[논문 리뷰] Tri-Polarized Holographic MIMO Surface in Near-Field: Channel Modeling and Precoding Design

Li Wei, Chongwen Huang외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 07.

Antenna Design and Analysis인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 근거리 다중 사용자 무선 통신을 위한 삼극성 히알로그래픽 MIMO 표면(TP-HMIMOS)을 제안한다. 이는 이중 그린 함수 기반 채널 모델링과 사용자 클러스터 기반 및 이중층 예비처리 기법을 활용하여 교차 편광 및 다중 사용자 간 간섭을 완화한다. 주요 결과로 TP-HMIMOS는 기존 HMIMOS 대비 최대 3배 높은 스펙트럼 효율을 달성하며, 双극성 HMIMOS 대비 1.25배 향상된 성능을 보인다. 이는 근거리 영역에서 성립한다.

ABSTRACT

This paper investigates the utilization of triple polarization (TP) for multi-user (MU) holographic multiple-input multi-output surface (HMIMOS) wireless communication systems, targeting capacity boosting and diversity exploitation without enlarging the antenna array sizes. We specifically consider that both the transmitter and receiver are both equipped with an HMIMOS consisting of compact sub-wavelength TP patch antennas within the near-field (NF) regime. To characterize TP MU-HMIMOS systems, a TP NF channel model is constructed using the dyadic Green's function, whose characteristics are leveraged to design two precoding schemes for mitigating the cross-polarization and inter-user interference contributions. Specifically, a user-cluster-based precoding scheme assigns different users to one of three polarizations at the expense of the system's diversity, and a two-layer precoding scheme removes interference using the Gaussian elimination method at a high computational cost. The theoretical correlation analysis for HMIMOS in the NF region is also investigated, revealing that both the spacing of transmit patch antennas and user distance impact transmit correlation factors. Our numerical results show that the users far from transmitting HMIMOS experience higher correlation than those closer within the NF regime, resulting in a lower channel capacity. Meanwhile, in terms of channel capacity, TP HMIMOS can almost achieve 1.25 times gain compared with dual-polarized HMIMOS, and 3 times compared with conventional HMIMOS. In addition, the proposed two-layer precoding scheme combined with two-layer power allocation realizes a higher spectral efficiency than other schemes without sacrificing diversity.

연구 동기 및 목표

• 작은 어레이에서 높은 공간 상관관계로 인한 히알로그래픽 MIMO 표면(HMIMOS)의 성능 포화 문제를 해결하기 위해.
• 어레이 크기를 늘리지 않고도 삼극성(TP) 패치 안테나를 통한 편광 다양성을 활용하여 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해.
• TP-HMIMOS 시스템을 위한 전체 편광 및 공간 상관관계를 포함한 근거리 채널 모델을 개발하기 위해.
• 다중 사용자 환경에서 교차 편광 및 다중 사용자 간 간섭을 완화하는 간섭 인식 예비처리 기법을 설계하기 위해.
• 어레이 기하구조와 사용자 거리가 근거리 HMIMOS에서 공간 상관관계 및 자유도(DoF)에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 공진성 채널 응답과 교차 편광 채널 응답을 특성화하기 위해 이중 그린 함수를 기반으로 한 삼극성 근거리 채널 모델을 개발한다.
• 사용자를 세 가지 편광 중 하나에 할당하는 사용자 클러스터 기반 예비처리 기법을 제안하며, 복잡도를 감소시키기 위해 다양성을 기꺼이 포기한다.
• 고도의 계산 비용을 수반하지만 다중 사용자 간 간섭과 교차 편광 간섭을 동시에 억제하기 위해 가우스 소거법을 활용한 이중층 예비처리 기법을 도입한다.
• 근거리 영역에서 송신 패치 간격과 사용자 거리에 따라 영향을 받는 공간 상관 계수의 이론적 표현을 유도한다.
• 편광 선택 기반 예비할당(PA) 및 이중층 PA를 포함한 두 가지 전력 할당 전략을 제안하며, 예비처리와 통합하여 스펙트럼 효율을 최적화한다.
• 각 편광 모드별 스펙트럼 효율을 계산하기 위해 유효 채널 행렬의 특이값 분해(SVD)를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼극성 히알로그래픽 MIMO 표면에서 어레이 크기를 늘리지 않고도 스펙트럼 효율을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 송신 패치 간격과 사용자 거리가 근거리 TP-HMIMOS에서 공간 상관관계와 자유도(DoF)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 사용자 클러스터 기반 예비처리와 이중층 예비처리 기법 간의 교차 편광 및 다중 사용자 간 간섭 억제 성능를 어떻게 비교할 수 있는가?
• RQ4 근거리 영역에서 TP-HMIMOS는 이중극성 및 기존 HMIMOS 대비 어떤 스펙트럼 효율 이득을 얻는가?
• RQ5 이중층 예비처리 기법에서 사용자 수가 두 가지 전력 할당 전략 간 성능 격차에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• TP-HMIMOS는 근거리 영역에서 기존 HMIMOS 대비 최대 3배 높은 스펙트럼 효율을 달성하며, 이중극성 HMIMOS 대비 1.25배 향상된 성능을 보인다.
• HMIMOS에서 더 멀리 떨어진 사용자(예: 5λ)는 더 가까운 사용자(예: λ)보다 더 높은 공간 상관관계를 경험하여 채널 용량이 감소한다.
• 이중층 예비처리 기법과 이중층 전력 할당을 조합하면 모든 세 편광을 완전히 활용하여 가장 높은 스펙트럼 효율을 달성한다.
• 사용자 수가 증가할수록 이중층 PA와 편광 선택 기반 PA 간 성능 격차가 감소한다. 이는 채널의 특이성이 감소하기 때문이다.
• HMIMOS의 형태는 DoF에 영향을 미친다. 고정된 표면 면적에서 16λ×4λ 직사각형은 32λ×2λ 직사각형보다 더 높은 DoF를 달성한다. 이는 공간 상관관계가 낮기 때문이다.
• HMIMOS의 자유도(DoF)는 어레이 크기와 기하구조에 의해 제한되며, 송신 안테나 수가 증가함에 따라 DoF는 포화 상태에 도달한다.