1、冯瑞，王承祥，郑一，等.6G 超大规模天线信道波束域传播特性分析J.电波科学学报，2023，38（1）：35-43.DOI:10.12265/j.cjors.2022174FENG R,WANG C X,ZHENG Y,et al.Beam domain propagation characteristics analysis of 6G ultra-massive MIMO channelsJ.Chinese journal of radioscience，2023，38（1）：35-43.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.20221746G 超大规模天线信
2、道波束域传播特性分析冯瑞1，2王承祥2，1*郑一2，1黄杰2，1（1.网络通信与安全紫金山实验室,南京 211111；2.东南大学信息科学与工程学院 移动通信国家重点实验室,南京 210096）摘要 为了探明 6G 超大规模天线信道在波束域的信道传播特性，重点开展了无线信道测量实验与测量数据分析.首先，在典型城市场景下，开展了 sub-6 GHz 频段配置超大规模均匀线阵的视距(light-of-sight,LoS)和非视距(non-LoS,NLoS)信道测量实验；其次，划分若干子阵列，并分别使用高分辨率参数提取算法估计多径幅度、时延和角度；然后，根据不同的子阵列角度分辨率构建虚拟波束，将对应
3、不同虚拟波束角度的多径进行分组及叠加.通过比较不同子阵列在相同角度对应的虚拟波束系数，发现传统天线域的空间非平稳特性在波束域表现不明显.通过分析不同虚拟波束的信道系数，可观察到波束域稀疏特性，并且 LoS 场景的稀疏特性更加明显.针对不同场景下各虚拟波束的多径数目、功率和均方根时延扩展进行拟合分析，可知分别服从高斯分布、高斯分布、均匀分布.此外，分析发现 LoS 场景下虚拟波束间相关性较低，而 NLoS 场景下虚拟波束间相关性随波束分辨率提高而增大.关键词6G；超大规模天线；波束域；信道测量；非平稳特性中图分类号TN928文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0035-09D
4、OI 10.12265/j.cjors.2022174Beam domain propagation characteristics analysis of 6Gultra-massive MIMO channelsFENG Rui1,2WANG Chengxiang2,1*ZHENG Yi2,1HUANG Jie2,1（1.Purple Mountain Laboratories,Nanjing 211111,China；2.National Mobile Communication Research Laboratory,School ofInformation Science and E
5、ngineering,Southeast University,Nanjing 210096,China）AbstractIn order to fully explore the beam domain channel propagation characteristics,channel measurementsand data analyses are conducted for the sixth-generation(6G)ultra-massive multiple-input multiple-output(MIMO)wireless channel.First,the line
6、-of-sight(LoS)and non-LoS(NLoS)channel measurements in an urban scenario areconducted at sub-6 GHz frequency band with ultra-massive uniform linear array(ULA).Second,the ultra-massive ULAis divided into several sub-arrays.Multipath parameters including amplitude,delay,and angle of arrival,are estima
7、tedusing the high-resolution algorithm.Then,virtual beams are constructed according to the angular resolution of sub-array.Multipaths that belong to different beam angles are grouped and added up.The channel coefficients of differentsub-arrays in the same beam direction are compared to show that the
8、 non-stationary characteristics in antenna domainare less obvious in beam domain.By analyzing channel coefficients of different beams,obvious sparsity can beobserved.The sparsity is more obvious in LoS scenario than that in NLoS scenario.Multipath numbers,powers,androot mean square delay spread(DS)o
