Mobile communication networks were designed to mainly support ubiquitous wireless communications, yet they are also expected to achieve radio sensing capabilities in the near future. However, most prior studies on radio sensing usually rely on far-field assumption with uniform plane wave (UPW) models. With the ever-increasing antenna size, together with the growing demands to sense nearby targets, the conventional far-field UPW assumption may become invalid. Therefore, this paper studies near-field radio sensing with extremely large-scale (XL) antenna arrays, where the more general uniform spheric wave (USW) sensing model is considered. Closed-form expressions of the Cram\'er-Rao Bounds (CRBs) for both angle and range estimations are derived for near-field XL-MIMO radar mode and XL-phased array radar mode, respectively. Our results reveal that different from the conventional UPW model where the CRB for angle decreases unboundedly as the number of antennas increases, for XL-MIMO radar-based near-field sensing, the CRB decreases with diminishing return and approaches to a certain limit as the number of antennas increases. Besides, different from the far-field model where the CRB for range is infinity since it has no range estimation capability, that for the near-field case is finite. Furthermore, it is revealed that the commonly used spherical wave model based on second-order Taylor approximation is insufficient for near-field CRB analysis. Extensive simulation results are provided to validate our derived CRBs.


翻译:移动通信网络的设计主要是为了支持无处不在的无线通信,但预计它们也将在不远的将来实现无线电感测能力;然而,大多数以前关于无线电遥感的研究通常依靠使用统一的飞机波(UPW)模型的远地假设。随着天线尺寸不断增加,加上对接近附近的目标的日益需求,传统的远地UPW卫星假设可能变得无效。因此,本文用超大型(XL)天线阵列进行近地无线电遥感研究,其中考虑的是更为普通的统一球流(USW)遥感模型。Cram\'er-Rao Bounds(CRBs)在角度和范围上的封闭式表达方式通常都取决于远地点的假设。C-MIMO雷达模型和XL级阵列雷达模型的假设可能变得无效,因此,与常规的UPW模型不同的是,CRB用于角线阵列的第二个天线数增加,而C-MIMO的模型在返回和接近某一限度的接近地点的路径上减少,而CRB的精确度则从通常使用的直径为C。</s>

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