[论文解读] Holographic Metasurface Antennas for Uplink Massive MIMO Systems

Insang Yoo, David R. Smith|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2021

Antenna Design and Analysis参考文献 37被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种在3.5 GHz频段使用矩形波导馈电全息超表面天线阵列的低复杂度、低成本上行链路大规模MIMO系统。通过利用亚波长超材料单元生成具有高方位角分辨率的多波束，该系统实现了44.75 bit/s/Hz的和容量——接近瑞利衰落信道的46.34 bit/s/Hz——同时通过无源波束成形最小化射频链路需求。

ABSTRACT

We propose an uplink massive MIMO system using an array of holographic metasurfaces as a sector antenna. The antenna consists of a set of rectangular waveguide-fed metasurfaces combined along the elevation direction into a planar aperture, each with subwavelength-sized metamaterial elements as radiators. The metamaterial radiators are designed such that the waveguide-fed metasurface implements a holographic solution for the guided (or reference) mode, generating a fan beam towards a prescribed direction, thereby forming a multibeam antenna system. We demonstrate that a narrowband uplink massive MIMO system using the metasurfaces can achieve the sum capacity close to that offered by the Rayleigh channel at 3.5 GHz. We show that metasurfaces supporting multiple fan beams can achieve high spatial resolution in the azimuth directions in sub-6 GHz channels, and thereby form uncorrelated MIMO channels between the base station and users. Also, the proposed metasurface antenna is structurally simple, low-cost, and efficient, and thus is suitable to alleviate RF hardware issues common to massive MIMO systems equipped with a large antenna system.

研究动机与目标

• 解决传统大规模MIMO系统因大阵元数天线阵列导致的高射频硬件复杂度和成本问题。
• 利用Sub-6 GHz MIMO信道的空间特性，其中俯仰角扩展较小，以简化波束成形设计。
• 开发一种结构简单、低剖面且高效的辐射平台，采用波导馈电的超表面。
• 证明基于超表面的波束成形可实现接近理论瑞利衰落信道容量的和容量。
• 实现无源、低功耗波束成形，无需每个单元的射频链路，从而降低系统成本和功耗。

提出的方法

• 设计由亚波长超材料辐射单元构成的矩形波导馈电超表面，实现全息波束成形以生成波束。
• 采用耦合偶极子法（CDM）对单个超表面的辐射特性进行建模与优化。
• 沿俯仰方向排列多个超表面，形成具有多波束能力的平面口径。
• 利用全息原理控制口径上的相位分布，实现波束定向扫描，无需主动射频组件。
• 使用具有不同角扩展（σᵘ, σᵇˢ）从5°到60°的统计MIMO信道模型进行系统仿真。
• 通过和容量及MIMO信道矩阵的条件数评估系统性能，并与瑞利衰落信道基准进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于全息超表面的天线阵列是否可在3.5 GHz上行链路大规模MIMO系统中实现接近瑞利信道容量的和容量？
• RQ2 超表面阵列的空间分辨率在多大程度上降低了MIMO信道中的空间相关性？
• RQ3 孔径尺寸（超材料单元数量）如何影响可实现的和容量与信道条件数？
• RQ4 用户与基站簇的角扩展如何影响基于超表面的MIMO系统性能？
• RQ5 无源、低功耗的超表面是否可替代大规模MIMO系统中传统的高射频复杂度波束成形架构？

主要发现

• 所提出的基于超表面的大规模MIMO系统实现了44.75 bit/s/Hz的平均和容量，非常接近瑞利信道的46.34 bit/s/Hz。
• 当角扩展≥30°时，系统的平均条件数降至最低值8.15，表明空间相关性较低，MIMO信道质量良好。
• 当超材料单元数（Nₘ）从10增加到45时，和容量提升，且在Nₘ≥30时趋于饱和，表明已达到足够的空间分辨率。
• 在固定Nₘ条件下，增加角扩展（σᵘ = σᵇˢ）可降低信道相关性，提升性能，因更充分地激励了多样化的传播路径。
• 基于超表面的系统条件数与瑞利信道的比值（κₘₛ/κᵣₐyₗₑᵧ ≈ 1.8）与瑞利信道相近，证实了非相关子信道的形成。
• 该系统凭借无源、低成本、低剖面设计保持了高性能，无需每个单元的射频链路，显著降低了功耗。