[论文解读] Beam Focusing for Near-Field Multi-User MIMO Communications

Haiyang Zhang, Nir Shlezinger+4 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2021

Antenna Design and Analysis被引用 21

一句话总结

本文提出在太赫兹/毫米波频段的近场多用户MIMO系统中采用波束聚焦技术，利用大规模阵列天线实现高数据率通信，通过将能量聚焦于特定空间位置而非仅方向，从而提升频谱效率。该研究针对全数字、混合移相器和可重构超表面天线架构，设计了优化的预编码方案，即使在用户处于相近角度时也能实现可靠多用户传输，突破传统远场波束成形的局限。

ABSTRACT

Large antenna arrays and high-frequency bands are two key features of future wireless communication systems. The combination of large-scale antennas with high transmission frequencies often results in the communicating devices operating in the near-field (Fresnel) region. In this paper, we study the potential of beam focusing, feasible in near-field operation, in facilitating high-rate multi-user downlink multiple-input multiple-output (MIMO) systems. As the ability to achieve beam focusing is dictated by the transmit antenna, we study near-field signaling considering different antenna structures, including fully-digital architectures, hybrid phase shifter-based precoders, and the emerging dynamic metasurface antenna (DMA) architecture for massive MIMO arrays. We first provide a mathematical model to characterize near-field wireless channels as well as the transmission pattern for the considered antenna architectures. Then, we formulate the beam focusing problem for the goal of maximizing the achievable sum-rate in multi-user networks. We propose efficient solutions based on the sum-rate maximization task for fully-digital, (phase shifters based-) hybrid and DMA architectures. Simulation results show the feasibility of the proposed beam focusing scheme for both single- and multi-user scenarios. In particular, the designed focused beams are such that users residing at the same angular direction can communicate reliably without interfering with each other, which is not achievable using conventional far-field beam steering.

研究动机与目标

• 为解决近场（菲涅尔）区域中高数据率多用户MIMO通信的挑战，该区域传统远场波束成形因球面波前而失效。
• 利用波束聚焦——即聚焦能量于特定空间位置而非角度方向——实现即使用户处于相近角度时仍可保持正交通信链路。
• 为实际天线架构（全数字、基于混合移相器、可重构超表面天线（DMAs））设计高效预编码策略。
• 在不同天线架构的硬件约束下，最大化多用户下行链路MIMO系统的和速率。
• 通过真实信道模型与硬件约束，验证波束聚焦在单用户与多用户场景下的可行性与性能增益。

提出的方法

• 建立考虑球面波前与用户特定路径损耗的近场MIMO信道数学模型，结合阵列几何结构与传播距离。
• 提出波束聚焦的和速率最大化框架，将预编码设计建模为在功率与硬件约束下的优化问题。
• 针对全数字架构，推导出在固定模拟波束成形矩阵下最优数字预编码器的闭式解，采用最大比率传输并进行功率归一化。
• 针对混合与DMA架构，将优化问题表述为关于相移与幅度权重的非凸问题，并通过次优但高效的迭代算法求解。
• 通过向量化与克罗内克积重述和速率最大化问题，提升计算效率，尤其适用于混合与DMA系统。
• 应用三角不等式推导波束聚焦的最优相移，证明每个阵元的最优相移与目标焦点的路径延迟和相移一致，可实现最大增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在近场区域，波束聚焦是否能实现用户位于相近角度方向时的可靠多用户MIMO通信？
• RQ2 与传统远场波束成形相比，波束聚焦在大规模MIMO系统中（使用大阵列）如何提升和速率性能？
• RQ3 在近场多用户MIMO中，针对不同实际天线架构（全数字、混合、DMA），最优预编码策略为何？
• RQ4 硬件约束（如移相器、幅度控制）如何影响近场MIMO中波束聚焦的性能？
• RQ5 波束聚焦在多用户处于相同角度时，能在多大程度上支持正交通信链路，克服远场系统中的干扰限制？

主要发现

• 波束聚焦通过在不同空间位置集中能量，实现相同角度方向用户之间的可靠通信，彻底消除用户间干扰。
• 所提出的波束聚焦方案相比传统远场波束成形在和速率方面实现显著增益，尤其在用户密集场景中优势明显。
• 对于全数字架构，最优数字预编码器以闭式解形式推导得出，即最大比率传输并使用全功率，从而最大化信号与干扰加噪声比。
• 波束聚焦的最优相移为 $ \psi_{i,l}^{*} = k|\mathbf{p}_{m}-\mathbf{p}_{i,l}| + \beta_{i}\rho_{i,l} $，与路径延迟和相移一致，实现最大增益。
• 仿真结果表明，该波束聚焦方案在单用户与多用户场景下均有效，且在不同用户分布与阵列配置下保持稳定性能。
• 混合与DMA架构在降低硬件复杂度的同时实现接近最优性能，证明波束聚焦在真实系统中的实际可行性。