體簇對(duì)應(yīng)一條可分辨路徑，每條路徑中有固定20條不可分辨子徑，具有相同的時(shí)延和功率；各子徑空域角度信息有所差別，服從特定分布如拉普拉斯分布，其角度分布直接影響疊加信道的空間相關(guān)特性。WINNER II模型可視為SCM模型在更為豐富的傳播場(chǎng)景與系統(tǒng)參數(shù)下的擴(kuò)展。具體而言，該擴(kuò)展包含了室內(nèi)/室外場(chǎng)景、三維傳播、更多頻率上的統(tǒng)計(jì)參數(shù)設(shè)置等多個(gè)方面。

由于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)陣列維度有限(4/8根天線(xiàn))，通常假設(shè)環(huán)境中分布的散射體簇(公共簇)對(duì)陣列所有天線(xiàn)可見(jiàn)，傳統(tǒng)MIMO信道在天線(xiàn)陣列維度上具有廣義平穩(wěn)(Wide-Sense Stationary,WSS)特性；另一方面，在用戶(hù)側(cè)亦假設(shè)公共簇對(duì)所有用戶(hù)可見(jiàn)，例如在SCM一般模型中，各用戶(hù)均可見(jiàn)全部6個(gè)散射體簇(盡管各簇AoA、AoD對(duì)不同用戶(hù)獨(dú)立生成)。然而，隨陣列天線(xiàn)數(shù)目增多，陣列孔徑增大，MIMO信道在陣列側(cè)和用戶(hù)側(cè)均將體現(xiàn)出空間非平穩(wěn)特性，其將成為影響大尺寸陣列MIMO信道統(tǒng)計(jì)特性的關(guān)鍵所在。

2 MIMO信道建模中的雙向空間非平穩(wěn)特性

在早期M-MIMO相關(guān)測(cè)量和建模工作中，已對(duì)上述陣列側(cè)與用戶(hù)側(cè)的空間非平穩(wěn)特性分別有所描述。而對(duì)于陣列尺寸進(jìn)一步增大的XL-MIMO系統(tǒng)，我們將在后續(xù)論述中強(qiáng)調(diào)，陣列側(cè)與用戶(hù)側(cè)雙向空間非平穩(wěn)特性的結(jié)合將體現(xiàn)XL-MIMO的重要信道特征，即不同用戶(hù)在陣列上具有不同的可視區(qū)域。作為后續(xù)討論的基礎(chǔ)，本節(jié)首先對(duì)文獻(xiàn)中關(guān)于陣列側(cè)與用戶(hù)側(cè)空間非平穩(wěn)特性的測(cè)量與建模結(jié)果分別進(jìn)行概述。

2.1 陣列側(cè)空間非平穩(wěn)特性

隨著天線(xiàn)數(shù)目增多、陣列尺寸變大，將使得陣列與傳播環(huán)境中某些散射體簇的距離小于其瑞利距離(對(duì)天線(xiàn)間距為d的M維天線(xiàn)陣列，瑞利距離定義為2d2M2/λ，其中λ是波長(zhǎng)[9])。對(duì)這部分散射體簇而言，遠(yuǎn)場(chǎng)傳播假設(shè)不再有效；在描述其與天線(xiàn)陣列之間的無(wú)線(xiàn)傳播時(shí)，應(yīng)考慮球面波前，這使得來(lái)自同一散射體簇的電磁波在不同天線(xiàn)單元上所激發(fā)的能量產(chǎn)生明顯差異。進(jìn)一步考慮環(huán)境遮擋等現(xiàn)實(shí)因素，亦可能存在散射體簇僅可見(jiàn)部分陣列。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，來(lái)自同一簇的電磁波在不同天線(xiàn)上激發(fā)能量尺度差異可達(dá)數(shù)十dB甚至更高。由于上述原因，產(chǎn)生MIMO信道的陣列側(cè)空間非平穩(wěn)特性。而對(duì)某散射體簇而言，將其可見(jiàn)的有效陣列部分(其接收信號(hào)能量顯著高于其他陣列部分)稱(chēng)之為其所對(duì)應(yīng)的基站側(cè)可視區(qū)域(Base Station-side VR，BS-VR)，如圖1所示。

圖1 基站側(cè)可視區(qū)域示意[10]

