[论文解读] Capacity Maximization for FAS-assisted Multiple Access Channels

Hao Xu, Kai‐Kit Wong+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2023

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种联合优化框架，通过联合调整发射协方差矩阵和流体天线系统（FAS）用户设备（UE）天线位置，以在毫米波上行链路多址接入信道中最大化和容量。针对单用户情况，推导出闭式解和一维搜索解；针对多用户场景，提出交替优化算法，仿真结果表明其相比基准方案具有显著的容量增益。

ABSTRACT

This paper investigates a multiuser millimeter-wave (mmWave) uplink system in which each user is equipped with a multi-antenna fluid antenna system (FAS) while the base station (BS) has multiple fixed-position antennas. Our primary objective is to maximize the system capacity by optimizing the transmit covariance matrices and the antenna position vectors of the users jointly. To gain insights, we start by deriving upper bounds and approximations for the capacity. Then we delve into the capacity maximization problem. Beginning with the simple scenario of a single user equipped with a single-antenna FAS, we demonstrate that a closed-form optimal solution exists when there are only two propagation paths between the user and the BS. In the case where multiple propagation paths are present, a near-optimal solution can also be obtained through a one-dimensional search method. Expanding our focus to multiuser cases, in which users are equipped with either single- or multi-antenna FAS, we show that the original capacity maximization problems can be reformulated into distinct rank-one programmings. Then, we propose alternating optimization algorithms to deal with the transformed problems. Simulation results indicate that FAS can improve the capacity of the multiple access channel (MAC) greatly, and the proposed algorithms outperform all the benchmarks.

研究动机与目标

• 解决FAS辅助的多用户多址接入信道（MAC）缺乏理论容量分析与优化的问题。
• 通过联合优化用户发射协方差矩阵与FAS天线位置向量，在多用户毫米波上行链路中最大化系统和容量。
• 通过上界和近似方法，提供关于FAS辅助系统容量极限的理论洞察。
• 为用户端采用单天线与多天线FAS的多用户场景设计实用算法。
• 通过仿真验证所提方案相较于传统基准方案的优越性。

提出的方法

• 推导FAS辅助系统中最大可实现容量的上界和近似表达式。
• 针对具有两条传播路径的单用户FAS，推导出天线位置与波束成形的闭式最优解。
• 针对具有多条传播路径的单用户FAS，提出一种一维搜索方法以获得近似最优解。
• 将多用户容量最大化问题重新表述为秩一半定规划（SDP），适用于单天线与多天线FAS场景。
• 提出交替优化算法，通过迭代优化波束成形与FAS天线位置，收敛至高容量解。
• 利用文献[22]中的信道模型，以精确建模用户设备上FAS端口之间的空间相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 FAS辅助的多用户毫米波上行链路系统的理论容量极限是多少？
• RQ2 当仅有两条传播路径时，能否为FAS波束成形与天线定位推导出闭式解？
• RQ3 在存在多条传播路径的情况下，如何高效求解容量最大化问题？
• RQ4 在多用户场景中，发射波束成形与FAS天线位置的最优联合设计是什么？
• RQ5 所提算法在和容量性能方面相较于传统基准方案表现如何？

主要发现

• 对于具有两条传播路径的单用户FAS，存在闭式最优解，可直接计算最优波束成形与天线位置。
• 对于多条传播路径，一维搜索方法在低复杂度下实现接近最优的容量性能。
• 多用户容量最大化问题可重述为秩一半定规划，从而实现高效的算法求解。
• 所提交替优化算法能收敛至高容量解，且在仿真中优于所有基准方案。
• FAS显著提升了毫米波MAC系统的容量，尤其在具有空间分集的丰富散射环境中。
• 所推导的理论上限为FAS部署所能带来的最大容量增益提供了宝贵的洞察。