[論文レビュー] Capacity Maximization for FAS-assisted Multiple Access Channels

Hao Xu, Kai‐Kit Wong+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2023

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ミリ波上行ぎょう複数ユーザーアクセスチャネルにおける和容量を最大化するための共同最適化フレームワークを提案する。送信共分散行列と液体アンテナシステム（FAS）ユーザ機器（UE）アンテナ位置を同時に最適化することで実現する。単一ユーザーの場合の閉形式解および1次元探索解を導出するとともに、複数ユーザーのシナリオでは交互最適化アルゴリズムを構築し、ベンチマークと比較して顕著な容量向上を示した。

ABSTRACT

This paper investigates a multiuser millimeter-wave (mmWave) uplink system in which each user is equipped with a multi-antenna fluid antenna system (FAS) while the base station (BS) has multiple fixed-position antennas. Our primary objective is to maximize the system capacity by optimizing the transmit covariance matrices and the antenna position vectors of the users jointly. To gain insights, we start by deriving upper bounds and approximations for the capacity. Then we delve into the capacity maximization problem. Beginning with the simple scenario of a single user equipped with a single-antenna FAS, we demonstrate that a closed-form optimal solution exists when there are only two propagation paths between the user and the BS. In the case where multiple propagation paths are present, a near-optimal solution can also be obtained through a one-dimensional search method. Expanding our focus to multiuser cases, in which users are equipped with either single- or multi-antenna FAS, we show that the original capacity maximization problems can be reformulated into distinct rank-one programmings. Then, we propose alternating optimization algorithms to deal with the transformed problems. Simulation results indicate that FAS can improve the capacity of the multiple access channel (MAC) greatly, and the proposed algorithms outperform all the benchmarks.

研究の動機と目的

• FAS支援型複数ユーザー多重アクセスチャネル（MAC）における理論的容量解析および最適化の不足を解消すること。
• ユーザーの送信共分散行列とFASアンテナ位置ベクトルを共同で最適化することで、複数ユーザーのミリ波上行ぎょうにおけるシステム和容量を最大化すること。
• FAS支援システムにおける容量限界に関する解析的インサイトを提供すること。
• 単アンテナおよび多アンテナFASをユーザーに搭載したシナリオにおける実用的アルゴリズムを開発すること。
• シミュレーションを通じて、提案手法が従来のベンチマークを上回ることを実証すること。

提案手法

• FAS支援システムにおける最大達成可能容量の上界および近似を導出する。
• 2つの伝搬経路を有する単一ユーザーFASに対して、アンテナ位置およびビームフォーミングの閉形式最適解を導出する。
• 複数の伝搬経路を有する単一ユーザーFASに対しては、近似的に最適な解を得るための1次元探索法を提案する。
• 複数ユーザー容量最大化問題を、単アンテナおよび多アンテナFASケースの両方においてランク1の半定値計画問題（SDP）に再定式化する。
• ビームフォーミングとFASアンテナ位置を交互に最適化する反復的手法を提案し、高容量解に収束する。
• ユーザー機器におけるFASポート間の空間相関を正確にモデル化するため、[22]のチャネルモデルを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FAS支援型複数ユーザーのミリ波上行ぎょうシステムにおける理論的容量限界は何か？
• RQ2 2つの伝搬経路しか存在しない状況で、FASビームフォーミングおよびアンテナ位置決めの閉形式解を導出可能か？
• RQ3 複数の伝搬経路が存在する状況で、容量最大化問題を効率的に解く方法は何か？
• RQ4 複数ユーザー環境における送信ビームフォーミングとFASアンテナ位置の最適共同設計は何か？
• RQ5 提案されたアルゴリズムは、従来のベンチマークと比較して和容量の面でどの程度優れているか？

主な発見

• 2つの伝搬経路を有する単一ユーザーFASでは、閉形式最適解が存在し、最適ビームフォーミングおよびアンテナ位置を直接計算可能である。
• 複数の伝搬経路が存在する場合、1次元探索法により低計算量で近似的に最適な容量性能を達成できる。
• 複数ユーザー容量最大化問題はランク1の半定値計画問題に再定式化可能であり、効率的なアルゴリズム的解決が可能である。
• 提案された交互最適化アルゴリズムは高容量解に収束し、シミュレーションにおいてすべてのベンチマーク手法を上回る性能を示した。
• FASは、空間的多径性を有する環境において特に、ミリ波MACシステムの容量を顕著に向上させる。
• 導出された理論的上界は、FAS導入による最大達成可能容量向上のインサイトを提供する。