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)采用不同類(lèi)型的天線(xiàn)陣列在不同場(chǎng)景、頻段下進(jìn)行了大量的M-MIMO信道特征測(cè)量工作可證實(shí)上述結(jié)論，其中部分重要測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 M-MIMO信道特性測(cè)量結(jié)果

2.2 用戶(hù)側(cè)空間非平穩(wěn)特性

在基站陣列→散射體簇→用戶(hù)的傳播過(guò)程中，用戶(hù)除通過(guò)直達(dá)路徑(若存在)接收到基站直接到達(dá)的信號(hào)外，亦接收到來(lái)自不同散射體簇的信號(hào)。因此，在信道建模中，可將所有散射體簇視為一“虛擬陣列”。同樣，若用戶(hù)位于該“虛擬陣列”的近場(chǎng)，將不能保證用戶(hù)可見(jiàn)該“虛擬陣列”全部。換言之，用戶(hù)無(wú)法可見(jiàn)環(huán)境中的所有散射體簇，而不同用戶(hù)可能具有不同的可見(jiàn)簇集合。

為描述用戶(hù)與散射體簇之間的可見(jiàn)關(guān)系，可在建模中定義各簇對(duì)于用戶(hù)的可視區(qū)域。與前述BS-VR定義不同，這里的可視區(qū)域描述的是移動(dòng)臺(tái)(Mobile Station,MS)側(cè)可見(jiàn)某散射體簇的幾何區(qū)域，因此稱(chēng)之為MS-VR。MS-VR的概念最先由COST 2100模型[20]提出，用來(lái)對(duì)信道在時(shí)域可能出現(xiàn)的非平穩(wěn)特性進(jìn)行建模，即移動(dòng)端在不同時(shí)刻看到的散射體簇可能不同。COST 2100模型中存在三種類(lèi)型的簇，分別為本地簇、單跳簇和雙簇,如圖2(a)所示。所有簇分散在具有固定位置的傳播環(huán)境中，并為每個(gè)簇定義了其MS-VR。MS-VR被定義為大小相同(在更一般的模型中，各MS-VR大小亦可服從特定分布獨(dú)立隨機(jī)生成)且在用戶(hù)分布區(qū)域內(nèi)均勻分布的圓形區(qū)域，其決定了某一特定簇的可見(jiàn)性；當(dāng)用戶(hù)進(jìn)入某MS-VR區(qū)域時(shí)，相應(yīng)簇被“激活”，在信道建模中對(duì)該移動(dòng)臺(tái)可見(jiàn)，如圖2(b)所示。在此模型下，位置相近的用戶(hù)處于同一MS-VR時(shí)，其將具有相似的信道傳播環(huán)境與相關(guān)的大尺度信道參數(shù)。從該角度而言，COST 2100模型中所生成的信道統(tǒng)計(jì)特性與用戶(hù)位置相關(guān)，即為“空間連續(xù)性”。

圖2 COST 2100三種簇和簇可視區(qū)域[20]

3 XL-MIMO信道測(cè)量、建模與應(yīng)用

在陣列尺寸進(jìn)一步大幅增加的XL-MIMO系統(tǒng)中，前述陣列側(cè)與用戶(hù)側(cè)的空間非平穩(wěn)特性在信道建模中需聯(lián)合考慮，由此使得不同用戶(hù)在基站天線(xiàn)陣列上將具有不同的VR。通過(guò)挖掘XL-MIMO多用戶(hù)VR特性，可期望在充分挖掘大維天線(xiàn)陣列所提供的高空間增益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度有效傳輸。

