[논문 리뷰] Near-Field Wideband Extremely Large-scale MIMO Transmission with Holographic Metasurface Antennas

Jie Xu, You Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 05.

Antenna Design and Analysis인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 근거리 광대역 초대규모 MIMO(XL-MIMO) 업링크 전송을 위한 허모닉 메타표면 안테나(HMA) 기반 빔 병합 프레임워크를 제안한다. 구면파 기반 채널 모델을 도입하여 근거리 효과(거리에 따라 변하는 위상 이득)와 双광대역 효과(주파수에 따라 변하는 응답)를 동시에 고려함으로써, 저자들은 HMA 가중치와 베이스밴드 병합기를 동시에 최적화하기 위한 합평균제곱오차(SMSE) 최소화 알고리즘을 개발하였으며, 동일한 아파쳐를 가진 기존의 하이브리드 아날로그/디지털 빔포밍보다 높은 합산 속도를 달성하고, 완전 디지털 성능에 가까워진다.

ABSTRACT

Extremely large-scale multiple-input multiple-output (XL-MIMO) is the development trend of future wireless communications. However, the extremely large-scale antenna array could bring inevitable nearfield and dual-wideband effects that seriously reduce the transmission performance. This paper proposes an algorithmic framework to design the beam combining for the near-field wideband XL-MIMO uplink transmissions assisted by holographic metasurface antennas (HMAs). Firstly, we introduce a spherical-wave-based channel model that simultaneously takes into account both the near-field and dual-wideband effects. Based on such a model, we then formulate the HMA-based beam combining problem for the proposed XL-MIMO communications, which is challenging due to the nonlinear coupling of high dimensional HMA weights and baseband combiners. We further present a sum-mean-square-error-minimization-based algorithmic framework. Numerical results showcase that the proposed scheme can effectively alleviate the sum-rate loss caused by the near-field and dual-wideband effects in HMA-assisted XL-MIMO systems. Meanwhile, the proposed HMA-based scheme can achieve a higher sum rate than the conventional phase-shifter-based hybrid analog/digital one with the same array aperture.

연구 동기 및 목표

• 근거리 및 이중광대역 효과로 인한 XL-MIMO 시스템의 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 근거리 광대역 환경에서 허모닉 메타표면 안테나(HMA)를 위한 효율적인 빔 병합 프레임워크를 설계하기 위해.
• 기존의 완전 디지털 또는 하이브리드 빔포밍 대비 하드웨어 복잡도와 전력 소비를 감소시키면서도 높은 스펙트럼 효율을 달성하기 위해.
• HMA 기반 시스템이 하위파장 요소 간격 조건에서도 높은 합산 속도를 유지할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 근거리 효과(거리에 따라 변하는 위상 이득)와 이중광대역 효과(주파수에 따라 변하는 응답)를 동시에 반영하는 구면파 기반 채널 모델을 개발한다.
• 고차원 HMA 가중치와 베이스밴드 병합기 간 비선형 결합을 고려한 합평균제곱오차(SMSE) 최소화 문제로 빔 병합 문제를 수식화한다.
• 비볼록성과 계산 복잡도를 다루기 위해 행렬 벡터화와 주요화-최소화(MM) 방법을 조합한 교차 최적화(AO) 프레임워크를 활용한다.
• MM 방법을 사용하여 비볼록 목적함수를 볼록 대체함수로 반복적으로 근사함으로써 국소 최적해에 수렴 가능하게 한다.
• 결합된 최적화 문제를 반복적 개선에 적합한 구조적 형태로 변환하기 위해 행렬 벡터화 규칙을 적용한다.
• 수신기에서 신호 재구성 오차를 최소화하기 위해 빔 병합 설계에 MMSE 기준을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허모닉 메타표면 안테나(HMA) 기반 빔 병합 프레임워크는 XL-MIMO 시스템에서 근거리 및 이중광대역 효과로 인한 합산 속도 저하를 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 동일한 어레이 아파쳐 조건에서 근거리 광대역 환경에서 HMA 기반 빔포밍의 성능은 기존의 하이브리드 아날로그/디지털 빔포밍보다 어떻게 비교되는가?
• RQ3 요소 간격이 하위파장 수준일 경우 상호유도가 HMA 기반 시스템에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ4 제안된 알고리즘 프레임워크는 상당히 감소된 하드웨어 복잡도로 완전 디지털 수준의 합산 속도 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 HMA 기반 빔 병합 기법은 XL-MIMO 시스템에서 근거리 및 이중광대역 효과로 인한 합산 속도 손실을 효과적으로 줄였다.
• 동일한 어레이 아파쳐 조건에서 HMA 기반 시스템은 기존의 하이브리드 아날로그/디지털 빔포밍 아키텍처보다 높은 합산 속도를 달성하였다.
• HMA 기반 시스템은 더 적은 RF 체인을 사용함에도 불구하고 완전 디지털 빔포밍 방식과 비교해 유사한 합산 속도를 달성하였다.
• 요소 간격이 하위파장 수준이어도 HMA 시스템의 합산 속도 성능은 뛰어난 안정성을 유지하였으며, 상호유도 영향이 미미함을 시사하였다.
• 제안된 알고리즘 프레임워크는 HMA 가중치와 베이스밴드 병합기 간의 비선형 결합을 반복 최적화를 통해 성공적으로 다루었다.