[论文解读] Intelligent Environments based on Ultra-Massive MIMO Platforms for Wireless Communication in Millimeter Wave and Terahertz Bands

Shuai Nie, Josep Miquel Jornet+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2019

Antenna Design and Analysis参考文献 10被引用 9

一句话总结

本文提出利用可重构等离子体天线阵列的超大规模MIMO（UM-MIMO）平台，以克服毫米波和太赫兹频段中的高路径损耗问题。通过在发射端、接收端及环境中实现传输、反射和波导的全波控制，该系统实现了Tbps量级的速率，并将接收信号功率提升高达40 dB，显著扩展了通信距离。

ABSTRACT

Millimeter-wave (30-300 GHz) and Terahertz-band communications (0.3-10 THz) are envisioned as key wireless technologies to satisfy the demand for Terabit-per-second (Tbps) links in the 5G and beyond eras. The very large available bandwidth in this ultra-broadband frequency range comes at the cost of a very high propagation loss, which combined with the low power of mm-wave and THz-band transceivers limits the communication distance and data-rates. In this paper, the concept of intelligent communication environments enabled by Ultra-Massive MIMO platforms is proposed to increase the communication distance and data-rates at mm-wave and THz-band frequencies. An end-to-end physical model is developed by taking into account the capabilities of novel intelligent plasmonic antenna arrays which can operate in transmission, reception, reflection and waveguiding, as well as the peculiarities of the mm-wave and THz-band multi-path channel. Based on the developed model, extensive quantitative results for different scenarios are provided to illustrate the performance improvements in terms of both achievable distance and data-rate in Ultra-Massive MIMO environments.

研究动机与目标

• 解决由于波长较短和发射功率较低，导致毫米波和太赫兹频段路径损耗高、通信范围受限的问题。
• 通过使用超密集等离子体天线阵列实现全波电磁控制，克服传统MIMO系统的局限性。
• 构建一个端到端物理层模型，集成等离子体收发阵列与可重构反射阵列，实现在传播环境中的协同波束成形。
• 在硬件约束下，优化发射功率、天线数量和反射阵元数量的资源分配，以最大化数据速率和覆盖范围。
• 证明在室内毫米波/太赫兹环境中实现每秒太比特（Tbps）数据速率和显著距离扩展的可行性。

提出的方法

• 基于石墨烯和超表面设计基于等离子体天线阵列的超大规模MIMO平台，实现亚波长分辨率和高集成密度。
• 在室内表面（如墙壁、天花板）实现等离子体反射阵列，作为具备传输、接收、反射和波导模式的可编程表面。
• 开发包含大尺度衰落（路径损耗）和小尺度衰落（i.i.d. 瑞利衰落）的全波端到端物理信道模型，信道矩阵为 H = GA^{1/2}。
• 制定联合资源分配优化问题，以在总发射功率、总天线数和反射阵元数约束下，最大化和速率与可实现距离。
• 利用系统模型推导出可实现和速率 C = B log₂(1 + P_t M N)，在用户数较少时表现出渐近干扰抑制特性。
• 通过300 GHz、50 GHz带宽的室内场景和L形走廊几何结构进行数值评估，验证性能增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在高路径损耗，基于可重构等离子体阵列的超大规模MIMO平台是否能显著扩展毫米波和太赫兹频段的通信范围？
• RQ2 在环境中部署的等离子体反射阵列在通过受控反射和波导作用增强信号强度和数据速率方面，其增强程度如何？
• RQ3 当使用1024×1024等离子体收发阵列并搭配不同尺寸的反射阵列时，可实现的数据速率和覆盖范围扩展是多少？
• RQ4 在实际功率和硬件约束下，系统性能如何随天线数量和反射阵元数量的增加而变化？
• RQ5 通过集成发射、反射和接收等离子体平台实现的全波电磁控制，是否能在真实室内环境中实现Tbps量级的数据速率？

主要发现

• 所提出的UM-MIMO平台结合等离子体阵列，在300 GHz的L形室内走廊中，接收信号功率相比传统系统最高提升40 dB。
• 当采用1024×1024等离子体收发阵列和大小为M_s = 1200的反射阵列时，系统实现和数据速率达到每秒太比特（Tbps）量级。
• 通过利用可重构等离子体反射阵列实现智能波控，系统显著扩展了覆盖范围，克服了毫米波和太赫兹频段的根本路径损耗限制。
• 分析模型表明，在有利传播条件下，系统吞吐量与发射天线数（N）和反射阵元数（M）的乘积成比例，达到 C = B log₂(1 + P_t M N)。
• 优化框架成功平衡了发射功率、天线数量和反射阵列尺寸，在满足最小速率要求（Γ_th^(k)）的同时最大化和数据速率。
• 性能增益归因于高增益波束成形与智能环境重构之间的协同作用，即使在非视 Line-of-Sight 场景下也能实现接近视 Line-of-Sight 的性能。