[논문 리뷰] Sum-Rate Maximization for Movable Antenna Enabled Multiuser Communications

Zhenqiao Cheng, Nanxi Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 20.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전송 beamforming과 이동형 안테나(MA) 위치를 함께 최적화하여 합성 속도를 극대화하는 이동형 안테나(MA) 기반의 다중 사용자 MISO 시스템을 제안한다. 분수 프로그래밍과 교대 최적화를 활용하여, 고정 위치 안테나(FPA) 기준 대비 최대 123.3% 높은 합성 속도를 달성하며, 동적 공간 DoF 활용을 통한 뚜렷한 성능 향상을 입증한다.

ABSTRACT

A novel multiuser communication system with movable antennas (MAs) is proposed, where the antenna position optimization is exploited to enhance the downlink sum-rate. The joint optimization of the transmit beamforming vector and transmit MA positions is studied for a multiuser multiple-input single-input system. An efficient algorithm is proposed to tackle the formulated non-convex problem via capitalizing on fractional programming, alternating optimization, and gradient descent methods. To strike a better performance-complexity trade-off, a zero-forcing beamforming-based design is also proposed as an alternative. Numerical investigations are presented to verify the efficiency of the proposed algorithms and their superior performance compared with the benchmark relying on conventional fixed-position antennas (FPAs).

연구 동기 및 목표

• 고정 위치 안테나(FPA) 시스템의 제한된 공간 DoF 문제를 해결하기 위해 이동형 안테나(MA)를 도입하여 동적 채널 재구성 가능성을 제공한다.
• 다중 사용자 MISO 시스템에서 다운링크 합성 속도를 극대화하기 위해 전송 beamforming과 MA 위치의 비볼록 공동 최적화 문제를 수립하고 해결한다.
• 높은 복잡도의 분수 프로그래밍 해법에 대한 저복잡도 대안을 개발하면서도 뛰어난 성능를 유지한다.
• MA 기반 시스템이 FPA 기반 시스템에 비해 더 많은 DoF와 뛰어난 스펙트럼 효율성을 제공함을 입증한다.

제안 방법

• 전송 beamforming 벡터와 이동형 안테나(MA) 위치의 공동 최적화를 포함하는 비볼록 합성 속도 극대화 문제를 수립한다.
• 합성 속도 극대화 문제를 반복적으로 해결할 수 있도록 분수 프로그래밍(FP)을 활용해 일련의 볼록 하位 문제로 변환한다.
• 교대 최적화를 적용: 경사 하강법과 백트래킹 선 탐색을 사용해 반복적으로 beamforming과 MA 위치를 최적화한다.
• 저복잡도 대안으로 제로포지션(ZF) 기반 설계를 제안하여 계산 부담을 감소시키면서도 성능를 유지한다.
• 장거리 응답 기반 채널 모델을 사용하여 채널 벡터를 MA 위치의 함수로 표현하며, 경로 손실, 위상 이동, 다중 경로 성분을 포함한다.
• 고정점 반복과 수렴 임계값을 활용한 수렴 메커니즘을 구현하여 안정적인 최적화를 보장한다.

Figure 1: The MA-enabled multiuser communication system

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정 위치 안테나 대비 이동형 안테나(MA) 위치와 전송 beamforming의 공동 최적화가 다중 사용자 MISO 시스템의 다운링크 합성 속도에 뚜렷한 향상을 이끌 수 있는가?
• RQ2 제안된 분수 프로그래밍(FP) 기반 알고리즘의 성능는 제로포지션(ZF) 기반 설계 대비 합성 속도와 계산 복잡도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 MA 이동 영역 크기가 달성 가능한 합성 속도에 어떤 영향을 미치며, 유한한 영역으로도 최적 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ4 MA 기반 beamforming은 ZF 예비처리를 사용하는 전통적인 FPA 기반 시스템에 비해 스펙트럼 효율성 측면에서 얼마나 뛰어나게 성능을 높이는가?
• RQ5 제안된 알고리즘이 신뢰성 있게 수렴하는가? 그리고 시스템 파라미터에 따라 수렴 속도와 계산 비용은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 제안된 FP 기반 알고리즘은 5 dBm 전송 전력에서 FPA 기준 대비 33.1% 높은 합성 속도를 기록하며, 뛰어난 스펙트럼 효율성 향상을 입증한다.
• ZF 기반 설계는 동일한 전력 수준에서 FPA 기준 대비 123.3% 높은 합성 속도를 달성하며, 낮은 복잡도임에도 불구하고 MA 기반 beamforming의 효과를 입증한다.
• FP 기반 방법은 약 12회 반복 내에 수렴하고, ZF 기반 방법은 약 5회 반복 내에 수렴하여 저복잡도 대안이 더 빠른 수렴 속도를 보인다.
• ZF 기반 설계는 FP 기반 방법에 비해 훨씬 적은 CPU 시간을 소모하여, 뛰어난 계산 효율성을 확인한다.
• 합성 속도는 정규화된 MA 이동 영역 크기(A/λ)가 증가할수록 향상되며, FP 기반 방법은 A/λ > 3일 때 최적 성능를 달성한다. 이는 유한한 영역으로도 근사 최적 성능를 달성할 수 있음을 시사한다.
• FP 기반 MA 시스템은 ZF 예비처리를 사용하는 FPA 기반 시스템보다 합성 속도에서 6배 이상 뛰어나며, beamforming과 위치 최적화의 공동 최적화가 훨씬 우월함을 입증한다.

(a) Number of iterations. $A=2\lambda$ .