[논문 리뷰] Communication and Localization with Extremely Large Lens Antenna Array

Jie Yang, Yong Zeng외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 21.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 38인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 구면파면 모델링을 활용하여 근거리 환경에서 고속 통신, 정밀 로컬라이제이션 및 시스템 복잡도 감소를 가능하게 하는 초거대 렌즈 안테나 어레이인 ExLens을 제안한다. 집중 윈도우 효과를 갖는 폐쇄형 어레이 응답을 유도함으로써 ExLens는 Cramér-Rao 하한에 가까운 로컬라이제이션 성능을 달성하고, 균일한 선형 어레이에 비해 상당한 스펙트럼 효율성 향상을 이룬다.

ABSTRACT

Achieving high-rate communication with accurate localization and wireless environment sensing has emerged as an important trend of beyond-fifth and sixth generation cellular systems. Extension of the antenna array to an extremely large scale is a potential technology for achieving such goals. However, the super massive operating antennas significantly increases the computational complexity of the system. Motivated by the inherent advantages of lens antenna arrays in reducing system complexity, we consider communication and localization problems with an \uline{ex}tremely large \uline{lens} antenna array, which we call "ExLens". Since radiative near-field property emerges in the setting, we derive the closed-form array response of the lens antenna array with spherical wave, which includes the array response obtained on the basis of uniform plane wave as a special case. Our derivation result reveals a window effect for energy focusing property of ExLens, which indicates that ExLens has great potential in position sensing and multi-user communication. We also propose an effective method for location and channel parameters estimation, which is able to achieve the localization performance close to the Cramér-Rao lower bound. Finally, we examine the multi-user communication performance of ExLens that serves coexisting near-field and far-field users. Numerical results demonstrate the effectiveness of the proposed channel estimation method and show that ExLens with a minimum mean square error receiver achieves significant spectral efficiency gains and complexity-and-cost reductions compared with a uniform linear array.

연구 동기 및 목표

• 초거대 어레이의 복사 근거리에 위치한 사용자에서 적용되는 균일 평면파 가정의 한계를 해결하기 위해.
• 구면파면을 이용하는 렌즈 안테나 어레이를 활용해 저복잡도이면서 고성능인 통신 및 로컬라이제이션 프레임워크를 개발하기 위해.
• 고스펙트럼 효율성으로 근거리 시나리오에서 정확한 사용자 단말(UE) 로컬라이제이션 및 채널 추정을 가능하게 하기 위해.
• ExLens가 로컬라이제이션 성능을 Cramér-Rao 하한에 근접하게 달성하면서도 하드웨어 및 처리 복잡도를 감소시킴을 입증하기 위해.

제안 방법

• 균일 평면파 모델을 일반화하기 위해, 초거대 렌즈 안테나 어레이(ExLens)의 폐쇄형 어레이 응답을 구면파면을 기반으로 유도한다.
• 에너지 집중 및 위치 감지 능력 향상을 가능하게 하는 ExLens 내 집중 윈도우 효과를 도입한다.
• 구면파면 모델링에 기반한 위치 및 채널 파rameter 추정 방법을 제안하여 근사 최적의 로컬라이제이션 성능를 달성한다.
• 동시에 근거리 및 원거리 사용자가 존재하는 다중 사용자 통신 성능을 평가하기 위해 최소 평균 제곱 오차(MMSE) 수신기를 사용한다.
• 사용자 방향 및 거리에 대한 어레이 응답의 민감도를 분석하기 위해 사용자 위치 파rameter에 대한 응답의 편미분을 계산한다.
• 고비율 및 대구경 조건 하에서 분석적 근사 방법을 통해 이론적 어레이 응답 및 집중 윈도우 성질을 검증한다.

(a) ExLens

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근거리에서 균일 평면파 대신 구면파면으로 모델링할 경우 초거대 렌즈 안테나 어레이의 어레이 응답은 어떻게 다를까?
• RQ2 렌즈 기하구조가 집중 윈도우의 중심과 너비에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 에너지 집중 및 정밀도에 어떻게 영향을 미칠까?
• RQ3 저복잡도 채널 추정 방법이 근거리 환경에서 Cramér-Rao 하한에 가까운 로컬라이제이션 성능를 달성할 수 있을까?
• RQ4 MMSE 수신기를 사용할 경우, 근거리 및 원거리 사용자가 공존하는 다중 사용자 시나리오에서 ExLens의 스펙트럼 효율성 및 복잡도는 어떻게 될까?
• RQ5 ExLens 기반 시스템에서 어레이 크기, 집중 이득 및 계산 복잡도 간의 주요 트레이드오프는 무엇일까?

주요 결과

• ExLens의 유도된 어레이 응답은 명시적으로 구면파면을 모델링하여 에너지 집중 및 위치 감지 능력 향상을 가능하게 하는 집중 윈도우 효과를 드러낸다.
• 집중 윈도우의 중심은 sinφ에 근사하고, 너비는 약 D_y |1/F₀ - cos²φ/d|로 표현되며, 이는 방향성 민감도 및 조절 가능한 집중 특성을 나타낸다.
• 제안된 채널 추정 방법은 Cramér-Rao 하한에 매우 가까운 로컬라이제이션 성능를 달성하여 그 최적성의 타당성을 입증한다.
• MMSE 수신기를 갖춘 ExLens는 균일 선형 어레이에 비해 근거리 시나리오에서 특히 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 달성한다.
• 렌즈의 자연스러운 빔형성 및 집중 특성 덕분에 기존 균일 선형 어레이 기반의 대규모 MIMO에 비해 시스템 복잡도 및 하드웨어 비용이 상당히 감소한다.
• 수치 결과는 ExLens가 다중 사용자, 근거리 및 원거리 사용자가 공존하는 환경에서 고속 통신과 정밀한 로컬라이제이션을 효과적으로 지원함을 확인한다.

(b) ULA