[논문 리뷰] Near-Field Wideband Beamforming for Extremely Large Antenna Array.

Mingyao Cui, Linglong Dai외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 21.

Microwave Engineering and Waveguides참고 문헌 33인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 테라헤르츠 대역폭 통신을 위한 타이어비트/초(Tbps) 대역폭 통신을 위한 초거대 안테나 어레이에서 근거리 빔 분열 효과를 완화하기 위해 조각별 원거리 영역 모델과 조각별 선형 위상 특성을 갖는 단계 지연 집중 방법을 제안한다. 이는 높은 스펙트럼 효율성을 가능하게 한다. 또한 근거리/원거리 영역의 구분에 더 정확한 척도로 효과적 레일리 거리를 도입한다.

ABSTRACT

Extremely large antenna array for wideband communications is a promising technology to achieve a Tbps data rate for next-generation communications. However, due to the extremely large bandwidth and antenna array aperture, the near-field beam split effect will severely decrease the actual transmission rates, which has not been investigated in existing works. To solve this challenging problem, we first reveal the near-field beam split effect and analyze the corresponding array gain loss. Then, a piecewise-far-field model with piecewise-linear phase property is proposed to approximate the near-field channel, based on which we propose a phase-delay focusing method to effectively mitigate the near-field beam split effect. Moreover, a new metric called effective Rayleigh distance is defined, which is more accurate than the classical Rayleigh distance to distinguish the far-field and near-field regions for practical communications. Finally, theoretical and numerical results are provided to demonstrate the effectiveness of our methods.

연구 동기 및 목표

• 테라비트/초(Tbps) 대역폭 통신을 위한 초거대 안테나 어레이에서 아직 탐색되지 않은 근거리 빔 분열 효과에 대응한다.
• 큰 개구구역과 넓은 대역폭을 갖는 대역폭 시스템에서 근거리 빔 분열 효과로 인한 어레이 이득 손실을 분석한다.
• 복잡한 근거리 채널을 근사하기 위한 실용적인 모델—조각별 원거리 영역 모델(조각별 선형 위상 특성 포함)—을 개발한다.
• 빔 분열을 효과적으로 억제하고 어레이 이득을 복원하기 위한 단계 지연 집중 방법을 제안한다.
• 실제 대역폭 시스템에서 근거리 및 원거리 영역을 더 잘 구분하기 위해 개선된 척도로 효과적 레일리 거리를 도입한다.

제안 방법

• 어레이를 부분 개구역으로 나누어 각 부분을 선형 위상 변화를 갖는 원거리 영역로 간주함으로써 근거리 채널을 근사하는 조각별 원거리 영역 모델을 수립한다.
• 조각별 선형 위상 특성을 활용하여 대역폭 신호에 대해 근거리의 구면 파면을 높은 정확도로 모델링한다.
• 근거리 기하학으로 인해 발생하는 위상 오차를 보상하기 위해 단계 지연 집중 방법을 설계하여 빔 분열을 최소화한다.
• 대역폭과 어레이 크기의 함수로 효과적 레일리 거리를 유도하여 대역폭 시스템에 적합한 고전적 레일리 거리보다 개선된 성능을 확보한다.
• 이론적 분석과 수치 시뮬레이션을 통해 제안된 모델 및 beamforming 방법의 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜곡된 파면의 공간적 변동으로 인해 근거리 빔 분열 효과가 초거대 안테나 어레이의 대역폭 신호에서 어레이 이득과 스펙트럼 효율을 어떻게 저하시키는가?
• RQ2 조각별 선형 위상 특성을 갖는 조각별 원거리 영역 모델이 대역폭 시스템에서 근거리 채널을 얼마나 정확하게 표현할 수 있는가?
• RQ3 단계 지연 집중 방법이 근거리 영역에서 빔 분열을 효과적으로 억제하고 어레이 이득을 복원할 수 있는가?
• RQ4 실제 대역폭 통신에서 고전적 레일리 거리에 비해 제안된 효과적 레일리 거리는 근거리 및 원거리 영역를 더 잘 구분할 수 있는가?
• RQ5 실제 대역폭 매크로 MIMO 시나리오에서 제안된 방법을 통해 달성 가능한 스펙트럼 효율과 어레이 이득 향상 수준은 어떠한가?

주요 결과

• 근거리 빔 분열 효과는 파면의 공간적 변동으로 인해 대역폭이 넓고 초거대한 안테나 어레이에서 심각한 어레이 이득 손실을 초래한다.
• 제안된 조각별 원거리 영역 모델은 조각별 선형 위상 근사를 통해 근거리 채널 응답을 정확히 캡처하여 효과적인 빔포밍 설계를 가능하게 한다.
• 단계 지연 집중 방법은 빔 분열을 성공적으로 억제하고 근거리 영역에서 어레이 이득을 복원하며 스펙트럼 효율을 향상시킨다.
• 효과적 레일리 거리는 고전적 레일리 거리보다 대역폭 시스템에서 근거리 및 원거리 영역를 더 정확히 구분하는 데에 유리한 기준을 제공한다.
• 수치 결과는 제안된 방법이 심한 근거리 영역에서도 거의 최적의 어레이 이득과 스펙트럼 효율을 달성함을 확인한다.