[論文レビュー] Holographic Metasurface Antennas for Uplink Massive MIMO Systems

Insang Yoo, David R. Smith|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2021

Antenna Design and Analysis参考文献 37被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、3.5 GHzで運用する矩形波ガイド駆動のホログラフィックメタサーフェスアンテナアレイを用いた、低複雑性・低コストのアップリンク massive MIMO システムを提案する。サブ波長スケールのメタマテリアル素子を活用して高方位分解能を持つ複数のファンビームを生成することで、合計容量が44.75ビット/秒/Hzに達し、レイリーチャネルの46.34ビット/秒/Hzに近く、受動的ビームフォーミングによりRFチェーンの必要数を最小限に抑えることによって実現された。

ABSTRACT

We propose an uplink massive MIMO system using an array of holographic metasurfaces as a sector antenna. The antenna consists of a set of rectangular waveguide-fed metasurfaces combined along the elevation direction into a planar aperture, each with subwavelength-sized metamaterial elements as radiators. The metamaterial radiators are designed such that the waveguide-fed metasurface implements a holographic solution for the guided (or reference) mode, generating a fan beam towards a prescribed direction, thereby forming a multibeam antenna system. We demonstrate that a narrowband uplink massive MIMO system using the metasurfaces can achieve the sum capacity close to that offered by the Rayleigh channel at 3.5 GHz. We show that metasurfaces supporting multiple fan beams can achieve high spatial resolution in the azimuth directions in sub-6 GHz channels, and thereby form uncorrelated MIMO channels between the base station and users. Also, the proposed metasurface antenna is structurally simple, low-cost, and efficient, and thus is suitable to alleviate RF hardware issues common to massive MIMO systems equipped with a large antenna system.

研究の動機と目的

• 大規模アンテナアレイを用いる従来の massive MIMO システムにおける高コスト・高RFハードウェア複雑性を低減すること。
• 周波数帯域がsub-6 GHzのMIMOチャネルでは仰角分散が小さいという特徴を活用し、ビームフォーミング設計を簡素化すること。
• 波ガイド駆動メタサーフェスを用いて構造的に単純で低プロファイルかつ効率的な放射プラットフォームを構築すること。
• メタサーフェスベースのビームフォーミングが、理論的レイリー・チャネル限界に近い合計容量を達成できることを実証すること。
• 各素子にRFチェーンを必要としない受動的で低消費電力のビームフォーミングを実現し、システムコストと消費電力を低減すること。

提案手法

• サブ波長スケールのメタマテリアル放射素子を備えた矩形波ガイド駆動メタサーフェスを設計し、ホログラフィックビームフォーミングを実装してファンビームを生成する。
• 個々のメタサーフェスの放射パターンをモデル化・最適化するために、結合デュポール法（CDM）を用いる。
• 複数のメタサーフェスを仰角方向に配置して、マルチビーム機能を有する平面アパーチャを形成する。
• ホログラフィック原理を用いてアパーチャ全体にわたる位相シフトを制御し、アクティブなRF部品を一切使用せずに指向性ビームを形成可能にする。
• ユーザーと基地局のクラスタの角度分散（σᵘ, σᵇˢ）を5°から60°まで変化させた統計的MIMOチャネルモデルを用いてシステムをシミュレートする。
• 合計容量とMIMOチャネル行列の条件数を用いてシステム性能を評価し、レイリー fading チャネル基準と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホログラフィックメタサーフェスを用いたアンテナアレイは、3.5 GHzのアップリンク massive MIMO システムでレイリー・チャネルに近い合計容量を達成できるか？
• RQ2 メタサーフェスアレイの空間分解能は、MIMOチャネルにおける空間相関をどの程度低減するか？
• RQ3 アパーチャサイズ（メタマテリアル素子数）が、達成可能な合計容量およびチャネル条件数に与える影響は何か？
• RQ4 ユーザーおよび基地局クラスタの角度分散が、メタサーフェスベースのMIMOシステムの性能に与える影響は何か？
• RQ5 受動的で低消費電力のメタサーフェスは、従来のRF集約型ビームフォーミングアーキテクチャを代替可能か？

主な発見

• 提案されたメタサーフェスベースの massive MIMO システムは、平均合計容量が44.75ビット/秒/Hzに達し、レイリー・チャネルの46.34ビット/秒/Hzに極めて近い。
• システムの平均条件数は、角度分散が30°以上の場合に最小値8.15に達し、空間相関が低く、好適なMIMOチャネル品質を示している。
• メタマテリアル素子数（Nₘ）を10から45に増加させることで合計容量が向上し、Nₘ ≥ 30で飽和が観察されたことから、十分な空間分解能が達成されたことが示された。
• Nₘを固定した場合、角度分散（σᵘ = σᵇˢ）を増加させることでチャネル相関が低減し、多様な伝搬経路がより効果的に励起されるため、性能が向上した。
• メタサーフェスベースシステムの条件数（κₘₛ/κᵣₐyₗₑᵧ ≈ 1.8）はレイリー・チャネルと同等であり、相関のないサブチャンネルが形成されたことが確認された。
• 受動的で低コスト・低プロファイルな設計を維持しながらも、高い性能を発揮し、各素子にRFチェーンを必要とせず、消費電力を低減した。