【波束成形】基于3D圆柱阵列的近场波束成形（扩大区域和提高频谱效率）附Matlab代码-优快云博客

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🔥 内容介绍

当我们讨论 6G 时，除了 “天地一体化”“太赫兹通信” 这些宏观方向，还有一个容易被忽视但至关重要的场景 ——近场通信。比如商场里手机与 AR 导航设备的高速数据交互、车与车之间的近距离低延迟通信、VR 头盔与基站的沉浸式信号传输，这些 “短距离、高密集、高速率” 的需求，传统波束成形技术早已力不从心。

而基于 3D 圆柱阵列的近场波束成形，正凭借 “全向覆盖 + 高效复用” 的双重优势，成为解决近场通信痛点的关键技术。它既能打破传统阵列的覆盖局限，又能大幅提升频谱效率，今天我们就从技术原理到实际应用，彻底读懂这项 6G 核心技术。

一、先理清：近场通信为什么 “难”，3D 圆柱阵列又 “强” 在哪？

在拆解波束成形前，我们得先搞懂两个核心问题：近场通信的特殊性，以及 3D 圆柱阵列与传统阵列的本质区别。

1. 近场通信：和 “远场” 不是一个 “游戏规则”

我们平时用手机接基站信号，大多处于 “远场” 场景（距离基站几十米到几公里），此时信号传播近似 “平面波”，波束成形只需考虑 “方位角”（水平方向）的调控。但近场场景（距离发射端通常小于 10 米，比如室内、车距内）完全不同：

信号是 “球面波”：从阵列出发呈球面扩散，不同位置的终端接收到的信号 “路径差” 极大，传统基于平面波的波束成形算法会出现严重误差；

覆盖范围 “碎片化”：近场终端分布密集且位置灵活（比如会议室里有人坐、有人站），传统平面阵列（只能覆盖固定角度）容易出现 “信号盲区”；

干扰更复杂：多个终端近距离同时通信时，信号相互叠加干扰，频谱效率会急剧下降。

简单说，近场通信就像 “在拥挤的房间里同时和多个人小声说话”—— 既要让每个人听清，又不能互相干扰，难度远大于 “在空旷场地喊话”。

2. 3D 圆柱阵列：比传统阵列多了 “一个维度” 的自由

传统波束成形常用 “平面阵列”（比如基站天线的平板形态），只能在 “二维平面”（水平 + 垂直小角度）调控波束；而 3D 圆柱阵列，顾名思义是 “圆柱状的立体阵列”，把天线单元按规律排列在圆柱侧面，相当于给波束成形加了 “垂直维度” 的调控能力：

方位角 360° 覆盖：圆柱侧面的单元能向水平方向 360° 发射波束，无需转动阵列就能覆盖周围所有终端（比如圆形会议室的所有参会者）；

垂直面灵活调控：通过调整圆柱不同高度的单元参数，能在垂直方向（比如从地面 1 米到 2 米）形成多层波束，覆盖不同高度的终端（比如站着的人和坐着的人）；

单元密度更高：圆柱结构可容纳更多天线单元（比如多层环形排列），为精准波束赋形和多用户复用提供硬件基础。

如果把传统平面阵列比作 “手电筒”（只能照一个方向），3D 圆柱阵列就是 “全方位台灯”—— 既能照亮周围所有角落，还能调整灯光高度，精准匹配不同位置的需求。

二、核心能力：如何实现 “扩大覆盖” 与 “提升频谱效率”？

3D 圆柱阵列的近场波束成形，本质是通过 “立体波束调控” 解决近场痛点，具体靠两大核心技术实现目标。

1. 扩大覆盖区域：从 “单点覆盖” 到 “立体无死角”

传统平面阵列的覆盖范围像 “一扇窄窗”，而 3D 圆柱阵列通过以下两点，把覆盖变成 “一个球体”：

（1）“方位角 + 俯仰角” 双维度波束扫描

3D 圆柱阵列的单元按 “环形 + 分层” 排列（比如圆柱侧面每圈有 16 个单元，共 5 层），通过独立调控每个单元的相位和振幅：

方位角调控：控制同一高度 “环形单元” 的参数，形成水平方向 360° 的波束扫描（比如给 1 号单元相位 0°、2 号单元相位 22.5°……16 号单元相位 337.5°，就能形成顺时针旋转的波束）；

俯仰角调控：控制不同高度 “分层单元” 的参数，在垂直方向形成 - 30° 到 + 30° 的波束覆盖（比如下层单元相位滞后，上层单元相位超前，就能让波束向下倾斜覆盖地面终端）。

举个实际案例：在直径 5 米的圆形会议室部署 3D 圆柱阵列（高度 2 米），传统平面阵列只能覆盖 120° 范围（约 1/3 区域），而 3D 圆柱阵列能通过双维度调控，让波束覆盖整个会议室，终端信号接收率从 60% 提升到 98% 以上，完全消除盲区。

（2）“动态波束跟踪”：跟着终端 “跑”

