[논문 리뷰] Sparse Array Design for Near-Field MU-MIMO: Reconfigurable Array Thinning Approach

Ahmed Hussain, Asmaa Abdallah외 3명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 25.

Antenna Design and Optimization인용 수 0

한 줄 요약

본 논문은 고정된 조밀 배열의 일부 요소를 활성화하여 동적 희소 NF-MU-MIMO 배열을 구성하는 재구성 가능한 배열 얇아지기 프레임워크를 제안하고, 각도/거리 도메인의 그레이팅 로브를 분석하며 그레이팅 로브 억제(GTA) 및 합계-속도 최대화(STA)를 위한 PSO로 최적화한다.

ABSTRACT

Future wireless networks, deploying thousands of antenna elements, may operate in the radiative near-field (NF), enabling spatial multiplexing across both angle and range domains. Sparse arrays have the potential to achieve comparable performance with fewer antenna elements. However, fixed sparse array designs are generally suboptimal under dynamic user distributions, while movable antenna architectures rely on mechanically reconfigurable elements, introducing latency and increased hardware complexity. To address these limitations, we propose a reconfigurable array thinning approach that selectively activates a subset of antennas to form a flexible sparse array design without physical repositioning. We first analyze grating lobes for uniform sparse arrays in the angle and range domains, showing their absence along the range dimension. Based on the analysis, we develop two particle swarm optimization-based strategies: a grating-lobe-based thinned array (GTA) for grating- lobe suppression and a sum-rate-based thinned array (STA) for multiuser sum-rate maximization. Simulation results demonstrate that GTA outperforms conventional uniform sparse arrays, while STA achieves performance comparable to movable antennas, thereby offering a practical and efficient array deployment strategy without the associated mechanical complexity.

연구 동기 및 목표

• 대형 안테나 배열에서의 근거리 MU-MIMO의 필요성 및 효율적인 희소 배치의 필요성에 대한 동기 부여.
• 풀 어퍼처를 고정한 채 일부 안테나를 활성화하는 재구성 가능한 배열 얇아지기 프레임워크 도입.
• 억양 공간과 거리 도메인에서의 그레이팅 로브를 분석하여 얇아지기 설계를 안내.
• PSO 기반의 두 가지 얇아지기 전략: GTA는 그레이팅 로브 억제를, STA는 합계-속도 최대화를 목표로 함.
• 시뮬레이션을 통해 STA가 활성 소자 10%만으로도 이동 가능 안테나의 성능에 근사함을 보여줌.

제안 방법

• 길이 d = λ/2의 간격을 갖는 전체 조밀 ULA N 안테나를 모델링하고 얇아지기를 통해 N_T 활성 요소( TR = N_T/N = 1/10)로 축소한다.
• 얇아지기에 따른 합계-속도를 계산하기 위해 규제화된 제로포스팅 프리코더(reg.)를 사용한다.
• NF의 각도 도메인에서의 그레이팅 로브를 분석하고 NF에서의 거리 도메인 그레이팅 로브 부재를 보정하며 GTA를 위한 PSLL 기반 목적함수를 도출한다.
• 두 가지 PSO 기반 얇아지기 문제를 구성한다: Θ_cov에서 최대 PSLL을 고정 N_T 및 의무 집합 F를 고려해 최소화하는 GTA; 같은 제약 하에서 합계-속도를 극대화하는 STA.
• 우선순위 벡터를 이진 얇아지 패턴으로 매핑하기 위해 연속 이완을 이용한 PSO를 구현한다; top-N_T-|F| 선택과 F를 강제한다.
• 30 GHz에서 N=320, N_T=32, SNR=20 dB로 시뮬레이션할 때 GTA와 STA를 FULA, MULA, PTA, SULA, HULA와 비교한다.

Figure 1 : Beam pattern in angle and range domain: grating lobes appear only in the angular domain. Here we set $f_{c}=15\,\mathrm{GHz}$ , $N=256$ , $d=2\lambda$ , $r_{\mathrm{\scalebox{0.5}{0}}}=346\,\mathrm{m}$ and $r_{\mathrm{\scalebox{0.5}{RD}}}=10.3\,\mathrm{km}$ .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NF 거리 도메인에서도 각도 도메인과 유사하게 그레이팅 로브가 발생하는가?
• RQ2 고정된 조밀 배열의 얇아짐으로도 이동 가능한 안테나와 유사한 합계-속도 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ3 GTA와 다른 희소/기준 배열에 비해 STA의 합계-속도 최적화가 얼마나 효과적인가?
• RQ4 동적 배열 얇아짐과 안테나 이동 간의 하드웨어 및 에너지 효율성 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• STA는 이동 가능한 안테나에 상응하는 성능을 10%의 활성 요소(N=320, N_T=32)만으로 달성한다.
• STA는 보통의 로딩에서도 MULA에 근접한 합계-속도 성능을 제공하고 다른 희소 기준 배열보다 상당히 우수하다.
• GTA는 PTA 성능에 부합하며, 그레이팅 로브 인지를 고려한 얇아지기가 간섭을 억제하면서도 어퍼처 이득을 보존함을 확인한다.
• GTA의 평균 합계-속도는 STA 대비 약 5% 낮은 편으로, 사전 최적화와 동적 최적화 간의 차이 때문으로 보인다.
• GTA와 STA는 근거리 희소 얇아짐이 기계적 재배치 없이도 하드웨어 효율적인 배치를 가능하게 함을 보여준다.

Figure 2 : Sum-rate for SULA when UE s are distributed only along the range.