[论文解读] Electromagnetic Lens-focusing Antenna Enabled Massive MIMO

Yong Zeng, Rui Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 6被引用 5

一句话总结

本文提出了一种电磁透镜天线（ELA），通过介质透镜将入射信号聚焦到天线子集，从而在大规模MIMO系统中降低硬件和处理成本。ELA在减少主动射频链路数量的同时，实现了显著的频谱效率增益，在单径场景下仅使用19根天线中的6根即可实现99%的容量，性能与传统阵列相当。

ABSTRACT

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) techniques have been recently advanced to tremendously improve the performance of wireless networks. However, the use of very large antenna arrays brings new issues, such as the significantly increased hardware cost and signal processing cost and complexity. In order to reap the enormous gain of massive MIMO and yet reduce its cost to an affordable level, this paper proposes a novel system design by integrating an electromagnetic (EM) lens with the large antenna array, termed \emph{electromagnetic lens antenna} (ELA). An ELA has the capability of focusing the power of any incident plane wave passing through the EM lens to a small subset of the antenna array, while the location of focal area is dependent on the angle of arrival (AoA) of the wave. As compared to conventional antenna arrays without the EM lens, the proposed system can substantially reduce the number of required radio frequency (RF) chains at the receiver and hence, the implementation costs. In this paper, we investigate the proposed system under a simplified single-user uplink transmission setup, by characterizing the power distribution of the ELA as well as the resulting channel model. Furthermore, by assuming antenna selection used at the receiver, we show the throughput gains of the proposed system over conventional antenna arrays given the same number of selected antennas.

研究动机与目标

• 解决传统大规模MIMO系统中大规模天线阵列带来的高昂硬件和信号处理成本问题。
• 在不牺牲频谱效率的前提下，减少基站的主动射频链路数量。
• 利用电磁透镜技术，根据到达角（AoA）将入射平面波聚焦到天线子集。
• 证明ELA系统中的波束选择可实现与传统大规模MIMO相当或更优的性能，且使用的有源组件更少。
• 研究ELA在多用户和下行链路大规模MIMO中的可行性，特别是通过空间分离缓解 pilot contamination 问题。

提出的方法

• 将介质电磁透镜与大型均匀线性阵列（ULA）集成，构成电磁透镜天线（ELA）。
• 将电磁透镜建模为相位延迟元件，其聚焦区域取决于入射信号的到达角（AoA）。
• 通过电磁仿真表征电磁透镜在天线阵列上的功率分布，显示聚焦光斑随AoA变化而移动。
• 通过将透镜引起的功率分布引入传统MIMO信号模型，建立新的SIMO信道模型。
• 在接收端应用波束选择（AS），从N根天线中选择M根，以最小化射频链路数量，同时最大化可实现速率。
• 采用归一化信噪比（SNR）模型，确保有无电磁透镜的系统总接收功率保持一致，从而实现公平的性能比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 电磁透镜是否能在保持或提升频谱效率的同时，减少大规模MIMO系统中所需的射频链路数量？
• RQ2 在所提出的ELA系统中，阵列上的功率分布如何随到达角（AoA）变化？
• RQ3 在相同选择的天线数量下，ELA系统相比传统大规模MIMO的可实现速率增益是多少？
• RQ4 在多径环境中，当传播路径数量变化时，ELA系统的性能如何变化？
• RQ5 ELA的多径空间分离能力是否有助于缓解多用户大规模MIMO系统中的pilot contamination问题？

主要发现

• 当主动射频链路数量受限时，ELA系统仅需选择6根天线即可实现与传统大规模MIMO系统相同的频谱效率，而后者需19根天线才能达到99%容量。
• 在单径环境且SNR为10 dB时，当仅选择一根天线，ELA系统相比传统系统实现66%的速率增益。
• 当选择M=3根天线时，ELA系统在相同条件下相比传统系统实现44%的速率增益。
• 在多径环境（L=2或20）下，ELA系统无论路径数量如何均保持高性能，而传统系统因天线间功率波动更大，路径数L增加时性能增益更显著。
• 由于每条路径根据其AoA被聚焦到不同的天线子集，ELA系统对多径分量数量不敏感。
• 所提出的系统能够实现多径分量的空域分离，表明其在多用户大规模MIMO中具有干扰抑制和pilot contamination减少的潜力。