面向6G近场通信：基于层叠超表面的多用户 MIMO 系统性能提升
原文速览：层叠超表面 (SIM) 辅助 MIMO 网络的近场波束赋形
A. Papazafeiropoulos, P. Kourtessis, S. Chatzinotas, D. I. Kaklamani and I. S. Venieris, "Near-Field Beamforming for Stacked Intelligent Metasurfaces-Assisted MIMO Networks," IEEE Wireless Communications Letters, vol. 13, no. 11, pp. 3035-3039, Nov. 2024
随着频率的升高，近场（Near-field）区域的范围可扩大至数百米。在近场区域，电磁波呈现为球面波传播，这引入了全新的“距离维度”，有助于减轻干扰并提升性能。然而，现有的 SIM 研究大多仍基于远场假设。
为此，赫特福德大学与卢森堡大学等机构的研究团队发表于《IEEE Wireless Communications Letters》的最新研究聚焦于近场区域的 SIM 辅助多用户MIMO 系统，通过联合优化发射功率和SIM相移构建加权和速率最大化问题，并采用基于块坐标下降（BCD）的算法求解。研究结果表明，相对于远场，SIM在近场中的性能得到了显著增强。
近场系统与信道模型
SIM辅助的系统模型
图1. 近场环境下的 SIM 辅助 MIMO 系统模型
文章考虑了一个下行多用户 MIMO 通信系统。基站（BS）配备了具有 MBS根天线的均匀线性阵列（ULA），服务于 K 个多天线用户。基站处集成了一个由 L 层超表面组成的 SIM，用于在电磁波域提供波束成形。每一层超表面包含 N 个超原子（Meta-atoms），且相移连续可调。依据瑞利-索末菲衍射理论，整体SIM的传输可以建模为相移矩阵与层间传输系数矩阵的级联过程：
G = ΦLWL⋯Φ2W2Φ1∈ ℂN×N
其中，Φl = diag(ϕl) 是第l层的相移矩阵，Wl 则是相邻层之间的传输系数矩阵。
核心亮点：近场球面波信道模型
与远场假设中电磁波近似为平面波不同，近场视距（LoS）信道中，信号以球面波前传播，并伴随自由空间路径损耗。SIM 外层第 n 个单元与用户 k 的第 m 个天线之间的信道元素精确表示为：
[Hk]mn=αmnkexp(-j2πrmnk/λ)
其中rmnk 为实际的传输距离，αmnk 为路径损耗系数。 作者提出，该近场球面波模型具有以下两大特点。
1. 距离与角度的双重信息 在近场中，传输距离项 rmnk 同时包含了用户 k 的距离和角度信息。相较于远场基于平行波假设的纯角度模型，SIM 在近场能够针对特定角度和距离进行信号传输，从而改善多用户系统的性能与覆盖。
2. 秩的提升与空间自由度 远场的 LoS MIMO 信道矩阵通常只具有秩1（Rank-1）的特性；而在近场中，球面波赋予了信道更高的秩，能够提供多个独立的信息流，从而增加了系统的空间自由度（DoFs）。
下行数据传输与可达速率优化的问题构建
在下行数据传输中，基站将波束成形任务交由 SIM 在波域中完成。此时，用户k 接收到的信号由期望信号、多用户干扰信号以及高斯白噪声组成：
yk=HkGWk1Pkxk+HkG∑i≠kKWi1Pixi+nk
其中，Pk 为对角功率分配矩阵，xk 为传输的符号向量。基于上述信号传输过程，系统对第 k 个用户的可达速率 Rk(P, Φ) 定义为：
Rk(P, Φ) =log|I+HkWk1Pk2(Wk1)HHkHQk−1|
其中 Qk 代表干扰加噪声的协方差矩阵。
文章旨在最大化多用户的加权和速率，在满足基站总发射功率与 SIM 单元恒模约束的前提下，联合优化发射功率与多层相移。
针对优化问题中的变量耦合与非凸性，首先采用加权最小均方误差（WMMSE）方法重构目标函数使其便于求解；随后引入块坐标下降（BCD）算法，对接收组合矩阵、辅助矩阵、发射功率和相移矩阵四个变量进行交替迭代优化，直至算法收敛。
仿真结果
文章设定工作频率为10 GHz。对于拥有40个阵元的 SIM，其瑞利距离（近场与远场的分界线）约为5米。所有用户被随机安置在2至4米的半径内，确保系统完全处于近场区域。
为了全面展示近场特性，文章设定了两种用户拓扑场景：随机用户场景（用户分布在不同角度）与共线用户场景（用户分布在同一条射线上，仅距离不同）。
图2. SIM 辅助 MIMO 架构的加权和速率随超原子数量 N 的变化
图2直观地展示了系统性能与 SIM 规模的关系。总体而言，速率随着 N 的增加而提升，这是由于更大的 N 带来了更高的波束成形增益。然而，在远场假设下的共线用户场景中，速率的增长较缓，因为波束增益和用户间的相互干扰会同步增加。近场波束成形的速率高于远场波束成形。这是因为近场LoS信道具有更高的秩，能够向用户传输更多的数据流，从而提供了更高的自由度（DoFs）。在相同的波束成形方案下，随机用户场景的表现优于共线用户场景。因为共线场景伴随着更高的用户间干扰。
图3. SIM 辅助 MIMO 架构的加权和速率随发射功率 P 的变化
图3在随机用户场景下，展示了不同 SIM 层数 L 对性能的影响。在所有设定的情况下，加权和速率均随着发射功率的增加而增加。多层SIM的性能显著优于单层表面。随着SIM层数L的增加，系统速率随之提升，因为多层 SIM 能够在电磁波域中更有效地减轻多用户干扰。近场波束成形的表现始终优于远场波束成形，其主要原因是远场场景下包含了更高的用户间干扰。
结论
本文对近场环境下 SIM 辅助的多用户 MIMO 通信系统进行了系统性分析。通过构建物理模型与高效的 BCD 优化算法，结果表明，近场波束成形能够充分利用球面波特有的空间自由度，有效突破传统远场通信的性能；而多层堆叠的SIM 结构，则为复杂电磁环境下的干扰抑制提供了绝佳的物理层解决方案。这一成果为6G网络迈向超大规模、超高频段的近场通信提供了极具价值的理论支撑。
参考文献
[1] J. An et al., "Stacked intelligent metasurfaces for efficient holographic MIMO communications in 6G," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 41, no. 8, pp. 2380–2396, Aug. 2023.
[2] A. Papazafeiropoulos et al., "Achievable rate optimization for stacked intelligent metasurface-assisted holographic MIMO communications," IEEE Trans. Wireless Commun., early access, May 17, 2024.
[3] X. Mu et al., "Reconfigurable intelligent surface-aided near-field communications for 6G: Opportunities and challenges," IEEE Veh. Technol. Mag., vol. 19, no. 1, pp. 65–74, Mar. 2024.
原文链接
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10623832
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编辑 | 孙敏熠
校对 | 李钰嘉
审核 | 李钰嘉
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