Extremely large-scale array (XL-array) has emerged as a promising technology to improve the spectrum efficiency and spatial resolution of future wireless systems. However, the huge number of antennas renders the users more likely to locate in the near-field (instead of the far-field) region of the XL-array with spherical wavefront propagation. This inevitably incurs prohibitively high beam training overhead since it requires a two-dimensional (2D) beam search over both the angular and distance domains. To address this issue, we propose in this paper an efficient two-stage hierarchical beam training method for near-field communications. Specifically, in the first stage, we employ the central sub-array of the XL-array to search for a coarse user direction in the angular domain with conventional far-field hierarchical codebook. Then, in the second stage, given the coarse user direction, we progressively search for the fine-grained user direction-and-distance in the polar domain with a dedicatedly designed codebook. Numerical results show that our proposed two-stage hierarchical beam training method can achieve over 99% training overhead reduction as compared to the 2D exhaustive search, yet achieving comparable rate performance.


翻译:超大规模阵列(XL-array)已成为提升未来无线系统频谱效率和空间分辨率的一项前景技术。然而,海量天线使得用户更可能位于XL-阵列的近场(而非远场)区域,此时波前传播呈现球面特性。这不可避免地导致波束训练开销剧增,因为需要在角度域和距离域进行二维(2D)波束搜索。为解决这一问题,本文针对近场通信提出了一种高效的两级分层波束训练方法。具体而言,在第一阶段,我们利用XL-阵列的中央子阵列,结合传统远场分层码本在角度域搜索用户的粗略方向。随后在第二阶段,根据该粗略方向,采用精心设计的码本在极域逐步搜索精细的用户角度与距离。数值结果表明,与二维穷举搜索相比,所提出的两级分层波束训练方法在实现可比的速率性能的同时,可降低超过99%的训练开销。

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