[논문 리뷰] Capacity Maximization for FAS-assisted Multiple Access Channels

Hao Xu, Kai‐Kit Wong외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 18.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 미리터 웨이브 밀리미터웨이브 업링크 다중접속 채널에서 합성 용량을 최대화하기 위해 송신 코 variance 행렬과 유체 안테나 시스템(FAS) 사용자 장비(UE) 안테나 위치를 공동으로 최적화하는 공동 최적화 프레임워크를 제안한다. 단일 사용자 케이스에 대해 닫힌 형태의 해와 일차원 검색 해법을 유도하고, 다중 사용자 시나리오에 대해 교대 최적화 알고리즘을 개발하여 기준 대비 뚜렷한 용량 향상을 보여준다.

ABSTRACT

This paper investigates a multiuser millimeter-wave (mmWave) uplink system in which each user is equipped with a multi-antenna fluid antenna system (FAS) while the base station (BS) has multiple fixed-position antennas. Our primary objective is to maximize the system capacity by optimizing the transmit covariance matrices and the antenna position vectors of the users jointly. To gain insights, we start by deriving upper bounds and approximations for the capacity. Then we delve into the capacity maximization problem. Beginning with the simple scenario of a single user equipped with a single-antenna FAS, we demonstrate that a closed-form optimal solution exists when there are only two propagation paths between the user and the BS. In the case where multiple propagation paths are present, a near-optimal solution can also be obtained through a one-dimensional search method. Expanding our focus to multiuser cases, in which users are equipped with either single- or multi-antenna FAS, we show that the original capacity maximization problems can be reformulated into distinct rank-one programmings. Then, we propose alternating optimization algorithms to deal with the transformed problems. Simulation results indicate that FAS can improve the capacity of the multiple access channel (MAC) greatly, and the proposed algorithms outperform all the benchmarks.

연구 동기 및 목표

• FAS를 활용한 다중 사용자 다중접속 채널(MAC)에 대한 이론적 용량 분석 및 최적화의 부족을 보완한다.
• 사용자 송신 코 variance 행렬과 FAS 안테나 위치 벡터를 공동으로 최적화하여 다중 사용자 mmWave 업링크에서 시스템 합성 용량을 최대화한다.
• FAS 지원 시스템에 대한 상한과 근사치를 통해 용량 한계에 대한 분석적 통찰을 제공한다.
• 사용자에게 단일 및 다중 안테나 FAS를 적용한 다중 사용자 시나리오에 대한 실용적인 알고리즘을 개발한다.
• 시뮬레이션을 통해 제안된 방법이 기존의 기준 대비 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.

제안 방법

• FAS 지원 시스템에서 최대로 달성 가능한 용량에 대한 상한과 근사치를 유도한다.
• 두 개의 전파 경로가 존재하는 단일 사용자 FAS의 경우, 안테나 위치와 비임계 최적화를 위한 닫힌 형태의 최적 해를 유도한다.
• 다수의 전파 경로가 존재하는 단일 사용자 FAS의 경우, 근사 최적 해를 찾기 위한 일차원 검색 방법을 제안한다.
• 다중 사용자 용량 최적화 문제를 단일 및 다중 안테나 FAS 케이스에 대해 질서 1의 정수형 프로그래밍(SDP)으로 재구성한다.
• 비임계와 FAS 안테나 위치를 번갈아 가며 최적화하는 교대 최적화 알고리즘을 제안하여 고용량 해에 수렴하도록 한다.
• 유저 장비의 FAS 포트 간 공간 상관관계를 정확히 모델링하기 위해 [22]의 채널 모델을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FAS 지원 다중 사용자 mmWave 업링크 시스템의 이론적 용량 한계는 무엇인가?
• RQ2 두 개의 전파 경로만 존재할 경우, FAS 비임계 최적화 및 안테나 위치 조정에 대해 닫힌 형태의 해를 도출할 수 있는가?
• RQ3 다수의 전파 경로가 존재할 경우 용량 최적화 문제는 어떻게 효율적으로 해결할 수 있는가?
• RQ4 다중 사용자 시나리오에서 송신 비임계 최적화와 FAS 안테나 위치의 최적 공동 설계는 무엇인가?
• RQ5 제안된 알고리즘이 합성 용량 측면에서 기존의 기준 대비 성능적으로 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 두 개의 전파 경로가 존재하는 단일 사용자 FAS의 경우 닫힌 형태의 최적 해가 존재하여 최적의 비임계와 안테나 위치를 직접 계산할 수 있다.
• 다수의 전파 경로가 존재할 경우, 일차원 검색 방법을 통해 낮은 복잡도로 근사 최적 용량 성능을 달성할 수 있다.
• 다중 사용자 용량 최적화 문제는 질서 1의 정수형 프로그래밍으로 재구성될 수 있어 효율적인 알고리즘적 해법이 가능하다.
• 제안된 교대 최적화 알고리즘은 고용량 해에 수렴하며, 시뮬레이션 결과 모든 기준 대비 성능이 뛰어나다.
• 특히 공간 다이나믹이 높은 산란 환경에서 FAS는 mmWave MAC 시스템의 용량을 크게 향상시킨다.
• 유도된 이론적 상한은 FAS 도입으로 달성 가능한 최대 용량 향상에 대한 귀중한 통찰을 제공한다.