《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于高原地區(qū)的超大規(guī)模海量MIMO系統(tǒng)混合場信道估計
網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)治理
張鈞鑫1,2，彭秋云1,2，張雨晨1,2，黃歡1,2，楊君楠1,2，姜軍1,2
1.西藏大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院; 2.西藏大學(xué)信息技術(shù)國家級實驗教學(xué)示范中心
摘要： 為了改善高原地區(qū)通信條件較差的情況，可以部署超大規(guī)模海量多輸入多輸出（Extreme Large scale massive Multiple-Input Multiple-Output，XL-MIMO）系統(tǒng)。高原地區(qū)地形復(fù)雜，存在許多建筑、山脈等散射體，這些散射體可能形成近場和遠(yuǎn)場混合的復(fù)雜信道環(huán)境。在這種環(huán)境中，散射體的分布可能既包括遠(yuǎn)離基站的遠(yuǎn)場區(qū)域，也包括靠近基站的近場區(qū)域。由此構(gòu)建混合場信道模型，來描述和模擬復(fù)雜的混合場信道特征。其次，為了保證XL-MIMO系統(tǒng)的容量和性能，需要獲取混合場信道準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息。為此，提出了一種兩階段的信道估計方案。通過仿真驗證，發(fā)現(xiàn)所提出的兩階段混合場信道估計方案在不同信噪比、不同導(dǎo)頻長度、不同路徑參數(shù)下都具有更優(yōu)的歸一化均方誤差，因此更適合應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境中的XL-MIMO系統(tǒng)。
中圖分類號：TN911.22；TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI:10.19358/j.issn.2097-1788.2025.03.006
引用格式：張鈞鑫，彭秋云，張雨晨，等. 基于高原地區(qū)的超大規(guī)模海量MIMO系統(tǒng)混合場信道估計［J］.網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)治理，2025，44（3）：32-38.
Hybrid-field channel estimation for extreme large scale massive MIMO systems in plateau regions
Zhang Junxin1,2，Peng Qiuyun1,2，Zhang Yuchen1,2，Huang Huan1,2，Yang Junnan1,2，Jiang Jun1,2
1.School of Information Science and Technology, Tibet University; 2.National Experimental Teaching Demonstration Center for Information Technology, Tibet University,Lhasa
Abstract： To improve the poor communication conditions in high-altitude areas, it is possible to deploy an Extreme Large scale massive Multiple-Input Multiple-Output (XL-MIMO) system. The terrain in high-altitude areas is complex, with many buildings, mountains, and other scatterers that may form a complex channel environment with a mixture of near-field and far-field. In this environment, the distribution of scatterers may include both the far-field area far from the base station and the near-field area close to the base station. A hybrid-field channel model is thus constructed to describe and simulate the complex characteristics of the hybrid-field channel. Secondly, to ensure the capacity and performance of the XL-MIMO system, it is necessary to obtain accurate channel state information of the hybrid-field channel. To this end, a two-stage channel estimation scheme is proposed. Through simulation verification, it is found that the proposed two-stage hybrid field channel estimation scheme has better Normalized Mean Square Error under different signal-to-noise ratios, different pilot lengths, and different path parameters, making it more suitable for the application of XL-MIMO systems in the complex environment.
Key words : XL-MIMO; channel estimation; hybrid-field; orthogonal matching pursuit algorithm; channel sparsity

引言

隨著無線通信的迅猛發(fā)展，6G技術(shù)日益受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注與研究。其中，超大規(guī)模海量多輸入多輸出（Extreme Large scale massive Multiple-Input Multiple-Output，XL-MIMO）被認(rèn)為是6G通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一。XL-MIMO系統(tǒng)基于超大規(guī)模天線陣列技術(shù)［1］，與5G的Massive MIMO系統(tǒng)相比，具有更龐大規(guī)模的天線陣列。XL-MIMO系統(tǒng)通常包含數(shù)百甚至上千根天線，用于實現(xiàn)更高級別的空間復(fù)用、波束賦形和干擾管理，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的信道容量、覆蓋范圍和頻譜效率［2-3］ 。然而，高原地區(qū)由于其較為特殊的自然環(huán)境和多變的地形，通信信號容易受到地貌的阻隔和影響，這對通信質(zhì)量提出了更高的要求［4］。針對這一挑戰(zhàn)，可以將超大規(guī)模海量天線陣列部署在高原地區(qū)，以增加無線通信系統(tǒng)的吞吐量和提高通信質(zhì)量。為了實現(xiàn)理想的通信效果，用戶端需要獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）［5］。因此，建立合適的信道模型和設(shè)計出高效而準(zhǔn)確的信道估計算法是至關(guān)重要的，這將有助于提高信號處理的精度和通信系統(tǒng)的整體性能。

