《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(chǎng)信道估計(jì)
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(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)區(qū)域，也包括靠近基站的近場(chǎng)區(qū)域,。由此構(gòu)建混合場(chǎng)信道模型,，來描述和模擬復(fù)雜的混合場(chǎng)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(chǎng)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(jì)方案,。通過仿真驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)所提出的兩階段混合場(chǎng)信道估計(jì)方案在不同信噪比,、不同導(dǎo)頻長(zhǎng)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(hào)：TN911.22,；TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(chǎng)信道估計(jì)［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(shí)現(xiàn)更高級(jí)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(hào)容易受到地貌的阻隔和影響,，這對(duì)通信質(zhì)量提出了更高的要求［4］,。針對(duì)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(shí)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(jì)出高效而準(zhǔn)確的信道估計(jì)算法是至關(guān)重要的,，這將有助于提高信號(hào)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(chǎng)或近場(chǎng)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(chǎng)環(huán)境，主要有以下幾點(diǎn)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(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)和近場(chǎng)信號(hào)同時(shí)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(shí)覆蓋遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)區(qū)域，導(dǎo)致混合場(chǎng)信道的產(chǎn)生,。這種混合分布會(huì)增加信道估計(jì)的復(fù)雜性,，使得現(xiàn)有的遠(yuǎn)、近場(chǎng)信道估計(jì)方案不能較好地估計(jì)XL-MIMO系統(tǒng)混合場(chǎng)CSI［6］,。

在已有研究中,，文獻(xiàn)［7］針對(duì)傳統(tǒng)的Massive MIMO系統(tǒng)，利用遠(yuǎn)場(chǎng)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(duì)信道的先驗(yàn)分布要求嚴(yán)格,，因此基于CS的MP算法對(duì)信道估計(jì)或信號(hào)檢測(cè)有一定的局限性,。文獻(xiàn)［8］針對(duì)在XL-MIMO系統(tǒng)中，由于近場(chǎng)球面波前特性的存在,，經(jīng)典的遠(yuǎn)場(chǎng)信道估計(jì)方法無法準(zhǔn)確估計(jì)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(chǎng)信道估計(jì)的方法。通過同時(shí)考慮角度和距離信息的極坐標(biāo)域表示,，可以有效地估計(jì)近場(chǎng)CSI,。同時(shí)作者提出了基于網(wǎng)格和非網(wǎng)格的兩種近場(chǎng)XL-MIMO信道估計(jì)方案，并通過仿真驗(yàn)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(chǎng)信道的稀疏性不再符合近場(chǎng)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(chǎng)信道估計(jì)，需要進(jìn)一步準(zhǔn)確地描述近場(chǎng)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(jì)方案固有的性能損失，首先提出了基于近場(chǎng)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(jì)了極坐標(biāo)域多尺度殘差密集網(wǎng)絡(luò)以提高信道估計(jì)精度,，但是在XL-MIMO通信系統(tǒng)中并非只存在近場(chǎng)信道［11］。

以上方案雖然可以實(shí)現(xiàn)信道估計(jì),，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(gè)XL-MIMO系統(tǒng)的混合場(chǎng)信道模型,，來描述和模擬復(fù)雜的混合場(chǎng)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(chǎng)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(jì)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(jì)近場(chǎng)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(jì)遠(yuǎn)場(chǎng)路徑分量,。該兩階段的信道估計(jì)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(jì)方案可以帶來更好的信道估計(jì)誤差,，能夠更精準(zhǔn)地估計(jì)出混合場(chǎng)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(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,西藏拉薩850000）


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