3.1 XL-MIMO陣列部署形式

傳統(tǒng)MIMO陣列形態(tài)多為集中式緊湊型陣列，可以安裝在建筑屋頂或傳統(tǒng)通信鐵塔頂端，占地面積小而且建設(shè)成本低。但隨著天線(xiàn)數(shù)量增多、陣列尺寸增大，陣列的重量和風(fēng)荷載將成為實(shí)際部署中的限制因素，超大孔徑陣列(Extremely Large Aperture Array,ELAA)將成為XL-MIMO系統(tǒng)中的主要部署形式[21]。此時(shí)，超大陣列可集成部署于大型結(jié)構(gòu)體中，例如沿著機(jī)場(chǎng)、大型購(gòu)物中心等建筑物的墻壁或內(nèi)部結(jié)構(gòu)；其尺寸可以達(dá)到數(shù)十米乃至更高，且服務(wù)于大量的終端設(shè)備。在XL-MIMO系統(tǒng)中，每根天線(xiàn)發(fā)射功率的降低使得可以利用價(jià)格低廉的天線(xiàn)元件進(jìn)行陣列部署，在保證經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)增強(qiáng)信號(hào)覆蓋范圍。圖3給出了現(xiàn)實(shí)中ELAA可能的部署形態(tài)，其中，(a)和(b)分別為大規(guī)模和超大規(guī)模天線(xiàn)陣列部署形式，天線(xiàn)陣列集成在大型建筑物的墻壁上；(c)為分布式天線(xiàn)系統(tǒng)，協(xié)作天線(xiàn)或單元天線(xiàn)陣列分布在距離較遠(yuǎn)的位置[22]。

圖3 XL-MIMO中ELAA可能的部署形態(tài)[23]

在上述ELAA部署形態(tài)下，散射體簇及用戶(hù)位于陣列近場(chǎng)的概率將顯著增大；另一方面，傳播環(huán)境中潛在可行散射體簇?cái)?shù)目隨陣列尺度增加而增多，使得前述散射體簇“虛擬陣列”尺寸增大，用戶(hù)位于其近場(chǎng)的概率也隨之顯著增加。根據(jù)第2節(jié)中的討論，上述陣列(ELAA或散射體簇虛擬陣列)近場(chǎng)特性將導(dǎo)致每一散射體簇僅可看到部分陣列，而每一用戶(hù)僅可看到部分散射體簇，如圖4所示，由此導(dǎo)致不同用戶(hù)在ELAA上將具有不同的VR。需要注意的是，在圖4所示模型架構(gòu)下，XL-MIMO中用戶(hù)VR將由第2節(jié)中所述MS-VR與BS-VR聯(lián)合確定。

圖4 XL-MIMO中多用戶(hù)VR示意[23]

在A(yíng)alborg大學(xué)[24]所進(jìn)行的早期測(cè)量中，已證實(shí)用戶(hù)VR的現(xiàn)實(shí)存在。測(cè)試陣列長(zhǎng)6 m，由64根天線(xiàn)組成，被放置在與地面平行的墻上。位于陣列前方2 m和6 m處有8個(gè)相距約3 m的終端，測(cè)量人員分別手持雙天線(xiàn)裝置發(fā)送上行信號(hào)。測(cè)量結(jié)果顯示，用戶(hù)上行信號(hào)在陣列軸上的的接收功率差異最大可超過(guò)10 dB。對(duì)特定位置的用戶(hù)而言，存在部分陣列對(duì)其接近不可見(jiàn)(接收功率極低)，其可見(jiàn)部分可視為該用戶(hù)在超大孔徑陣列上所具有的VR；對(duì)于不同位置的用戶(hù)而言，其VR具有很大差異。可以預(yù)計(jì)，在XL-MIMO中ELAA更大的陣列孔徑下，不同用戶(hù)VR的差異將變得更加顯著，而對(duì)于用戶(hù)在VR域所可能體現(xiàn)出的稀疏性的挖掘，將成為XL-MIMO傳輸設(shè)計(jì)中的重要研究方向。

