[論文レビュー] Tri-Polarized Holographic MIMO Surface in Near-Field: Channel Modeling and Precoding Design

Li Wei, Chongwen Huang+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2022

Antenna Design and Analysis被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、双子グリーン関数に基づくチャネルモデリングと2つの先行符号化方式（ユーザクラスターベース型および二層型先行符号化）を活用し、クロスポーラリゼーションおよびユーザ間干渉を低減する近接領域マルチユーザ無線通信向けの三極化型ホログラフィックMIMO表面（TP-HMIMOS）を提案する。主な結果として、TP-HMIMOSは従来のHMIMOSに比べ最大3倍のスペクトル効率を達成し、二極化HMIMOSに比べ1.25倍の利得を示す。

ABSTRACT

This paper investigates the utilization of triple polarization (TP) for multi-user (MU) holographic multiple-input multi-output surface (HMIMOS) wireless communication systems, targeting capacity boosting and diversity exploitation without enlarging the antenna array sizes. We specifically consider that both the transmitter and receiver are both equipped with an HMIMOS consisting of compact sub-wavelength TP patch antennas within the near-field (NF) regime. To characterize TP MU-HMIMOS systems, a TP NF channel model is constructed using the dyadic Green's function, whose characteristics are leveraged to design two precoding schemes for mitigating the cross-polarization and inter-user interference contributions. Specifically, a user-cluster-based precoding scheme assigns different users to one of three polarizations at the expense of the system's diversity, and a two-layer precoding scheme removes interference using the Gaussian elimination method at a high computational cost. The theoretical correlation analysis for HMIMOS in the NF region is also investigated, revealing that both the spacing of transmit patch antennas and user distance impact transmit correlation factors. Our numerical results show that the users far from transmitting HMIMOS experience higher correlation than those closer within the NF regime, resulting in a lower channel capacity. Meanwhile, in terms of channel capacity, TP HMIMOS can almost achieve 1.25 times gain compared with dual-polarized HMIMOS, and 3 times compared with conventional HMIMOS. In addition, the proposed two-layer precoding scheme combined with two-layer power allocation realizes a higher spectral efficiency than other schemes without sacrificing diversity.

研究の動機と目的

• コンactなアレイにおける高い空間相関性が原因で生じるホログラフィックMIMO表面（HMIMOS）の性能飽和を解消すること。
• アレイサイズを増大せずに三極化（TP）パッチ素子を用いたポーラリゼーションダイバーシティを活用し、スペクトル効率を向上させること。
• TP-HMIMOSシステムに適した、完全なポーラリゼーションおよび空間相関性を組み込んだ近接領域チャネルモデリングの構築。
• マルチユーザ環境下におけるクロスポーラリゼーションおよびユーザ間干渉を低減する干渉に配慮した先行符号化方式の開発。
• アレイ形状およびユーザ距離が近接領域HMIMOSにおける空間相関性および自由度（DoF）に与える影響の分析。

提案手法

• 双子グリーン関数を用いた近接領域チャネルモデリングにより、共ポーラリゼーションおよびクロスポーラリゼーションのチャネル応答を特徴付ける。
• ユーザを3つのポーラリゼーションのうちの1つに割り当てるユーザクラスターベース型先行符号化方式を提案。これにより、複雑さを低減するが、ダイバーシティ性能に譲る。
• ガウスの消去法を用いた二層型先行符号化方式を導入。高コストの計算を要するが、ユーザ間干渉およびクロスポーラリゼーション干渉の両方を抑制可能。
• 近接領域における送信パッチ間隔およびユーザ距離に依存する空間相関係数の理論的表現を導出。
• 2つの電力割り当て（PA）戦略を導入：ポーラリゼーション選択ベースのPAおよび二層型PA。これらは先行符号化と統合され、スペクトル効率の最適化を図る。
• 有効チャネル行列の特異値分解（SVD）を用いて、各ポーラリゼーションモードごとのスペクトル効率を計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三極化がアレイサイズを増大させずに近接領域ホログラフィックMIMO表面のスペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ2 送信パッチ間隔およびユーザ距離が近接領域TP-HMIMOSにおける空間相関性および自由度（DoF）に与える影響は何か？
• RQ3 ユーザクラスターベース型と二層型の先行符号化方式は、クロスポーラリゼーションおよびユーザ間干渉をどのように抑制するか？
• RQ4 近接領域において、TP-HMIMOSは二極化HMIMOSおよび従来のHMIMOSに比べてどの程度のスペクトル効率の向上を達成するか？
• RQ5 ユーザ数の増加に伴い、二層型先行符号化方式における2つの電力割り当て戦略の性能差はどのように変化するか？

主な発見

• TP-HMIMOSは、従来のHMIMOSに比べ最大3倍のスペクトル効率を達成し、二極化HMIMOSに比べ1.25倍の利得を示す。
• HMIMOSから離れたユーザ（例：5λ）は、近いユーザ（例：λ）よりも高い空間相関性を示し、チャネル容量が低下する。
• 二層型先行符号化方式と二層型電力割り当てを組み合わせることで、3つのポーラリゼーションを完全に活用し、最高のスペクトル効率が達成される。
• ユーザ数が増加するにつれて、二層型PAとポーラリゼーション選択PAの性能差が縮小する。これは、チャネルの特異性が低下するためである。
• HMIMOSの形状は自由度（DoF）に影響を与える。固定された表面積において、16λ×4λの長方形は32λ×2λの長方形よりも高いDoFを達成する。これは空間相関性が低いためである。
• HMIMOSの自由度（DoF）はアレイサイズおよび形状に制限され、送信アンテナ数の増加に伴い飽和する。