[논문 리뷰] Multiuser Communications with Movable-Antenna Base Station: Joint Antenna Positioning, Receive Combining, and Power Control

Zhenyu Xiao, Xiangyu Pi외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 18.

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다수의 이동 가능한 안테나(MA)를 장착한 기지국을 사용하여 다중 사용자 업링크 통신을 위한 공동 최적화 프레임워크를 제안한다. 이는 안테나 위치, 수신 복합 벡터, 사용자 전송 전력을 동시에 최적화하여 최소 사용자 신속도를 극대화한다. 이중 루프 입자군집최적화(PSO) 알고리즘을 활용함으로써, 채널 상태 정보의 추정 오차로 인한 불완전함에도 불구하고 고정 안테나 기준 대비 뚜렷한 신속도 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Movable antenna (MA) is an emerging technology which enables a local movement of the antenna in the transmitter/receiver region for improving the channel condition and communication performance. In this paper, we study the deployment of multiple MAs at the base station (BS) for enhancing the multiuser communication performance. First, we model the multiuser channel in the uplink to characterize the wireless channel variation due to MAs' movements at the BS. Then, an optimization problem is formulated to maximize the minimum achievable rate among multiple users for MA-aided uplink multiuser communications by jointly optimizing the MAs' positions, their receive combining at the BS, and the transmit power of users, under the constraints of finite moving region for MAs, minimum inter-MA distance, and maximum transmit power of each user. To solve this challenging non-convex optimization problem, a two-loop iterative algorithm is proposed by leveraging the particle swarm optimization (PSO) method. Specifically, the outer-loop updates the positions of a set of particles, where each particle's position represents one realization of the antenna position vector (APV) of all MAs. The inner-loop implements the fitness evaluation for each particle in terms of the max-min achievable rate of multiple users with its corresponding APV, where the receive combining matrix of the BS and the transmit power of each user are optimized by applying the block coordinate descent (BCD) technique. Simulation results show that the antenna position optimization for MAs-aided BSs can significantly improve the rate performance as compared to conventional BSs with fixed-position antennas (FPAs).

연구 동기 및 목표

• 기존 고정 안테나 기지국(FPA)의 제한된 공간 자유도 문제를 해결하기 위해, 이동 가능한 안테나(MA)를 도입하여 채널 품질 향상을 위한 동적 위치 조정을 가능하게 한다.
• 실제 제약 조건(유한 이동 영역, MA 간 최소 거리, 최대 전송 전력) 하에서 MA 위치, 수신 복합, 사용자 전력 제어를 공동으로 최적화하는 비볼록 최적화 문제를 수립하고 해결한다.
• 채널의 유한 비트 정보(FRI)에 대한 불완전한 지식, 특히 도착각(AoA)과 경로 응답 계수(PRV) 추정 오차를 고려하여 제안된 방법의 강건성을 평가한다.
• MA 기반 시스템이 채널 추정 오차가 존재하더라도 기존의 최대 비율 복합(MRC) 및 제로 포싱(ZF) 기반 기준보다 우수한 성능을 보임을 입증한다.

제안 방법

• 이동 가능한 안테나의 위치 벡터(APV)에 따라 다중 사용자 업링크 채널을 모델링하여, MA 이동에 의한 경로별 지연과 위상 이동을 수반한다.
• 사용자 간 공정성을 향상시키기 위해 최소 신속도를 극대화하는 최적화 문제를 수립하며, MA 이동 영역 제약, MA 간 최소 거리 제약, 개별 사용자 전력 제약을 포함한다.
• 외부 루프는 입자군집최적화(PSO)를 통해 APV를 최적화하고, 내부 루프는 블록 좌표 강하(BCD)를 사용하여 각 APV 후보에 대해 수신 복합과 사용자 전력 제어를 공동으로 최적화하는 이중 루프 반복적 PSO 기반 알고리즘을 개발한다.
• 내부 루프에서 적합도 평가를 실제 채널 상태(AoA 및 PRV 포함)를 사용하여 수행하여 최소 가용 신속도를 계산함으로써 현실적인 성능 평가를 보장한다.
• AoA 오차를 i.i.d. 균일 분포 변수로, PRV 오차를 i.i.d. 복소수 가우시안 분포 변수로 모델링하여 채널 추정 불완전성에 기반한 강건성 분석을 통합한다.
• 완전한 FRI 조건과 불완전한 FRI 조건 하에서 시뮬레이션을 통해 알고리즘의 유효성을 검증하며, FPA, MRC, ZF 기준과의 성능 비교를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정 안테나 기준 대비 이동 가능한 안테나의 위치, 수신 복합, 사용자 전력 제어를 공동 최적화함으로써 업링크 다중 사용자 MIMO 시스템에서 최소 가용 신속도가 뚜렷이 향상되는가?
• RQ2 특히 도착각(AoA)과 경로 응답 계수(PRV) 추정 오차로 인한 채널 상태 정보 불완전성 하에서 제안된 MA 기반 시스템의 성능은 어떻게 저하되는가?
• RQ3 제안된 이중 루프 PSO 기반 알고리즘이 연속적인 안테나 위치와 이산적인 전력 제어를 포함하는 비볼록 공동 최적화 문제에 대해 고품질의 해에 효과적으로 수렴하는가?
• RQ4 최대 비율 복합(MRC) 및 제로 포싱(ZF)과 같은 기존 기법과 비교할 때, 제안된 방법의 공정성 및 채널 추정 오차에 대한 강건성은 어떠한가?
• RQ5 AoA 및 PRV 추정 오차가 증가할수록 최적의 안테나 위치 벡터(APV)와 시스템의 최종 신속도 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 MA 기반 시스템은 기존의 고정 안테나 기지국(FPA)보다 훨씬 높은 최소 사용자 신속도를 달성하여, 안테나 이동성에 의한 공간 자유도 활용의 이점을 입증한다.
• 큰 AoA 추정 오차(예: μ = 0.2)가 존재하더라도 MA 시스템은 최소 가용 신속도 측면에서 FPA 시스템을 능가함으로써 채널 추정 부정확성에 대한 강력한 강건성을 보여준다.
• AoA 오차가 클수록 ZF 기반 기준과의 성능 격차가 커지며, 이는 ZF가 잘못된 AoA 추정으로 인한 비정렬 빔포밍에 더 민감하기 때문이다.
• PRV 추정 오차는 MA 시스템의 성능을 저하시키지만, 제안된 알고리즘은 PRV 오차의 정규화 분산 δ = 0.5 수준에서도 FPA 및 ZF 기준 대비 성능 우위를 유지한다.
• 이중 루프 PSO 알고리즘은 최소 신속도를 극대화하는 부분 최적 해로 효과적으로 수렴하며, 시뮬레이션 결과는 복잡한 비볼록 최적화 문제 해결에 있어 그 효과성을 확인한다.
• 강건성 분석 결과, 제안된 방법은 특히 추정된 채널 파rameter를 기반으로 APV를 최적화할 경우, 불완전한 FRI 조건 하에서도 높은 성능을 유지함을 보여주며 실용적 타당성을 입증한다.