体积波束聚焦：极端 MIMO 的新范式

为数据饥渴的世界带来更清晰的信号

随着手机、笔记本和传感器争夺无线带宽，当今网络正面临严重压力。本文探讨了一种可能大幅提升容量的新型无线传输方式：未来基站不再向整个街区扫射宽广波束，而是把无线能量雕刻成围绕每个用户的小型三维“口袋”。作者将这种方法称为“体积波束聚焦”，并展示了如何利用特殊波型使其在下一代无线（包括 6G）中成为可行方案。

从宽波束到紧密能量口袋

移动网络长期以来通过缩小小区、划分扇区并使用大量天线向用户指向窄波束来提高容量。这一策略被称为大规模 MIMO，在用户远离天线时效果很好，因为电磁波在阵列处看起来像平面波。但当天线阵列增大到几米宽并在更高频段工作时，许多用户进入“近场”区域，波前显著弯曲。在这种情况下，仅按角度转向波束已不足以区分用户：两个位于相同方向但距离不同的用户会相互干扰。体积波束聚焦将这一缺点转为契机，既利用角度又利用距离来分离用户，将能量指向紧凑的三维区域，而不是通过空间的宽广线状传播。

拒绝扩散的特殊波束

这一新方法的关键构件是所谓的不扩散波束，特别是贝塞尔波束。与随传播而变模糊的普通波束不同，贝塞尔波束能在较长距离内保持锐利的主芯，周围环绕着强度较弱的同心环。这使其在数十到数百米范围内保持对用户的能量聚焦很有吸引力。然而，这些环也会产生明显的“死区”：如果用户稍微偏离中心线，可能落入低功率环中而失去信号。为了解决这一问题，作者设计了一种改进波束——Padé–Bessel 波束，通过在径向上温和重塑贝塞尔波束的剖面来实现。通过在焦点附近对贝塞尔模式进行数学近似，他们填补了最深的零点并平滑了振荡，以牺牲极少的锐度换取更均匀、更稳健的中心瓣。

在平面和体积内的聚焦

利用这些波束，研究者首先研究了“面域”聚焦——在平面内集中能量——然后将其扩展到真正的三维体积。他们比较了三种方法：当今常用的近场聚焦、纯贝塞尔波束和 Padé–Bessel 波束。在带有长天线线阵的二维仿真中，传统聚焦在用户处产生强点，但在横向和深度方向上散布大量能量，给其他用户带来干扰。贝塞尔波束收窄了焦点，但仍在目标之外出现许多明亮环。Padé–Bessel 波束则实现了最窄且最干净的聚焦：主瓣与贝塞尔情形一样紧，但周围环被大幅抑制。在具有矩形天线面板的三维场景中，这一差异更为明显。传统聚焦生成一条拉长的能量管，而叠加的贝塞尔波束形成一个小得多的亮区。与标准聚焦相比，Padé–Bessel 波束将有用体积缩小了约 1,900 倍，将强弱能量都更紧密地约束在目标点附近。

更多用户、更少干扰

更锐利的聚焦只有在提升真实网络性能时才有意义。因此，作者对包含数百个用户的多用户蜂窝布局建模，比较每种方法在单位带宽下每用户能提供的比特率。在相同总发射功率下，Padé–Bessel 和贝塞尔波束都明显优于传统波束：在某些情况下每用户平均速率提高了一个数量级，并且即使用户数量上升到数百，干扰仍然较低。当这些聚焦模式在实际数字天线阵列上实现时，增益在很大程度上得以保留：Padé–Bessel 波束持续优于简单的最大比率传输，甚至能与更复杂的干扰消除方案抗衡，而无需进行大量实时矩阵求逆。作者还测试了对硬件限制、散射反射和不完美用户定位的鲁棒性，发现只要阵列不是过小且位置估计相当准确，新波束仍能提供明显优势。

对日常连接意味着什么

用通俗的话说，这项工作展示了未来基站如何只“点亮”设备周围的小型三维气泡，而不是用无线能量照亮整条街区。通过用 Padé–Bessel 波束创建这些紧密口袋，网络可以在相同频谱上服务更多用户、减少能量浪费，甚至以厘米级精度定位用户。尽管这些想法仍需硬件原型和真实环境测试，体积波束聚焦为 6G 系统提供了一条有吸引力的路径：与其简单增加更多基站或更多频谱，不如利用更聪明的物理学把每瓦特精确地放到需要的地方。

引用: Banerjee, B., Parvini, M., Nimr, A. et al. Volumetric beam focusing: a new paradigm in extreme MIMO. npj Wirel. Technol. 2, 12 (2026). https://doi.org/10.1038/s44459-026-00026-1

关键词: 极端 MIMO, 体积波束聚焦, 贝塞尔光束, 近场无线, 6G 网络