[论文解读] Movable Antenna-Enhanced Multiuser Communication: Optimal Discrete Antenna Positioning and Beamforming

Yifei Wu, Dongfang Xu+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2023

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 10

一句话总结

该论文在基站对多用户 MA-enabled MISO 系统中联合优化波束赋形与离散可移动天线位置，采用广义贝登分解（GBD）在 SINR 约束下获得全局最优解。

ABSTRACT

Movable antennas (MAs) are a promising paradigm to enhance the spatial degrees of freedom of conventional multi-antenna systems by flexibly adapting the positions of the antenna elements within a given transmit area. In this paper, we model the motion of the MA elements as discrete movements and study the corresponding resource allocation problem for MA-enabled multiuser multiple-input single-output (MISO) communication systems. Specifically, we jointly optimize the beamforming and the MA positions at the base station (BS) for the minimization of the total transmit power while guaranteeing the minimum required signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) of each individual user. To obtain the globally optimal solution to the formulated resource allocation problem, we develop an iterative algorithm capitalizing on the generalized Bender's decomposition with guaranteed convergence. Our numerical results demonstrate that the proposed MA-enabled communication system can significantly reduce the BS transmit power and the number of antenna elements needed to achieve a desired performance compared to state-of-the-art techniques, such as antenna selection. Furthermore, we observe that refining the step size of the MA motion driver improves performance at the expense of a higher computational complexity.

研究动机与目标

• 激励 MA-enabled 系统在发射区内利用空间自由度。
• 提出一个资源分配问题，联合优化 MA 位置与基站波束赋形。
• 基于广义贝登分解（GBD）开发具有收敛保证的全局最优算法。
• 量化相较于天线选择等现有技术的功率节省与硬件减少。

提出的方法

• 将发射区建模为离散的 MA 位置集合，并用二进制位置指示器表示 MA 的运动。
• 通过线性矩阵不等式和辅助变量，将联合的基站波束赋形与 MA 位置设计重新表述为混合整数非线性规划（MINLP）。
• 应用广义贝登分解将一个凸原问题与一个 MILP 主问题分离，确保收敛到全局最优解。
• 使用引理把非凸的 SINR 与距离约束转化为凸的代理问题，从而实现 C1a/C1b 与 C2a/C2b 的重构。
• 提供一个迭代算法，在求解凸子问题和 MILP 主问题之间交替，保证收敛到最优解。

实验结果

研究问题

• RQ1 在离散 MA 位置设定下，基站波束赋形和 MA 位置能否联合优化以在满足各用户 SINR 约束的同时最小化发射功率？
• RQ2 通过 GBD 获得的全局最优解是否优于诸如交替优化或梯度下降等子最优方法在 MA-enabled 多用户 MISO 系统中的表现？
• RQ3 离散运动步长和最小互 MA 距离如何影响性能与复杂度？
• RQ4 与固定位置天线相比，MA 离散化对可实现的功率节省有何影响？
• RQ5 所提出的方法能否作为 MA-enabled 设计的性能基准？

主要发现

• 与最先进的技术如天线选择相比，MA-enabled 系统在基站发射功率方面可以显著降低。
• 可以使用所提出的基于 GBD 的算法保证全局最优性，并在有限次迭代中收敛。
• 更细的 MA 运动步长在提高性能的同时带来更高的计算复杂性。
• 该框架在达到 SINR 目标所需的天线单元数量方面实现了减少。
• 离散 MA 定位结合联合波束赋形相较固定位置阵列可带来显著性能提升。