[論文レビュー] Beam Focusing for Near-Field Multi-User MIMO Communications

Haiyang Zhang, Nir Shlezinger+4 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2021

Antenna Design and Analysis被引用数 21

ひとこと要約

本稿は、ミリ波/テラヘルツ周波数における大規模アレイを備えた近隣領域マルチユーザーMIMOシステムにおいて、エネルギーを特定の空間的位置に集中させることで高レート通信を実現するビームフォーカスの手法を提案する。従来の遠近フィールドビームフォーミングとは異なり、空間的配置に応じたエネルギー集中により、類似した角度にいるユーザー間でも干渉のない通信リンクを実現する。完全デジタル、ハイブリッド位相シフト器、およびダイナミックメタサーフェスアンテナアーキテクチャの最適化されたプレコーディング方式を構築し、類似した角度にいるユーザー間でも信頼性の高いマルチユーザー伝送を実現する。

ABSTRACT

Large antenna arrays and high-frequency bands are two key features of future wireless communication systems. The combination of large-scale antennas with high transmission frequencies often results in the communicating devices operating in the near-field (Fresnel) region. In this paper, we study the potential of beam focusing, feasible in near-field operation, in facilitating high-rate multi-user downlink multiple-input multiple-output (MIMO) systems. As the ability to achieve beam focusing is dictated by the transmit antenna, we study near-field signaling considering different antenna structures, including fully-digital architectures, hybrid phase shifter-based precoders, and the emerging dynamic metasurface antenna (DMA) architecture for massive MIMO arrays. We first provide a mathematical model to characterize near-field wireless channels as well as the transmission pattern for the considered antenna architectures. Then, we formulate the beam focusing problem for the goal of maximizing the achievable sum-rate in multi-user networks. We propose efficient solutions based on the sum-rate maximization task for fully-digital, (phase shifters based-) hybrid and DMA architectures. Simulation results show the feasibility of the proposed beam focusing scheme for both single- and multi-user scenarios. In particular, the designed focused beams are such that users residing at the same angular direction can communicate reliably without interfering with each other, which is not achievable using conventional far-field beam steering.

研究の動機と目的

• 従来の遠近フィールドビームフォーミングが球面波面のため失敗する近隣（フレネル）領域において、高レートでマルチユーザーMIMO通信をサポートする課題に対処すること。
• 特定の空間的位置にエネルギーを集束するビームフォーカス（方向ではなく空間的位置に焦点を合わせる）を活用し、ユーザーが類似した角度にいる場合でも直交通信リンクを実現すること。
• 完全デジタル、ハイブリッド位相シフト器ベース、およびダイナミックメタサーフェスアンテナ（DMA）といった実用的なアンテナアーキテクチャに適合した効率的なプレコーディング戦略の設計。
• 異なるアンテナアーキテクチャのハードウェア制約のもとで、マルチユーザー下行リンクMIMOシステムの和レートを最大化すること。
• 現実的なチャネルモデルとハードウェア制約を用いて、単一およびマルチユーザー環境におけるビームフォーカスの実現可能性と性能向上を実証すること。

提案手法

• 球面波面とユーザー固有のパスロスを考慮した近隣領域MIMOチャネルの数学的モデルを構築し、アレイの幾何構造と伝搬距離を組み込む。
• ビームフォーカスの和レート最大化フレームワークを提案し、電力制約およびハードウェア制約のもとでプレコーディング設計を最適化問題として定式化する。
• 完全デジタルアーキテクチャでは、固定されたアナログビームフォーミング行列のもとで最適なデジタルプレコーダーの閉形式解を導出する。これは、パワー正規化を伴う最大比率伝送を用いる。
• ハイブリッドおよびDMAアーキテクチャでは、位相シフトと振幅重みに関する非凸最適化問題として定式化し、部分的に最適なが効率的な反復アルゴリズムで解く。
• ベクトル化とクロネッカー積を用いて和レート最大化問題を再定式化し、特にハイブリッドおよびDMAシステムにおける計算を効率化する。
• 三角不等式を適用してビームフォーカスの最適位相シフトを導出し、各素子の最適位相が所望の焦点点のパス遅延および位相シフトと一致することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザーが類似した方位角方向にある場合でも、近隣領域におけるビームフォーカスが信頼性の高いマルチユーザーMIMO通信を可能にするか？
• RQ2 大規模アレイを備えたマスティブMIMOシステムにおいて、ビームフォーカスは従来の遠近フィールドビームフォーミングに比べて和レート性能をどのように向上させるか？
• RQ3 近隣領域マルチユーザーMIMOにおいて、実用的アンテナアーキテクチャ（完全デジタル、ハイブリッド、DMA）に最適なプレコーディング戦略は何か？
• RQ4 ハードウェア制約（例：位相シフト器、振幅制御）は、近隣領域MIMOにおけるビームフォーカスの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ビームフォーカスは、同じ角度にいるユーザー間で直交通信リンクをどの程度サポートできるか？遠近フィールドシステムの干渉制限を克服できるか？

主な発見

• ビームフォーカスは、異なる空間的位置にエネルギーを集約することで、同じ方位角方向にあるユーザー間の通信を信頼性高く実現し、ユーザー間干渉を排除する。
• 提案されたビームフォーカス方式は、従来の遠近フィールドビームフォーミングに比べて顕著な和レート向上を達成しており、特にユーザーが密集する状況で顕著である。
• 完全デジタルアーキテクチャでは、最適なデジタルプレコーダーが閉形式で導出され、全出力パワーを用いた最大比率伝送として得られ、信号対干渉＋ノイズ比を最大化する。
• ビームフォーカスの最適位相シフトは、$ \psi_{i,l}^{*} = k|\mathbf{p}_{m}-\mathbf{p}_{i,l}| + \beta_{i}\rho_{i,l} $ として示され、最大利得を得るためのパス遅延および位相シフトと一致する。
• シミュレーション結果は、ビームフォーカス方式が単一およびマルチユーザー環境において有効であることを確認しており、ユーザー分布やアレイ構成にかかわらず安定した性能を示す。
• ハイブリッドおよびDMAアーキテクチャは、低いハードウェア複雑性でほぼ最適性能を達成しており、実世界のシステムにおけるビームフォーカスの実用的妥当性を示している。