3.2 XL-MIMO信道建模中的VR描述

3.2.1 物理型信道建模

在物理型信道建模中，用戶(hù)VR由MS-VR與BS-VR聯(lián)合決定。因此，本節(jié)首先對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中的MS-VR與BS-VR建模結(jié)果分別進(jìn)行介紹。其中，XL-MIMO系統(tǒng)中MS-VR建?？勺裱瑿OST2100模型，為在指定區(qū)域內(nèi)均勻分布大小相同的圓形區(qū)域，用來(lái)對(duì)終端移動(dòng)導(dǎo)致的空時(shí)一致性建模。對(duì)BS-VR而言，與在二維區(qū)域上的MS-VR不同，大型線(xiàn)性天線(xiàn)陣列僅跨越一個(gè)維度，因此通常將BS-VR建模成包含可見(jiàn)天線(xiàn)的區(qū)間，區(qū)間長(zhǎng)度即為BS-VR大小[10]?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出簇真實(shí)BS-VR長(zhǎng)度與觀(guān)測(cè)長(zhǎng)度的關(guān)系如圖5所示。其中，L為陣列的長(zhǎng)度，Δ是BS-VR觀(guān)測(cè)長(zhǎng)度，α是真實(shí)長(zhǎng)度，Xc是BS-VR的中心位置且假設(shè)沿空間中的陣列線(xiàn)均勻分布。因?yàn)橐恍┐鼐哂型耆挥陉嚵袃?nèi)部的BS-VR，另一些簇具有與陣列一端或兩端重疊的BS-VR，對(duì)于位于陣列內(nèi)部的BS-VR，觀(guān)測(cè)長(zhǎng)度就是真實(shí)長(zhǎng)度；而在其他情況下，BS-VR的真實(shí)長(zhǎng)度要長(zhǎng)于觀(guān)測(cè)長(zhǎng)度。基于觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，給出BS-VR長(zhǎng)度的概率密度函數(shù)(Probability Density Function,PDF),并通過(guò)最大似然估計(jì)提出真實(shí)BS-VR長(zhǎng)度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，還運(yùn)用負(fù)二項(xiàng)分布對(duì)簇總數(shù)進(jìn)行了相關(guān)建模。

圖5 BS-VR真實(shí)長(zhǎng)度與觀(guān)測(cè)長(zhǎng)度關(guān)系[10]

文獻(xiàn)[25]提出了一種基于坐標(biāo)系的GBSM類(lèi)模型，借助空間幾何操作對(duì)球面波前的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，用馬爾科夫過(guò)程對(duì)沿陣列軸的簇動(dòng)態(tài)演進(jìn)現(xiàn)象進(jìn)行建模，仿真結(jié)果表明所提出的信道模型可適用于XL-MIMO系統(tǒng)。該文將簇存活概率定義為式(1)，并假設(shè)兩個(gè)相鄰天線(xiàn)單元之間新生簇的數(shù)量在統(tǒng)計(jì)上服從泊松分布，其概率如式(2)。指定陣元看到的簇總數(shù)N同樣服從泊松分布，其PDF如式(3) 所示。

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：δ為陣元間距，單位為m；λr為簇重組率，單位為m-1，可以通過(guò)信道測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)得出；γ為特定場(chǎng)景下的相關(guān)參數(shù)；μ的物理意義為每δ新生簇的平均數(shù)目；λg為簇新生率，N的均值為λg/λr。

文獻(xiàn)[26]基于COST 2100模型，對(duì)基站和用戶(hù)側(cè)簇生滅現(xiàn)象進(jìn)行描述，準(zhǔn)確建模了陣列非平穩(wěn)和空時(shí)一致性。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，BS-VR數(shù)量服從泊松分布，其均值與陣列長(zhǎng)度和平均壽命之和成正比；空間中兩個(gè)簇出現(xiàn)的間隔和一個(gè)特定簇的壽命均服從指數(shù)分布。文獻(xiàn)[27]將BS-VR擴(kuò)展到二維平面陣列，并且將簇生滅過(guò)程擴(kuò)展到二維區(qū)域。實(shí)測(cè)結(jié)果表明大多數(shù)簇的VR只覆蓋了平面陣的一小部分，實(shí)際的VR可能具有不同的形狀。

文獻(xiàn)[28]結(jié)合MS-VR與BS-VR的定義，對(duì)前述用戶(hù)VR的概念進(jìn)行了建模描述，其傳播場(chǎng)景如圖6所示。在此模型中，假設(shè)信號(hào)傳播過(guò)程為：用戶(hù)端發(fā)出的信號(hào)首先到達(dá)發(fā)射端一側(cè)的本地簇(例如建筑物、樹(shù)和汽車(chē))；經(jīng)本地簇散射后到達(dá)接收端一側(cè)S簇(θs是信號(hào)到達(dá)方向在接收端簇處跨越的角度范圍)；信號(hào)被接收端簇捕捉后進(jìn)一步輻射到基站(接收端簇可視為S維虛擬天線(xiàn)陣列)。接收端簇被分為對(duì)整個(gè)陣列可見(jiàn)的簇sw和對(duì)陣列部分可見(jiàn)的簇sp兩類(lèi),并通過(guò)簇sp的VR將其劃分為g組，假設(shè)同一組簇的VR覆蓋基站相同的天線(xiàn)。

