[论文解读] Communication and Localization with Extremely Large Lens Antenna Array

Jie Yang, Yong Zeng+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 38被引用 6

一句话总结

本文提出ExLens，一种超大规模透镜天线阵列，通过球面波前建模，在近场环境中实现高速通信、精确定位并降低系统复杂度。通过推导具有聚焦窗效应的闭式阵列响应，ExLens实现接近Cramér-Rao下界的定位性能，并在频谱效率方面显著优于均匀线性阵列。

ABSTRACT

Achieving high-rate communication with accurate localization and wireless environment sensing has emerged as an important trend of beyond-fifth and sixth generation cellular systems. Extension of the antenna array to an extremely large scale is a potential technology for achieving such goals. However, the super massive operating antennas significantly increases the computational complexity of the system. Motivated by the inherent advantages of lens antenna arrays in reducing system complexity, we consider communication and localization problems with an \uline{ex}tremely large \uline{lens} antenna array, which we call "ExLens". Since radiative near-field property emerges in the setting, we derive the closed-form array response of the lens antenna array with spherical wave, which includes the array response obtained on the basis of uniform plane wave as a special case. Our derivation result reveals a window effect for energy focusing property of ExLens, which indicates that ExLens has great potential in position sensing and multi-user communication. We also propose an effective method for location and channel parameters estimation, which is able to achieve the localization performance close to the Cramér-Rao lower bound. Finally, we examine the multi-user communication performance of ExLens that serves coexisting near-field and far-field users. Numerical results demonstrate the effectiveness of the proposed channel estimation method and show that ExLens with a minimum mean square error receiver achieves significant spectral efficiency gains and complexity-and-cost reductions compared with a uniform linear array.

研究动机与目标

• 为解决在超大规模阵列的辐射近场中，传统大规模MIMO系统对均匀平面波假设的局限性。
• 开发一种利用球面波前的低复杂度、高性能通信与定位框架，基于透镜天线阵列。
• 在近场场景中实现高谱效率的同时，实现用户设备（UE）的精确定位与信道估计。
• 证明ExLens在定位性能上接近Cramér-Rao下界，同时降低硬件与处理复杂度。

提出的方法

• 基于球面波前，推导出超大规模透镜天线阵列（ExLens）的闭式阵列响应，推广了均匀平面波模型。
• 在ExLens中引入聚焦窗效应，实现能量集中并增强位置感知能力。
• 提出一种基于球面波前建模的参数估计算法，用于定位与信道参数，实现接近最优的定位性能。
• 采用最小均方误差（MMSE）接收机，评估同时存在近场与远场用户时的多用户通信性能。
• 通过计算阵列响应对用户位置参数的偏导数，分析阵列响应对用户方向与距离的敏感性。
• 通过在高增益与大孔径条件下的解析近似，验证理论阵列响应与聚焦窗特性的正确性。

(a) ExLens

实验结果

研究问题

• RQ1 当在近场中使用球面波前而非均匀平面波建模时，超大规模透镜天线阵列的阵列响应有何不同？
• RQ2 透镜几何形状如何影响聚焦窗的中心与宽度？这对能量集中与定位精度有何影响？
• RQ3 在近场环境中，低复杂度信道估计算法能否实现接近Cramér-Rao下界的定位性能？
• RQ4 在同时存在近场与远场用户的多用户场景中，ExLens在频谱效率与复杂度方面的表现如何？
• RQ5 ExLens系统中，阵列尺寸、聚焦增益与计算复杂度之间的关键权衡是什么？

主要发现

• 推导出的ExLens阵列响应显式建模了球面波前，揭示了聚焦窗效应，从而实现能量集中与位置感知能力的增强。
• 聚焦窗中心近似为sinφ，其宽度约为D_y |1/F₀ - cos²φ/d|，表明具有方向敏感性且可调聚焦。
• 所提出的信道估计算法实现的定位性能非常接近Cramér-Rao下界，验证了其最优性。
• 采用MMSE接收机的ExLens在频谱效率方面显著优于均匀线性阵列，尤其在近场场景中表现突出。
• 由于透镜天然的波束成形与聚焦特性，系统复杂度与硬件成本相比传统大规模MIMO的均匀线性阵列显著降低。
• 数值结果证实，ExLens在支持多用户、同时存在近场与远场用户的环境中，能有效实现高速通信与精确定位。

(b) ULA