近场 XL-MIMO 有效自由度的分析框架

超大规模多输入多输出（XL-MIMO）是一种新兴的收发器技术，因其在频谱效率和空间分辨率上的巨大提升潜力，有望赋能下一代通信系统。然而，各种有前景的 XL-MIMO 配置的可达性能极限尚未得到充分评估、比较与讨论。在本文中，我们开发了一个专门针对近场 XL-MIMO 系统定制的有效自由度（EDoF）性能分析框架。我们探讨了五种具有代表性的不同 XL-MIMO 硬件设计，包括基于均匀平面阵列（UPA）含无限薄偶极子的系统、基于二维（2D）连续孔径（CAP）平面的系统、基于 UPA 含贴片天线的系统、基于均匀线性阵列（ULA）的系统，以及基于一维（1D）CAP 线段的 XL-MIMO 系统。我们的分析涵盖两种近场信道模型：基于标量格林函数和并矢格林函数的信道模型。更重要的是，当应用基于标量格林函数的信道时，我们推导了闭式 EDoF 表达式，表征了收发器物理尺寸、发射距离和载波频率的影响。在数值结果中，我们评估并比较了所有受测 XL-MIMO 设计的 EDoF 性能，验证了所提闭式表达式的准确性。此外，我们观察到，随着天线数量的增加，基于 UPA 和基于 ULA 的系统的 EDoF 性能分别趋近于 2D CAP 平面和 1D CAP 线段系统的性能。而且，我们揭示了近场 XL-MIMO 系统的 EDoF 性能主要由阵列孔径尺寸决定，而非单纯的天线数量。