圖6 結(jié)合MS-VR與BS-VR的上行鏈路傳播場(chǎng)景[28]

綜上所述，XL-MIMO物理模型中BS-VR建模通常被描述為陣列軸上的生滅過(guò)程，每一BS-VR由其出生點(diǎn)位置、生命周期以及與陣列軸的交疊情況聯(lián)合決定。綜合MS-VR與BS-VR的建模結(jié)果，可對(duì)隨機(jī)分布的用戶(hù)VR進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述，而相應(yīng)建模與分析工作仍有待開(kāi)展。上述物理模型均可應(yīng)用于XL-MIMO系統(tǒng)仿真研究，但其參數(shù)設(shè)定需要根據(jù)特定場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)量、擬合與統(tǒng)計(jì)建模，隨陣列維度進(jìn)一步增大，GBSM類(lèi)建模復(fù)雜度也隨之提升。

3.2.2 分析型信道建模

(4)

式中：Rk是信道平穩(wěn)條件下用戶(hù)k的空間相關(guān)矩陣；使用對(duì)角矩陣Dk=diag(d1(k),d2(k),…,dM(k))對(duì)用戶(hù)k的VR進(jìn)行建模，M為XL-MIMO基站天線(xiàn)數(shù)，dm(k)表示用戶(hù)k在陣元m處的空間非平穩(wěn)性，非零對(duì)角線(xiàn)元素表示對(duì)應(yīng)天線(xiàn)元件處于用戶(hù)k的VR中。用戶(hù)k的VR具有兩個(gè)主要特征：VR中心ck和長(zhǎng)度lk。ck建模為在天線(xiàn)陣列物理長(zhǎng)度L上服從均勻分布；lk建模為服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其參數(shù)由信道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得出[10]。假設(shè)服務(wù)于用戶(hù)k的有效天線(xiàn)數(shù)為Dk(Dk被定義為區(qū)間[ck-lk,ck+lk]內(nèi)的天線(xiàn)數(shù)目)，則對(duì)角矩陣Dk中擁有Dk個(gè)非零對(duì)角元素，對(duì)于平穩(wěn)信道Dk=I且Θk=Rk。

3.3 用戶(hù)VR信息在XL-MIMO傳輸中的應(yīng)用

利用XL-MIMO信道在用戶(hù)VR方面所體現(xiàn)出的稀疏性，可有效對(duì)大維信道矩陣進(jìn)行等效降維，從而簡(jiǎn)化傳輸設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)中對(duì)于該方面的研究已初步展開(kāi)。例如，在文獻(xiàn)[30]所提出的XL-MIMO系統(tǒng)中，線(xiàn)性多終端收發(fā)器的性能評(píng)估和混合模擬數(shù)字波束成形的設(shè)計(jì)應(yīng)用了用戶(hù)VR特性，并將其作為降低收發(fā)器計(jì)算復(fù)雜度的重要工具。文獻(xiàn)[31]基于子陣列提出了一種XL-MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合用戶(hù)VR開(kāi)發(fā)了一種基于統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的調(diào)度算法，仿真結(jié)果表明該算法在XL-MIMO系統(tǒng)中性能優(yōu)越，不需要同時(shí)打開(kāi)所有子陣列和射頻鏈路為用戶(hù)服務(wù)。文獻(xiàn)[32]基于子陣列考慮用戶(hù)VR特性以較低的復(fù)雜度在XL-MIMO復(fù)雜信道條件下獲得了準(zhǔn)確的信道估計(jì)結(jié)果。

4 XL-MIMO系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

如前所述，用戶(hù)VR可視為XL-MIMO信道所呈現(xiàn)的重要特點(diǎn)，可期望利用VR信息進(jìn)行XL-MIMO低復(fù)雜度傳輸設(shè)計(jì)。然而，對(duì)于VR在實(shí)際場(chǎng)景中統(tǒng)計(jì)分布特性的測(cè)量與建模分析、VR信息的獲取途徑與方法以及利用VR信息的傳輸性能極限與具體傳輸方案設(shè)計(jì)，仍有待進(jìn)行深入研究。