9、f different virtual beams are also computed and fitted with Gaussian,Gaussian,and uniform distributions respectively.In addition,it is found that the cross-correlation coefficients of different virtualbeams in LoS scenario are lower than those in NLoS scenario.The virtual beam resolution has great i
10、mpact on the 收稿日期：2022-08-03资助项目：国家重点研发计划（2020YFB1804901）；国家自然科学基金（61901109）；江苏省重点研发计划（产业前瞻与关键核心技术）（BE2022067，BE2022067-1）；中国博士后科学基金面上项目（2021M690628）；山东省自然科学基金（ZR2019PF010）通信作者：王承祥 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 cross-correlation coefficie
11、nts of different virtual beams in NLoS scenario.Keywords6G；ultra-massive array；beam domain；channel measurement；non-stationarity 引言随着 5G 移动通信系统的大规模商用，在用户和网络需求的持续驱动下，6G 移动通信的研究已如火如荼地展开.6G 将集成人工智能、边缘计算、超材料等先进技术，致力于开启万物智联的新时代1-2.其中，超材料的小型化和宽带化为超大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)的配置带来极大便利3.然而
12、，作为无线通信系统仿真和性能研究的重要基础，超大规模 MIMO 无线信道建模将面临着信道传播特性变化以及模型复杂度急剧增加的问题.为获得超大规模 MIMO 无线信道模型精确度与复杂度的更好折中，本文探索将传统天线域信道特性分析与建模转换至波束域的可行性.一般地，超大规模 MIMO 信道特性分析与建模工作是在传统天线域进行4-7.已有一些研究者开展了典型场景下的超大规模 MIMO 信道测量工作，分析验证了球面波、空间非平稳以及多用户信道硬化等特性8.针对传统天线域信道建模，主要包括确定性信道模型，如射线追踪，以及随机性信道模型.随机性信道模型又包括相关随机信道模型和几何随机信道模型，前者主要依赖
13、于空间协方差矩阵，能够提供简洁的数学表达式，方便进行系统性能分析；后者假设散射体随机分布，通过收发端与散射体的几何关系，推导构建信道冲激响应，具备更高的精确度和灵活性，但复杂度也相应增加.近几年，研究者们为了寻求较低复杂度的信道模型，方便进一步进行信号处理和系统性能分析，将目光转向了波束域信道特性分析与建模.波束域信道模型源于 A.M.Sayeed 提出的虚拟信道表示9.根据天线阵列维度对应的角度分辨率，该建模方法将传播空间划分为若干虚拟角度区间，亦称为虚拟波束；然后，针对收发端虚拟波束对之间的信道进行建模，推导得出的波束域信道模型与天线域信道模型直接存在傅里叶(酉矩阵)变换关系.依赖于二者之
14、间的转换关系，目前已有研究者在几何随机信道模型的基础上，通过酉变换得到了多个场景下的波束域信道模型，并通过仿真研究波束域信道特性及验证模型的准确性10-13.然而，目前仍缺少针对实际传播环境的波束域特性分析，尤其缺少超大规模MIMO 信道特性在波束域的描述.此外，如何减小波束域信道模型对于几何随机信道模型等的依赖，能够实现基于波束域信道特性的波束域信道建模是亟需解决的问题.本文基于典型城市场景下的超大规模 MIMO信道测量实验开展波束域信道特性分析工作，重点分析已知的超大规模 MIMO 天线域信道特性在波束域的描述以及波束内与波束间的新信道特性，为更加简洁的波束域信道建模提供思路，从而为进一步
15、的系统性能分析奠定重要基础.1 波束域无线信道及其统计特性 1.1 传统天线域几何随机信道模型以几何随机信道模型为例，如图 1 所示，传统天线域信道模型是对发射端与接收端每个天线对之间的信道进行建模.每个天线对之间的模型均需考虑对应信道中的所有多径.随着阵列尺寸的增加，在几何随机信道建模中，需要考虑不同天线对之间的多径数目以及参数变化.在超大规模 MIMO 信道中，已知的信道特性包括球面波及空域非平稳特性.文献14 提出了一种基于几何随机的 6G 普适信道模型(6G pervasive channel model，6GPCM).该模型可实现对 sub-6 GHz 到可见光的全频段场景，以及超大
16、规模 MIMO 和工业物联网等全应用场景的信道建模.基于该 6GPCM 模型，可实现对不同频段使用不同阵列尺寸的信道特性分析.在该模型中，同时考虑了超大规模 MIMO 信道的球面波和空域非平稳特性.此外，当天线数较少时，模型复杂度较低；但当天线数大幅增加时，矩阵维度也急剧增加，再考虑新信道特性也会给闭合表达式的推导、计算的复杂度带来更大的挑战.发射端接收端近场散射体远场散射体(全部可见)远场散射体(部分可见).图 1 传统天线域超大规模天线信道Fig.1 Ultra-massive antenna channel in traditional arraydomain 1.2 波束域信道模型波束域信道模型描述的是每个虚拟波束对之间的信道.如图 2 所示，这里每个波束对应的是具有相 36电波科学学报第 38 卷近来波角度的虚拟簇.当天线数趋于无穷大时，波束域信道模型与天线域信道模型的角度分辨率近似.然而，虽然此时波束对个数与天线对个数相同，但波束对相应的信道存在稀疏特性，利用这一特点，模型的复杂度将大大降低.发射端虚拟波束接收端虚拟波束虚拟散射体图 2 虚拟波束域超大规模天线信道Fig.2
