[論文レビュー] Near-Field Wideband Beamforming for Extremely Large Antenna Array.

Mingyao Cui, Linglong Dai+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2021

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 33被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、Tbps帯の広帯域通信に適した高スペクトル効率を実現するため、極めて大きなアンテナアレイにおける近隣領域ビームスプリット効果を軽減するため、区分的遠方近似モデルと区分的線形位相特性を用いた位相遅延フォーカス法を提案する。また、近隣領域／遠方領域の区別により正確な指標として有効レイリー距離を導入する。

ABSTRACT

Extremely large antenna array for wideband communications is a promising technology to achieve a Tbps data rate for next-generation communications. However, due to the extremely large bandwidth and antenna array aperture, the near-field beam split effect will severely decrease the actual transmission rates, which has not been investigated in existing works. To solve this challenging problem, we first reveal the near-field beam split effect and analyze the corresponding array gain loss. Then, a piecewise-far-field model with piecewise-linear phase property is proposed to approximate the near-field channel, based on which we propose a phase-delay focusing method to effectively mitigate the near-field beam split effect. Moreover, a new metric called effective Rayleigh distance is defined, which is more accurate than the classical Rayleigh distance to distinguish the far-field and near-field regions for practical communications. Finally, theoretical and numerical results are provided to demonstrate the effectiveness of our methods.

研究の動機と目的

• テラビット・パー・セカンド（Tbps）帯広帯域通信に向けた極めて大きなアンテナアレイにおける未解決の近隣領域ビームスプリット効果の課題に取り組む。
• 大口径かつ広帯域を持つ広帯域システムにおける近隣領域ビームスプリット効果が引き起こすアレイゲイン損失を分析する。
• 近隣領域チャネルを高精度に近似可能な実用的モデルである「区分的遠方領域モデル（piecewise-far-field model）」を構築する。このモデルは、区分的線形位相特性を有する。
• 近隣領域幾何構造に起因する位相エラーを補償する位相遅延フォーカス法を提案し、ビームスプリットを効果的に抑制し、アレイゲインを回復する。
• 実用的広帯域システムにおける近隣領域／遠方領域の区別をより良く行うため、改良された指標として有効レイリー距離を導入する。

提案手法

• アレイをサブアパーチャに分割し、それぞれを線形位相変動を示す遠方領域として扱うことで、近隣領域チャネルを近似する区分的遠方領域モデルを構築する。
• 区分的線形位相特性を活用し、広帯域信号における球面波面を高い精度でモデル化する。
• 近隣領域幾何構造に起因する位相エラーを補償する位相遅延フォーカス法を設計し、ビームスプリットを最小限に抑える。
• 帯域幅とアレイサイズの関数として有効レイリー距離を導出し、広帯域システムにおける古典的レイリー距離の改良を図る。
• 理論的分析と数値シミュレーションを用いて、提案モデルおよびビームフォーミング手法の性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広帯域信号を用いる極めて大きなアンテナアレイにおいて、近隣領域ビームスプリット効果はどのようにアレイゲインとスペクトル効率を劣化させるか？
• RQ2 区分的線形位相特性を有する区分的遠方領域モデルは、広帯域システムにおける近隣領域チャネルをどの程度正確に表現できるか？
• RQ3 位相遅延フォーカス法は、近隣領域領域でビームスプリットを効果的に抑制し、アレイゲインを回復できるか？
• RQ4 提案された有効レイリー距離は、実用的広帯域通信において、古典的レイリー距離と比較して近隣領域／遠方領域をどの程度正確に区別できるか？
• RQ5 現実的な広帯域マスティブ MIMO 環境下で、提案手法を用いることで達成可能なスペクトル効率およびアレイゲインの向上はどの程度か？

主な発見

• 近隣領域ビームスプリット効果は、波面の空間的変動に起因し、広帯域かつ極めて大きなアンテナアレイにおいて顕著なアレイゲイン損失を引き起こす。
• 提案された区分的遠方領域モデルは、区分的線形位相近似を用いることで、近隣領域チャネル応答を高精度に捉えており、効果的なビームフォーミング設計を可能にする。
• 位相遅延フォーカス法は、ビームスプリットを効果的に抑制し、近隣領域領域においてアレイゲインを回復し、スペクトル効率を向上させることに成功した。
• 有効レイリー距離は、特に広帯域システムにおいて、古典的レイリー距離よりも近隣領域／遠方領域の区別に適したより正確な基準を提供する。
• 数値結果により、提案手法が極端な近隣領域においても近似的最適なアレイゲインとスペクトル効率を達成できることを確認した。