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

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

Microwave Engineering and Waveguides被引用数 27

ひとこと要約

この論文は、極めて大規模なアンテナアレイにおける近場のワイドバンドビーム分割を緩和するため、位相遅延フォーカシング法と部分的な遠方場チャネルモデルを提案し、実用的な近場指標として効果的なRayleigh距離を導入する。

ABSTRACT

The natural integration of extremely large antenna arrays (ELAAs) and terahertz (THz) communications can potentially achieve Tbps data rates in 6G networks. However, due to the extremely large array aperture and wide bandwidth, a new phenomenon called "near-field beam split" emerges. This phenomenon causes beams at different frequencies to focus on distinct physical locations, leading to a significant gain loss of beamforming. To address this challenging problem, we first harness a piecewise-far-field channel model to approximate the complicated near-field wideband channel. In this model, the entire large array is partitioned into several small sub-arrays. While the wireless channel's phase discrepancy across the entire array is modeled as near-field spherical, the phase discrepancy within each sub-array is approximated as far-field planar. Built on this approximation, a phase-delay focusing (PDF) method employing delay phase precoding (DPP) architecture is proposed. Our PDF method could compensate for the intra-array far-field phase discrepancy and the inter-array near-field phase discrepancy via the joint control of phase shifters and time delayers, respectively. Theoretical and numerical results are provided to demonstrate the efficiency of the proposed PDF method in mitigating the near-field beam split effect.Finally, we define and derive a novel metric termed the "effective Rayleigh distance" by the evaluation of beamforming gain loss. Compared to classical Rayleigh distance, the effective Rayleigh distance is more accurate in determining the near-field range for practical communications.

研究の動機と目的

• ELAA-THz wideband 系におけるビーム分割のための近場ビームフォーミング課題を動機付ける。
• 大規模アレイをサブアレイに分割してインターアレイ相位効果とインランアレイ相位効果を分離する実現可能なチャネルモデルを提案する。
• 位相シフタと時間遅延を用いたPDF法を開発し、遠方場内のインターアレイ間の不一致と近場のインターアレイ間の不一致を補償する。
• ビームフォーミング利得を bandwidth にわたって最大化するための分析を行い、適用条件の下で実効的な Rayleigh距離を導出する。

提案手法

• ELAA を P 個のアンテナを各サブアレイとして分割することで piecewise-far-field channel model を導入する。
• チャネル位相をインターアレイ近場成分とインラアレイ遠方場成分に分解して、ビーム分割の支配的源を特定する。
• 時間遅延を用いた delay-phase precoding (DPP) アーキテクチャを適用し、インターアレイ位相を補償し、インアレイ位相を揃えるために位相シフタを用いる。
• サブキャリア全体でビームフォーミング利得を最大化する最適化を定式化し解く。特定の条件の下で r_k' = L - r_k の閉形式解を得る。
• Xi_P Dirichlet sinc 関数を用いてビームフォーミング利得の表現を導出し、帯域幅にわたる理論的利得損失境界を示す。

Figure 1: The system layout of extremely large arrays.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極めて大規模なアンテナアレイにおける広帯域で近場ビーム分割はどのように現れるか。
• RQ2 ELAA の近場ワイドバンドチャネルを piecewise-far-field モデルが正確に近似できるか。
• RQ3 PS および TD 成分を含む位相遅延フォーカシングはサブキャリア間の近場ビーム分割をどのように緩和できるか。
• RQ4 提案された PDF 法が帯域幅にわたる平均ビームフォーミング利得に及ぼす影響は。
• RQ5 実用的な ELAA ベースの通信の近場領域を定義する適切な指標は何か。

主な発見

• 近場ビーム分割は、異なる周波数でビームを異なる場所に集束させ、中心周波数からの利得を低下させる。
• piecewise-far-field channel model は、アレイをサブアレイに分割することで近場チャネルを近似し、インター-アレイとインラ-アレイの位相不一致を分離して扱える。
• PS-ベースのサブアレイと TD 要素を備えた PDF 法は、周波数間のインターアレイ位相を補償し、高いビームフォーミング利得を維持できる。
• 適切な条件下で r_k' = L - r_k に設定でき、サブキャリア毎のビームフォーミング利得を最大化。
• 解析結果は、平均ビームフォーミング利得損失係数が、帯域幅、幾何、アレイサイズにリンクする広帯域損失 gamma(B,f_c,P) と幾何損失 xi(r,theta,D) の積で表せることを示す。

Figure 2: This figure illustrates the normalized beamforming gain in the physical space. We consider four scenarios: (a) the far-field narrowband scenario, (b) the near-field narrowband scenario, (c) the far-field wideband scenario, and (d) the near-field wideband scenario. In each sub-figure, the b