面向全息MIMO 6G通信的电磁信道建模理论与方法

作     者：黄崇文 季然 魏丽 宫铁瑞 陈晓明 沙威 杨军 张朝阳 Yuen Chau HUANG Chongwen;JI Ran;WEI Li;GONG Tierui;CHEN Xiaoming;SHA Wei;YANG Jun;ZHANG Zhaoyang;Yuen Chau

作者机构：浙江大学信息与电子工程学院杭州310027 新加坡科技与设计大学新加坡487372 西安交通大学信息与通信工程学院西安710049 中兴通讯股份有限公司深圳518000 新加坡南洋理工大学新加坡639798 

出 版 物：《电子与信息学报》 (Journal of Electronics & Information Technology)

年 卷 期：2024年第46卷第5期

页      面：1940-1950页

核心收录：

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

基　　金：国家重点研发计划(2021YFA1000500,2023YFB2904800) 国家自然科学基金(62331023,62101492,62394292,U20A20158) 浙江省自然科学基金(LR22F010002) 浙江省科技计划项目(2024C01033) 浙江大学全球合作基金(本基金无项目编号) 

主　　题：全息MIMO通信 电磁波理论 信道建模 

摘      要：全息多输入多输出(HMIMO)是6G通信中的新兴技术,相应阵列由固定物理孔径下的密布天线单元组成。全息MIMO是电磁约束下Massive MIMO天线技术的拓展。全息MIMO系统在有效提升无线通信性能方面具有极大的潜力。比如,可用最小的功率损耗实现尽可能大的连续孔径,灵活控制目标方向的电磁波传输等。但是,由于全息MIMO系统包含大量的紧密分布的天线单元,且单元之间的距离小于半波长,因而造成严重的电磁耦合作用。这些耦合使传统的独立同分布的信道假设失效。因此,如何设计一个有效且贴近实际的信道建模成为当前全息MIMO研究中最具挑战性的问题之一。针对该挑战,该文研究了基于电磁场理论的4种信道建模方式,它们都能很好描述全息MIMO系统中的电磁波传输特征。第1种是基于平面格林函数的精确信道建模方式,该方式将自由空间中点对点的格林函数扩展到平面之间积分形式的格林函数,通过积分计算来构造两个全息MIMO平面之间的通信信道,但该方法的复杂度较高。第2, 3种方法则分别采用了平面波展开和球面波展开来近似全息MIMO的通信信道,这两种方案的复杂度更低。其中,基于平面波展开的信道建模形式相对简单,更适用于远场,但是会低估单元强耦合时的最大系统容量;基于球面波展开的信道建模能更好捕捉电磁波信道几何特征,但其复杂度较高。最后介绍基于随机格林函数的信道建模方法,主要描述富散射环境或瑞利信道中电磁波的随机特性。