近场彩虹：面向XL-MIMO的宽带波束训练

宽带极大规模多输入多输出（XL-MIMO）是一项有前景的技术，可通过波束成形和空间复用在未来6G系统中实现Tbps数据速率。由于宽带XL-MIMO具有极宽带宽和海量天线，将引发显著的近场波束分裂效应，其中不同频率的波束聚焦于不同位置。近场波束分裂效应导致严重的阵列增益损失，因此现有工作主要聚焦于利用时延（TD）波束成形器补偿该损失。相比之下，本文表明尽管近场波束分裂效应降低了阵列增益，它也为实现快速近场波束训练提供了新可能。具体而言，我们首先揭示了近场可控波束分裂效应的机理。该效应表明，通过专门设计时延参数，TD波束成形器能够控制近场波束分裂效应的程度，即不同频率的波束可灵活占据所需的位置范围。由于与自然光因棱镜引起的色散相似，本文亦将此效应称为近场彩虹。随后，利用近场彩虹效应，提出了一种快速宽带波束训练方案。在我们的方案中，精心推导了波束成形向量的闭合形式，以使不同频率的波束聚焦于不同期望位置。借此，通过仅用一个射频（RF）链同时生成聚焦于多个位置的多个波束，可快速搜索出具有最大阵列增益的最优波束成形向量。最后，仿真结果表明所提方案能够以极低的训练开销实现近最优的近场波束训练。