[论文解读] Continuous-Aperture MIMO for Electromagnetic Information Theory.

Zijian Zhang, Linglong Dai|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2021

Antenna Design and Analysis参考文献 32被引用 9

一句话总结

本文提出模式复用技术以在连续孔径MIMO（CAP-MIMO）中设计连续电磁模式，将连续模式函数转化为正交基上的投影，实现容量最优的波前整形。通过交替优化求解容量最大化问题，该方法相较基准方案实现约260%的频谱效率增益。

ABSTRACT

In recent years, the concept of continuous-aperture MIMO (CAP-MIMO) is reinvestigated to achieve improved communication performance with limited antenna apertures. Unlike the classical MIMO composed of discrete antennas, CAP-MIMO has a continuous antenna surface, which is expected to generate any current distribution (i.e., pattern) and induce controllable spatial electromagnetic waves. In this way, the information can be modulated on the electromagnetic waves, which makes it promising to approach the ultimate capacity of finite apertures. The pattern design is the key factor to determine the system performance of CAP-MIMO, but it has not been well studied in the literature. In this paper, we propose the pattern-division multiplexing to design the patterns for CAP-MIMO. Specifically, we first derive the system model of a typical CAP-MIMO system, which allows us to formulate the capacity maximization problem. Then we propose a general pattern-division multiplexing technique to transform the design of continuous pattern functions to the design of their projection lengths on finite orthogonal bases, which is able to overcome the design challenge of continuous functions. Based on this technique, we further propose an alternating optimization based pattern design scheme to solve the formulated capacity maximization problem. Simulation results show that, the capacity achieved by the proposed scheme is about 260% higher than that achieved by the benchmark scheme, which demonstrates the effectiveness of the proposed pattern-division multiplexing for CAP-MIMO.

研究动机与目标

• 为解决连续孔径MIMO（CAP-MIMO）中缺乏系统性模式设计方法的问题，该技术可实现可控电磁波前，从而提升通信容量。
• 建立CAP-MIMO系统模型，并在有限口径约束下定义容量最大化问题。
• 通过将连续空间电流分布的设计问题转化为正交基上的有限维投影系数问题，克服设计连续空间电流分布的挑战。
• 开发基于交替优化的模式设计方案，在实际硬件与辐射约束下实现频谱效率最大化。

提出的方法

• 推导CAP-MIMO的数学系统模型，刻画口径上连续电流分布与辐射电磁场之间的关系。
• 提出模式复用技术，将连续模式函数分解为其在有限个正交基函数上的投影，从而实现可处理的优化。
• 将容量最大化问题重新表述为对模式函数投影系数的优化，将无限维设计问题转化为有限维参数调优。
• 开发一种交替优化算法，通过迭代优化模式投影与功率分配，收敛至容量最优波形。
• 利用正交基函数（如傅里叶基或其他完备集）以确保所设计模式的数学可处理性与物理可实现性。
• 构建数值框架，模拟并评估在真实传播与口径约束下的频谱效率增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统性地设计连续电磁模式，以在CAP-MIMO系统中实现频谱效率最大化？
• RQ2 何种数学变换可实现对连续口径电流分布的优化，而无需直接处理无限维函数？
• RQ3 与传统离散天线MIMO或简单连续模式设计相比，模式复用技术在多大程度上可提升频谱效率？
• RQ4 所提出的交替优化方案在有限口径与功率的实际约束下，其收敛性与性能表现如何？
• RQ5 与基准方案相比，所提方法在CAP-MIMO中可实现的容量增益是多少？

主要发现

• 所提出的模式复用技术成功地将连续空间模式的设计转化为在正交基上有限维投影系数的优化问题。
• 基于交替优化的模式设计方案通过联合优化模式投影与功率分配，收敛至高容量解。
• 仿真结果表明，所提方案相较基准方案实现约260%的频谱效率增益。
• 该方法通过连续口径激励实现对电磁波前的精确控制，逼近有限口径的理论容量极限。
• 该方法通过利用正交分解克服了设计连续函数的根本挑战，使问题在计算上变得可行。
• 结果证实，模式设计是CAP-MIMO的关键使能技术，其优化可带来相较于传统方法的显著性能提升。