另一方面，雖然XL-MIMO在支持海量的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量和無(wú)線(xiàn)連接方面有巨大的潛力，但隨天線(xiàn)數(shù)增加而來(lái)的硬件成本和功耗增加的問(wèn)題不容忽視，對(duì)超大維信道輸入輸出模型下收發(fā)器的設(shè)計(jì)也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。另外，采用大量天線(xiàn)需要較高的帶寬才能將基帶數(shù)據(jù)通過(guò)鏈路傳輸?shù)紹S處理單元，目前的無(wú)線(xiàn)接口尚不能滿(mǎn)足這一需求[33]。為了降低無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的成本與能耗，在傳統(tǒng)天線(xiàn)形態(tài)外XL-MIMO可能的新型實(shí)現(xiàn)方式也在研究中逐漸受到重視。其中，RIS技術(shù)在近期研究中受到廣泛的關(guān)注[34-36]。RIS通常表示大的電磁表面，可通過(guò)無(wú)源單元的被動(dòng)反射對(duì)反射信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行調(diào)整，亦可通過(guò)插入主動(dòng)射頻單元實(shí)現(xiàn)主動(dòng)、被動(dòng)混合波束成形。文獻(xiàn)[37]介紹了另一種XL-MIMO可能實(shí)現(xiàn)的方式，該方法基于無(wú)線(xiàn)條帶(Radio Stripes)技術(shù)，其可以看作是由天線(xiàn)、電源等元件構(gòu)成的帶狀有源超大規(guī)模天線(xiàn)陣列。無(wú)線(xiàn)條帶具有重量輕的優(yōu)勢(shì)，因此可以輕松附著在例如公共交通工具、體育場(chǎng)館等建筑物表面，并且連接到中央單元構(gòu)成分布式無(wú)小區(qū)MIMO系統(tǒng)。

此外，RIS亦可被應(yīng)用于現(xiàn)有M-MIMO系統(tǒng)增強(qiáng)，而整體系統(tǒng)可視為異構(gòu)部署的XL-MIMO系統(tǒng)。例如，文獻(xiàn)[38]考慮了如圖7所示的系統(tǒng)模型，其中RIS由N個(gè)低成本無(wú)源元件組成，用于增強(qiáng)M-MIMO基站為多用戶(hù)終端提供服務(wù)。由于RIS被動(dòng)反射的特點(diǎn)，其相應(yīng)信道將呈現(xiàn)新的級(jí)聯(lián)形式，使得XL-MIMO + RIS級(jí)聯(lián)信道新場(chǎng)景下的系統(tǒng)性能分析與傳輸設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)。在此場(chǎng)景下，考慮前述XL-MIMO用戶(hù)VR不同的信道特點(diǎn)，利用RIS技術(shù)控制傳播環(huán)境從而使VR可控并呈現(xiàn)期望的分布形態(tài)，也是值得探索的全新研究方向。

圖7 RIS輔助的XL-MIMO系統(tǒng)[51]

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，超大規(guī)模MIMO技術(shù)通過(guò)增加基站實(shí)際部署天線(xiàn)數(shù)至數(shù)千乃至更高數(shù)量級(jí)，可更為深入地挖掘空間資源，從而大幅度提高系統(tǒng)容量,提升頻譜效率，已成為面向6G的傳輸技術(shù)研究熱點(diǎn)。超大規(guī)模MIMO繼承5G大規(guī)模MIMO近場(chǎng)傳播、空間非平穩(wěn)等特性，進(jìn)一步呈現(xiàn)出用戶(hù)可視區(qū)域不同等新特點(diǎn)，對(duì)用戶(hù)VR的描述成為超大規(guī)模MIMO信道建模中所需考慮的重要問(wèn)題。本文從傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)信道模型出發(fā)，對(duì)有限維MIMO、大規(guī)模MIMO、超大規(guī)模MIMO共同的信道建模理論與手段、隨陣列尺寸增加所表現(xiàn)出的信道新特性以及新特性所催生的新模型架構(gòu)進(jìn)行梳理，同時(shí)分析了超大規(guī)模MIMO部署面臨的挑戰(zhàn)與未來(lái)機(jī)遇，可供未來(lái)超大規(guī)模MIMO傳輸設(shè)計(jì)參考。