近日，南方科技大學電子與電氣工程系助理教授游昌盛課題組創新提出一種基于傅里葉級數展開的方法，有效解決基于離散移相器應用帶來的挑戰。相關成果以“Near-field Beam-focusing Pattern under Discrete Phase Shifters”為題，發表于通信領域頂級期刊IEEE Transactions on Wireless Communications(IEEE TWC)上。
超大規模天線陣列已成為未來6G無線通信系統中的一項關鍵前沿技術，促進了近場通信技術的產生與應用。與傳統的遠場通信不同，近場通信系統中的電磁波采用更準確的球面波前建模，從而使波束可以聚焦在特定位置，而不僅僅指向特定角度。這種波束聚焦效應為空間復用和高精度用戶定位等應用賦予了全新可能。
目前超大規模天線陣列中天線數量的顯著增加帶來了硬件成本和功耗的大幅提升，特別是在混合波束成形架構中采用高分辨率移相器時，這一能耗挑戰尤為凸顯。因此，開展低分辨率離散移相器的使用研究，成為一種更具實用性和能效性的舉措。
圖1.超大規模天線陣列中無線通信區域劃分
然而，低分辨率移相器在近場通信中的使用仍帶來了一系列新的挑戰，尤其是在波束圖分析方面。離散移相器是否會影響波束聚焦效應，仍是一個尚未解決的問題。同時，離散移相器導致的相位量化，使得現有的波束圖分析方法仍難以適用。該問題在現有文獻中尚未得到系統性研究和探討。
圖2.基于離散移相器的超大規模天線陣列多用戶通信系統圖
針對該挑戰，研究團隊引入了傅里葉級數展開方法，將近場波束圖重新表達為數學上更易處理的形式，從而實現了對離散移相器如何影響波束成形特征的進一步分析。該方法揭示了離散移相器會引入額外的柵瓣，這在多用戶系統中可能帶來干擾。同時，主瓣依然保留波束聚焦特性，并且其波束功率隨移相器分辨率的提高而增強。研究還進一步揭示出柵瓣可以分為兩個不同的類型，分別表現出波束聚焦和波束定向的特性。
圖3.不同移相器場景下的近場波束圖
通過數值仿真，研究團隊還展示了柵瓣對通信速率性能的抑制作用。然而，3比特低分辨率移相器即可實現與連續移相器近似的波束圖和速率性能，同時顯著提高了能效。
該研究為在低分辨率硬件限制下近場波束圖的特征分析提供了重要理論依據，并為近場通信在未來6G系統中的進一步應用和部署提供了參考。
電子與電氣工程系2025屆本科畢業生張皓東為該論文第一作者。游昌勝為通訊作者，南方科技大學為論文第一單位。該工作得到了國家重點研發計劃青年科學家項目、國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、深圳市科技計劃項目等多項科研資助。
