[논문 리뷰] Beam Focusing for Near-Field Multi-User MIMO Communications

Haiyang Zhang, Nir Shlezinger외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 27.

Antenna Design and Analysis인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 mmWave/THz 주파수에서 대규모 안테나 어레이를 사용한 near-field 다중 사용자 MIMO 시스템에서 빔 포커싱을 제안하며, 단지 방향이 아닌 특정 공간 위치에 에너지를 집중시켜 고속 통신을 가능하게 한다. 완전 디지털, 하이브리드 프래즈시프터 기반, 동적 메타면 안테나 아키텍처에 최적화된 프리코딩 기법을 개발하여 유사한 각도에 위치한 사용자 간에도 신뢰할 수 있는 다중 사용자 전송을 구현한다. 이는 기존의 far-field 빔 포밍이 실패하는 상황에서도 가능하다.

ABSTRACT

Large antenna arrays and high-frequency bands are two key features of future wireless communication systems. The combination of large-scale antennas with high transmission frequencies often results in the communicating devices operating in the near-field (Fresnel) region. In this paper, we study the potential of beam focusing, feasible in near-field operation, in facilitating high-rate multi-user downlink multiple-input multiple-output (MIMO) systems. As the ability to achieve beam focusing is dictated by the transmit antenna, we study near-field signaling considering different antenna structures, including fully-digital architectures, hybrid phase shifter-based precoders, and the emerging dynamic metasurface antenna (DMA) architecture for massive MIMO arrays. We first provide a mathematical model to characterize near-field wireless channels as well as the transmission pattern for the considered antenna architectures. Then, we formulate the beam focusing problem for the goal of maximizing the achievable sum-rate in multi-user networks. We propose efficient solutions based on the sum-rate maximization task for fully-digital, (phase shifters based-) hybrid and DMA architectures. Simulation results show the feasibility of the proposed beam focusing scheme for both single- and multi-user scenarios. In particular, the designed focused beams are such that users residing at the same angular direction can communicate reliably without interfering with each other, which is not achievable using conventional far-field beam steering.

연구 동기 및 목표

• 기존의 far-field 빔 포밍이 구면파면으로 인해 실패하는 near-field(Fresnel) 영역에서 고속 다중 사용자 MIMO 통신을 지원하는 문제를 해결하기 위해.
• 유사한 각도에 위치한 사용자 간에도 간섭 없이 통신 링크를 구현하기 위해, 방향이 아닌 특정 공간 위치에 에너지를 집중시키는 빔 포커싱을 활용하기 위해.
• 완전 디지털, 하이브리드 프래즈시프터 기반, 동적 메타면 안테나(DMAs)와 같은 실용적인 안테나 아키텍처에 맞춰 효율적인 프리코딩 전략을 설계하기 위해.
• 다양한 안테나 아키텍처의 하드웨어 제약 조건 하에서 다중 사용자 다운링크 MIMO 시스템의 합성 비트레이트를 최대화하기 위해.
• 실제 채널 모델과 하드웨어 제약 조건을 사용하여 단일 및 다중 사용자 시나리오에서 빔 포커싱의 실현 가능성과 성능 향상을 입증하기 위해.

제안 방법

• 구면파면과 사용자별 경로 손실을 고려한 near-field MIMO 채널의 수학적 모델을 개발하며, 어레이 기하학적 구조와 전파 거리를 포함한다.
• 에너지 집중을 위한 합성 비트레이트 최대화 프레임워크를 제안하며, 전력 제약과 하드웨어 제약 조건 하에서 프리코딩 설계를 최적화 문제로 수식화한다.
• 완전 디지털 아키텍처의 경우, 고정된 아날로그 빔 포밍 행렬을 가정할 때 최적의 디지털 프리코더에 대한 폐쇄형 해를 유도하며, 전력 정규화를 통한 최대 비율 전송을 사용한다.
• 하이브리드 및 DMA 아키텍처의 경우, 위상 이동과 진폭 가중치에 대한 비볼록 최적화 문제로 공식화하며, 부분 최적화이지만 효율적인 반복 알고리즘을 적용한다.
• 벡터화 및 크로네커 곱을 사용하여 합성 비트레이트 최대화 문제를 재구성함으로써, 특히 하이브리드 및 DMA 시스템에서의 효율적 계산을 가능하게 한다.
• 삼각 부등식을 적용하여 빔 포커싱을 위한 최적의 위상 이동을 유도하며, 최적의 위상이 목적지 초점의 경로 지연과 위상 이동과 일치함을 보여주어 최대 이득을 얻는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유사한 각도 방향에 위치한 사용자 간에도 near-field 영역에서의 빔 포커싱이 신뢰할 수 있는 다중 사용자 MIMO 통신을 가능하게 하는가?
• RQ2 대규모 어레이를 갖춘 massive MIMO 시스템에서, near-field 빔 포커싱은 기존의 far-field 빔 포밍 대비 합성 비트레이트 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 near-field 다중 사용자 MIMO에서 실용적인 안테나 아키텍처(완전 디지털, 하이브리드, DMA)에 최적화된 최적의 프리코딩 전략은 무엇인가?
• RQ4 하드웨어 제약(예: 위상 이동기, 진폭 제어)은 near-field MIMO에서 빔 포커싱 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 빔 포커싱은 동일한 각도에 위치한 사용자 간에 간섭 제한이 있는 far-field 시스템을 극복하고, 정규화된 통신 링크를 얼마나 잘 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 빔 포커싱은 동일한 각도 방향에 위치한 사용자 간에도 에너지를 서로 다른 공간 위치에 집중시켜 상호 간섭을 제거함으로써 안정적인 통신을 가능하게 한다.
• 제안된 빔 포커싱 기법은 기존의 far-field 빔 포밍 대비 뚜렷한 합성 비트레이트 향상을 보이며, 특히 다중 사용자 밀도가 높은 환경에서 유의미한 성능 향상을 보인다.
• 완전 디지털 아키텍처의 경우, 최적의 디지털 프리코더는 전력 정규화를 통한 최대 비율 전송 방식으로 폐쇄형 해로 유도되며, 신호 대 간섭 및 노이즈 비율을 최대화한다.
• 빔 포커싱을 위한 최적의 위상 이동은 $ \psi_{i,l}^{*} = k|\mathbf{p}_{m}-\mathbf{p}_{i,l}| + \beta_{i}\rho_{i,l} $ 로 유도되며, 이는 최대 이득을 얻기 위해 경로 지연과 위상 이동과 일치함을 보여준다.
• 시뮬레이션 결과는 빔 포커싱 기법이 단일 및 다중 사용자 시나리오 모두에서 효과적이며, 다양한 사용자 분포와 어레이 구성에서 안정적인 성능을 유지함을 확인한다.
• 하이브리드 및 DMA 아키텍처는 감소된 하드웨어 복잡도로 최적에 가까운 성능을 달성하여, 실세계 시스템에서 빔 포커싱의 실현 가능성을 입증한다.