[論文レビュー] Near-Field Wideband Extremely Large-scale MIMO Transmission with Holographic Metasurface Antennas

Jie Xu, You Li+4 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2022

Antenna Design and Analysis被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、近似フィールド広帯域超大規模MIMO（XL-MIMO）上行リンク伝送を目的とした、ホログラムメタサーフェスアレイ（HMA）ベースのビーム結合フレームワークを提案する。近似フィールドおよび二重広帯域効果を捉える球面波に基づくチャネルモデルを導入することで、著者らは、HMAの重みとベースバンド結合器を同時に最適化するための和平均二乗誤差（SMSE）最小化アルゴリズムを開発し、同じアパーチャを有する従来のハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミングよりも高い和スループットを達成するとともに、完全デジタル性能に近づく結果を得た。

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.

研究の動機と目的

• 近似フィールドおよび二重広帯域効果に起因するXL-MIMOシステムの性能劣化を是正すること。
• 近似フィールド広帯域環境におけるホログラムメタサーフェスアレイ（HMA）のための効率的なビーム結合フレームワークを設計すること。
• 従来の完全デジタルまたはハイブリッドビームフォーミングと比較して、ハードウェアの複雑さと消費電力を低減しつつ、高いスペクトル効率を達成すること。
• HMAベースのシステムが、波長未満の要素間隔においても高い和スループットを維持できることを示すこと。

提案手法

• 近似フィールド効果（距離依存の位相シフト）と二重広帯域効果（周波数依存応答）を同時に考慮する球面波に基づくチャネルモデルを構築する。
• 高次元のHMA重みとベースバンド結合器の間の非線形結合を考慮した、和平均二乗誤差（SMSE）最小化としてビーム結合問題を定式化する。
• 非凸性と計算複雑性に対処するため、行列のベクトル化と主要化最小化（MM）法を組み合わせた交互最適化（AO）フレームワークを採用する。
• MM法を用いて、非凸な目的関数を凸な補助関数で逐次的に近似し、局所最適解への収束を可能にする。
• 行列のベクトル化則を適用して、結合された最適化問題を反復的精錬に適した構造的形に変換する。
• 受信機における信号再構築の誤差を最小化するため、MMSE基準をビーム結合設計に統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホログラムメタサーフェスアレイ（HMA）ベースのビーム結合フレームワークは、XL-MIMOシステムにおける近似フィールドおよび二重広帯域効果に起因する和スループットの低下を効果的に緩和できるか？
• RQ2 同じアレイアパーチャを有する条件下で、HMAベースのビームフォーミングは近似フィールド広帯域環境下で従来のハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミングと比較してどの程度優れた性能を示すか？
• RQ3 要素間隔が波長未満の場合、相互結合の影響がHMAベースのシステムにどの程度及ぶか？
• RQ4 提案されたアルゴリズムフレームワークは、大幅に低減されたハードウェア複雑性で、完全デジタル性能に近い和スループットを達成できるか？

主な発見

• 提案されたHMAベースのビーム結合方式は、XL-MIMOシステムにおける近似フィールドおよび二重広帯域効果に起因する和スループット損失を効果的に低減した。
• 同じアパーチャを有する条件下で、HMAベースのシステムは従来のハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミング構造よりも高い和スループットを達成した。
• HMAベースのシステムは、RFチェーン数が少ないにもかかわらず、完全デジタルビームフォーミング方式と同等の和スループットを達成した。
• HMAシステムの和スループット性能は、波長未満の要素間隔においてもロバストであり、相互結合の影響が最小限であることが示された。
• 提案されたアルゴリズムフレームワークは、HMA重みとベースバンド結合器の間の非線形結合を反復的最適化によって効果的に処理できた。