在現(xiàn)有的一些XL-MIMO系統(tǒng)信道模型中，很多學(xué)者一般都假設(shè)所有的散射都在遠(yuǎn)場或近場區(qū)域，但是在高原復(fù)雜環(huán)境下，XL-MIMO系統(tǒng)中更容易出現(xiàn)混合場環(huán)境，主要有以下幾點原因：（1）高原地區(qū)地形復(fù)雜，建筑物、山脈等散射體較多，容易形成近場和遠(yuǎn)場混合的信道環(huán)境;（2）高原地區(qū)基站覆蓋范圍較廣，用戶分布稀疏,基站天線與用戶之間的距離差異較大，遠(yuǎn)近用戶共存，導(dǎo)致遠(yuǎn)場和近場信號同時存在;（3）XL-MIMO系統(tǒng)采用超大規(guī)模天線陣列，天線孔徑較大，在高原復(fù)雜地形下更容易同時覆蓋遠(yuǎn)場和近場區(qū)域，導(dǎo)致混合場信道的產(chǎn)生。這種混合分布會增加信道估計的復(fù)雜性，使得現(xiàn)有的遠(yuǎn)、近場信道估計方案不能較好地估計XL-MIMO系統(tǒng)混合場CSI［6］。

在已有研究中，文獻(xiàn)［7］針對傳統(tǒng)的Massive MIMO系統(tǒng)，利用遠(yuǎn)場角度域的稀疏特性，采用基于壓縮感知（Compressed Sensing，CS）的算法來獲取準(zhǔn)確的CSI。由于基于消息傳遞（Message Passing，MP ）對信道的先驗分布要求嚴(yán)格，因此基于CS的MP算法對信道估計或信號檢測有一定的局限性。文獻(xiàn)［8］針對在XL-MIMO系統(tǒng)中，由于近場球面波前特性的存在，經(jīng)典的遠(yuǎn)場信道估計方法無法準(zhǔn)確估計CSI，導(dǎo)致性能嚴(yán)重下降的問題,提出了一種利用極坐標(biāo)域稀疏性進(jìn)行近場信道估計的方法。通過同時考慮角度和距離信息的極坐標(biāo)域表示，可以有效地估計近場CSI。同時作者提出了基于網(wǎng)格和非網(wǎng)格的兩種近場XL-MIMO信道估計方案，并通過仿真驗證了方案的有效性。在文獻(xiàn)［9］中，可以觀察到具有角度域的遠(yuǎn)場信道的稀疏性不再符合近場信道的稀疏性特征，從而產(chǎn)生較大的能量泄漏。因此，利用基于CS的算法進(jìn)行近場信道估計，需要進(jìn)一步準(zhǔn)確地描述近場信道的稀疏性特性。在文獻(xiàn)［10］中，為了解決角度域信道估計方案固有的性能損失，首先提出了基于近場信道極坐標(biāo)域稀疏性改進(jìn)現(xiàn)有多殘差密集網(wǎng)絡(luò)方案的極坐標(biāo)域多殘差密集網(wǎng)絡(luò)用于XL-MIMO系統(tǒng)，此外還設(shè)計了極坐標(biāo)域多尺度殘差密集網(wǎng)絡(luò)以提高信道估計精度，但是在XL-MIMO通信系統(tǒng)中并非只存在近場信道［11］。

以上方案雖然可以實現(xiàn)信道估計，但是在性能上還是存在一些不足。為了改善高原地區(qū)通信條件較差的情況，本文首先構(gòu)建了一個XL-MIMO系統(tǒng)的混合場信道模型，來描述和模擬復(fù)雜的混合場信道特征。其次，為了保證XL-MIMO系統(tǒng)的容量和性能，需要獲取混合場信道準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息。為此，提出了一種兩階段的信道估計算法方案。第一階段利用正交匹配追蹤（Orthogonal Matching Pursuit，OMP）算法在極坐標(biāo)域估計近場路徑分量；第二階段在第一階段的基礎(chǔ)上，再次利用OMP 算法在角度域進(jìn)一步估計遠(yuǎn)場路徑分量。該兩階段的信道估計算法方案在基于OMP算法的基礎(chǔ)上，選擇了合適的關(guān)于殘差的門限閾值，以便于在算法的收斂速度和稀疏重構(gòu)的精度之間取得平衡。通過仿真發(fā)現(xiàn)，本文提出的信道估計方案可以帶來更好的信道估計誤差，能夠更精準(zhǔn)地估計出混合場CSI，更適合應(yīng)用于高原復(fù)雜環(huán)境中的XL-MIMO系統(tǒng)。


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作者信息：

張鈞鑫1,2，彭秋云1,2，張雨晨1,2，黃歡1,2，楊君楠1,2，姜軍1,2

（1.西藏大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,西藏拉薩850000;

2.西藏大學(xué)信息技術(shù)國家級實驗教學(xué)示范中心,西藏拉薩850000）


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