近场终端会移动（比如人在室内走动、车辆行驶），3D 圆柱阵列通过 “实时信道估计 + 快速波束更新” 实现动态跟踪：

终端定期向阵列反馈位置和信道状态（比如每 10 毫秒更新一次）；

阵列根据反馈数据，调整对应单元的参数，让波束始终 “锁定” 终端（比如人从圆柱东侧走到西侧时，方位角波束从 90° 调整到 270°，同时保持垂直角度不变）；

由于圆柱阵列单元密集，波束切换时信号不会中断（切换时间小于 1 毫秒），用户刷视频、传文件时完全感觉不到卡顿。

2. 提高频谱效率：让 “同一频段” 能服务更多用户

频谱是通信的 “稀缺资源”，近场场景下，3D 圆柱阵列通过 “空间复用” 技术，让同一频段同时服务多个用户，大幅提升频谱效率。

（1）近场精准波束赋形：“把信号只给目标终端”

传统波束成形的波束较宽（比如远场波束宽度约 10°），容易 “漏到” 其他终端造成干扰；而 3D 圆柱阵列凭借大量单元和球面波建模，能形成 “极窄的近场波束”（宽度可小于 1°）：

阵列通过计算每个终端的 “球面波路径”，给每个单元分配精准的相位（比如针对终端 A，让所有单元的信号在 A 处 “同相叠加”，在其他终端处 “反相抵消”）；

这种 “定向性极强” 的波束，能避免信号泄漏到其他用户，相当于给每个用户 “定制了一条专属信号通道”。

某实验数据显示：在 8GHz 频段（6G 候选频段），3D 圆柱阵列的近场波束赋形，能让同一频段同时服务 8 个用户，而传统平面阵列只能服务 2 个用户，频谱效率提升 4 倍。

（2）多用户分层复用：“垂直方向也能分信道”

除了水平方向的空间复用，3D 圆柱阵列还能利用垂直维度做 “分层复用”：

把圆柱分为不同高度的 “层”（比如底层、中层、顶层），每层对应一个 “垂直子波束”；

不同高度的终端（比如儿童推车的平板、成年人手中的手机、高处的 AR 眼镜）可使用同一频段，通过垂直子波束隔离干扰；

比如在商场扶梯场景，底层波束服务一楼的终端，中层波束服务扶梯上的终端，顶层波束服务二楼的终端，三者频段相同却互不干扰。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

%--------------------------------------------------------------------------

% Effective rayleigh distance (ERD) for different angles

%--------------------------------------------------------------------------

clear;clc;close all;

addpath('UCAfunction\');

%% UCA settings

Nt = 512; % element for UCA

fc = 30e9; % operating frequency

c = 3e8;

lambda = c/fc; % wavelength

d = lambda/2;

r_radius = Nt*d/2/pi; % half-wavelength spacing

%% effective rayleigh distance for different angles

threshold = 0.95;

num_bessel = 3000;

num_phi = 10000;

phi_list = linspace(-pi/2, pi/2, num_phi);

g = zeros(1, num_phi);

r_uca = zeros(1, num_phi);

r_ula = zeros(1, num_phi);

% decide the value for UCA

r_list = linspace(0, 1, num_bessel);

g_r = abs(besselj(0, r_list));

[~,idx] = min(abs(g_r-threshold));

epsilon_c = r_list(idx);

%decide the epsilon value for ULA

num_point = 100000;

beta = linspace(0.1, 1, num_bessel);

[f1_sin, f1_cos] = fresnel(beta, num_point);

g_r_ula = abs(f1_cos+1i*f1_sin)./beta;

[~,idx] = min(abs(g_r_ula-threshold));

epsilon_l = beta(idx);

for i_phi = 1:num_phi

phi = phi_list(i_phi);

r_uca(i_phi) = pi*r_radius^2/2/lambda/epsilon_c;

r_ula(i_phi) = (2*r_radius)^2*cos(phi)^2/2/epsilon_l^2/lambda;

end

%% plot in 2D space

[x_ula,y_ula] = pol2cart(phi_list, r_ula);

[x_uca,y_uca] = pol2cart(phi_list, r_uca);

figure;

hold on;grid on;box on;

plot(x_uca,y_uca,'-.','Color',0.80*[1 0 0],'Linewidth',1.5)

plot(x_ula,y_ula,'- ','Color',0.80*[0 0 1],'Linewidth',1.5)

xlabel('x-axis');

ylabel('y-axis');

legend('ERD UCA','ERD ULA','FontSize',16);

set(gca,'YTick',[-60 -30 0 30 60],'XTick',[0 20 40 60],'FontName','Times New Roman','FontSize',16,'GridLineStyle','-.');

🔗 参考文献

Gao, K. Zhou, Y. Wang, J. Xiang and Y. Zhong, "[Near-field Beamforming Technique Based on 3-D Cylindrical Array: Enlarging Region and Improving Spectral Efficiency,](https://ieeexplore.ieee.org/document/10881824)" 2024 IEEE 12th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), Nanjing, China, 2024, pp. 1-2, doi: 10.1109/APCAP62011.2024.10881824.