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Codebook Design for Extremely Large-Scale MIMO Systems: Near-Field and Far-Field

代码本 偏移量(计算机科学) 计算机科学 算法 多输入多输出 近场和远场 架空(工程) 电子工程 数学优化 拓扑(电路) 数学 光学 工程类 电信 物理 程序设计语言 操作系统 组合数学 频道(广播)
作者
Xiangyu Zhang,Haiyang Zhang,Jianjun Zhang,Chunguo Li,Yongming Huang,Luxi Yang
出处
期刊:IEEE Transactions on Communications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:72 (2): 1191-1206
标识
DOI:10.1109/tcomm.2023.3329224
摘要

Extremely large-scale multiple-input multiple-output (XL-MIMO) communication systems introduce a new communication paradigm called near-field communications, which identifies users’ location within the near-field (Fresnel’s region). In the near-field, beams can be steered in the angle and distance dimensions, resulting in an enormous codebook and a prolonged two-dimensional beam alignment (BA) process. To keep a low BA overhead while achieving low BA error, in this paper, we design a novel hierarchical codebook and a BA scheme for near-field XL-MIMO systems. Specifically, we first propose a novel spatial partition where the angle-offset effect is revealed and leveraged to improve the beam gain inside the coverage area. Based on the partition, we design distance-coarse and focusing beams. Distance-coarse beams are leveraged to construct the high level of the codebook for angle dimension alignment. In contrast, focusing beams construct the last level codebook for distance dimension alignment. Corresponding to the proposed codebook structure, our BA scheme is a tree search consisting of two stages: the angle aligning stage and the distance aligning stage. Next, we formulate the desired codebook design problem as difference convex optimization problems, where three beam design guidelines are considered to minimize the BA error rate raised by the near-field angle-offset effect. After that, the proposed optimization problem is solved by the constrained concave-convex procedure. Numerical simulations verify the angle offset effect and our designed near-field beam. Furthermore, we show that our BA scheme only utilizes one percent of overhead but achieves a lower BA error rate than exhaustive searching.
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