《電子技術應用》
您所在的位置：首頁 > 测试测量 > 设计应用 > 基于超大规模MIMO系统的宽带波束训练方法研究
基于超大规模MIMO系统的宽带波束训练方法研究
电子技术应用
许虎
中电科思仪科技（安徽）有限公司
摘要： 在宽带超大规模多输入多输出（MIMO）通信系统中，基站若采用均匀圆环阵列（UCA），会因其宽频带与大规天线模特性而引发明显的近场波束分裂现象，这使得传统的基于相移器（PS）的波束成形快速训练方法在宽带环境下性能显著下降。首先论证了UCA架构下波束分裂效应具备可调控特性，即通过引入时延（TD）波束成形技术，能够有效调节近场波束分裂的强弱。在此基础上，设计了一种新颖的快速宽带波束训练策略：利用TD波束成形同时生成多个频率的波束，分别聚焦于三维空间中的多个位置，分两阶段进行训练，阶段一搜索用户方位角信息，阶段二搜索用户距离与俯仰角信息。仿真结果表明，该方案训练开销低，仅为1 051，且平均速率性能达到完美信道状态信息基准的 96.28%。
中圖分類號：TN06 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257221
中文引用格式： 許虎. 基于超大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的寬帶波束訓練方法研究[J]. 電子技術應用，2026，52(3)：19-24.
英文引用格式： Hu Xu. Research on broadband beam training methods for ultra-large-scale MIMO systems[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(3)：19-24.
Research on broadband beam training methods for ultra-large-scale MIMO systems
Xu Hu
Ceyear Technologies（Anhui）Co.，Ltd.
Abstract： In broadband Multiple Input Multiple Output (MIMO) communication systems, the use of a uniform circular array (UCA) at the base station introduces a significant near-field beam-splitting phenomenon due to the array's wide bandwidth and large-scale antenna characteristics. This renders traditional fast beam training methods based on phase shifter (PS) beamforming ineffective in broadband environments. This paper first demonstrates that the beam-splitting effect in the UCA architecture is controllable. Specifically, by introducing time delay (TD) beamforming, the extent of near-field beam splitting can be effectively adjusted. Building on this, a novel fast broadband beam training strategy is designed. The scheme employs TD beamforming to simultaneously generate beams at multiple frequencies, each focused on distinct locations in three-dimensional space. The training is conducted in two stages: the first stage searches for the user's azimuth information, and the second stage searches for the user's distance and elevation information. Simulation results show that the proposed scheme has a low training overhead of only 1 051, while its average achievable rate reaches 96.28% of the perfect channel state information benchmark.
Key words : extra-large MIMO；uniform circular array；near-field；beam training

引言

隨著第六代移動通信（Sixth Generation，6G）技術的快速發(fā)展，超大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）與寬頻帶通信成為支撐高速率、大容量、低時延通信的核心技術[1]。其中，毫米波和太赫茲頻段因具備巨大的可用帶寬，成為實現(xiàn)100 Gb/s乃至Tb/s級傳輸速率的關鍵載體[2-3]。然而，在這些高頻段下，信號傳播損耗顯著，需依賴大規(guī)模天線陣列的波束成形技術聚焦能量，以補償路徑損耗。同時，隨著基站（Base Station，BS）天線數(shù)量的激增，以及用戶設備與基站距離的縮短，通信場景逐漸從傳統(tǒng)的遠場過渡到近場。此時，電磁波的球面波特性不可忽視，近場波束聚焦需同時考慮距離、俯仰角和方位角的三維信息，傳統(tǒng)遠場僅依賴角度的波束成形方案不再適用[4]。

寬頻帶與大規(guī)模天線的結合雖為通信性能提升帶來機遇，卻也引入了近場波束分裂效應[4-5]。在寬帶場景中，由于不同子載波頻率的差異，傳統(tǒng)基于相位移位器的波束成形器會產(chǎn)生頻率無關的相移，導致波束在不同頻率下聚焦于不同位置，形成波束分裂。

針對上述問題，現(xiàn)有研究已進行了初步探索[6-10]。近場窮舉波束訓練方案通過三維碼本遍歷搜索最優(yōu)波束，但訓練開銷隨天線數(shù)量呈指數(shù)增長；基于相移器（Phase Shifter,PS）波束成形器的兩階段方案通過波束分裂同時掃描多個區(qū)域，卻因無法控制分裂程度，在寬帶場景中存在俯仰角搜索不完全的問題。如何在寬帶近場場景下實現(xiàn)低開銷、高魯棒性的波束訓練，成為大規(guī)模MIMO技術落地的關鍵瓶頸。

本文聚焦于配備均勻圓環(huán)陣列（Uniform Circular Array ，UCA）的寬帶超大規(guī)模MIMO近場通信系統(tǒng)，圍繞波束分裂效應的調控與高效訓練展開研究。首先，證實UCA中近場波束分裂的可控性，其分裂程度可通過時延（Time Delay ,TD）波束成形器的參數(shù)調節(jié)實現(xiàn)靈活控制?；诖耍岢鲆环N基于TD波束成形器的快速寬帶波束訓練方案：利用TD波束成形器生成聚焦于多位置、多頻率的可控分裂波束，通過“方位角搜索-距離與俯仰角搜索”兩階段訓練，在大幅降低開銷的同時實現(xiàn)精準波束對準。

仿真結果表明，所提方案的訓練開銷僅為近場窮舉方案的0.6%、基于PS的兩階段方案的1.9%，且平均可達速率達到完美信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）性能的96.28%。本研究為寬帶近場超大規(guī)模MIMO的高效波束訓練提供了新的技術路徑，對6G高頻段通信的實用化具有重要意義。


本文詳細內容請下載：

http://ihrv.cn/resource/share/2000006996


作者信息：

許虎

（中電科思儀科技（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233010）

2.jpg

此內容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權禁止轉載。