《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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(hào)：TN06 文獻(xiàn)標(biāo)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(xùn)練方法研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)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(dòng)通信（Sixth Generation，6G）技術(shù)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(shí)延通信的核心技術(shù)[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(shí)現(xiàn)100 Gb/s乃至Tb/s級(jí)傳輸速率的關(guān)鍵載體[2-3]。然而，在這些高頻段下，信號(hào)傳播損耗顯著，需依賴大規(guī)模天線陣列的波束成形技術(shù)聚焦能量，以補(bǔ)償路徑損耗。同時(shí)，隨著基站（Base Station，BS）天線數(shù)量的激增，以及用戶設(shè)備與基站距離的縮短，通信場(chǎng)景逐漸從傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)過渡到近場(chǎng)。此時(shí)，電磁波的球面波特性不可忽視，近場(chǎng)波束聚焦需同時(shí)考慮距離、俯仰角和方位角的三維信息，傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)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(jié)合雖為通信性能提升帶來機(jī)遇，卻也引入了近場(chǎng)波束分裂效應(yīng)[4-5]。在寬帶場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生頻率無關(guān)的相移，導(dǎo)致波束在不同頻率下聚焦于不同位置，形成波束分裂。

針對(duì)上述問題，現(xiàn)有研究已進(jìn)行了初步探索[6-10]。近場(chǎng)窮舉波束訓(xùn)練方案通過三維碼本遍歷搜索最優(yōu)波束，但訓(xùn)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(shí)掃描多個(gè)區(qū)域，卻因無法控制分裂程度，在寬帶場(chǎng)景中存在俯仰角搜索不完全的問題。如何在寬帶近場(chǎng)場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)低開銷、高魯棒性的波束訓(xùn)練，成為大規(guī)模MIMO技術(shù)落地的關(guān)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(chǎng)通信系統(tǒng)，圍繞波束分裂效應(yīng)的調(diào)控與高效訓(xùn)練展開研究。首先，證實(shí)UCA中近場(chǎng)波束分裂的可控性，其分裂程度可通過時(shí)延（Time Delay ,TD）波束成形器的參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)靈活控制?；诖?，提出一種基于TD波束成形器的快速寬帶波束訓(xùn)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(xùn)練，在大幅降低開銷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)波束對(duì)準(zhǔn)。

仿真結(jié)果表明，所提方案的訓(xùn)練開銷僅為近場(chǎng)窮舉方案的0.6%、基于PS的兩階段方案的1.9%，且平均可達(dá)速率達(dá)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(chǎng)超大規(guī)模MIMO的高效波束訓(xùn)練提供了新的技術(shù)路徑，對(duì)6G高頻段通信的實(shí)用化具有重要意義。


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作者信息：

許虎

（中電科思儀科技（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233010）

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