[论文解读] Sparse Array Design for Near-Field MU-MIMO: Reconfigurable Array Thinning Approach

Ahmed Hussain, Asmaa Abdallah+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2026

Antenna Design and Optimization被引用 0

一句话总结

论文提出了一种可重构阵列 thinning 框架，通过激活固定密集阵元子集来形成动态稀疏 NF-MU-MIMO 阵列，并对角度/距离网格波瓣进行分析，利用 PSO 进行网格波瓣抑制（GTA）和求和速率最大化（STA）的优化。

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.

研究动机与目标

• 激发带有大天线阵列的近场 MU-MIMO 及对高效稀疏部署的需求。
• 引入一个可重构阵列 thinning 框架，在保持完整孔径不变的同时激活子集天线。
• 分析角度域和距离域的网格波瓣，以指导 thinning 设计。
• 开发两个基于 PSO 的 thinning 策略：GTA 用于网格波瓣抑制，STA 用于求和速率最大化。
• 通过仿真表明 STA 在仅有 10% 有效元件时即可达到可移动天线的性能。

提出的方法

• 将全密集 ULA 的天线数量记为 N，间距 d = λ/2，并对 N_T 个有源元件进行 thinning（TR = N_T/N = 1/10）。
• 使用正则化零 forcing 前馈（precoder）在 thinning 下计算求和速率。
• 分析角度域的网格波瓣，并证明 NF 情况下不存在距离域的网格波瓣；推导基于 PSLL 的 GTA 目标。
• 提出两个基于 PSO 的 thinning 问题：GTA 在固定 N_T 和必选集合 F 的条件下最小化覆盖角 Θ_cov 的最大 PSLL；STA 在相同约束下最大化求和速率。
• 实现带有连续松弛的 PSO，将优先向量映射到二进制 thinning 模式；强制选择 top-N_T-|F| 个元件并保留 F。
• 在 30 GHz、N=320、N_T=32、SNR=20 dB 的仿真中，将 GTA 与 STA 与 FULA、MULA、PTA、SULA、HULA 进行比较。

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 $r_{\mathrm{\scalebox{0.5}{RD}}}=10.3\,\mathrm{km}$ .

实验结果

研究问题

• RQ1 近场距离域是否会像角域一样产生网格波瓣？
• RQ2 一个 thinning 的固定密集阵列能否达到与可移动天线相当的求和速率性能？
• RQ3 与其他稀疏/基线阵列相比，基于网格波瓣的 thinning（GTA）在 STA 下的效果如何？
• RQ4 相比于移动天线，动态阵列 thinning 的硬件与能量效率权衡有哪些？

主要发现

• STA 在仅使用 10% 的有效元件时即可达到可移动天线的性能（N=320，N_T=32）。
• STA 在中等负载下的求和速率接近 MULA，显著优于其他稀疏基线。
• GTA 与 PTA 的性能相当，证实基于网格波瓣的 thinning 能在抑制干扰的同时保留孔径增益。
• GTA 的平均求和速率比 STA 低约 5%，这是因为预优化与动态优化的差异。
• GTA 与 STA 表明近场稀疏 thinning 可以在无需机械重新定位的前提下实现硬件资源高效部署。

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