[论文解读] Near-Field Wideband Extremely Large-scale MIMO Transmission with Holographic Metasurface Antennas

Jie Xu, You Li+4 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2022

Antenna Design and Analysis被引用 13

一句话总结

本文提出了一种基于全息超表面天线（HMA）的波束合并框架，用于近场超宽带极大规模MIMO（XL-MIMO）上行链路传输。通过引入一种基于球面波的信道模型，该模型同时捕捉了近场效应和双宽带效应，作者提出了一种最小化和均方误差的算法，联合优化HMA波束赋形权重与基带合并器，实现了在相同孔径下优于传统混合式模拟/数字波束赋形的和速率，并接近全数字波束赋形的性能。

ABSTRACT

Extremely large-scale multiple-input multiple-output (XL-MIMO) is the development trend of future wireless communications. However, the extremely large-scale antenna array could bring inevitable nearfield and dual-wideband effects that seriously reduce the transmission performance. This paper proposes an algorithmic framework to design the beam combining for the near-field wideband XL-MIMO uplink transmissions assisted by holographic metasurface antennas (HMAs). Firstly, we introduce a spherical-wave-based channel model that simultaneously takes into account both the near-field and dual-wideband effects. Based on such a model, we then formulate the HMA-based beam combining problem for the proposed XL-MIMO communications, which is challenging due to the nonlinear coupling of high dimensional HMA weights and baseband combiners. We further present a sum-mean-square-error-minimization-based algorithmic framework. Numerical results showcase that the proposed scheme can effectively alleviate the sum-rate loss caused by the near-field and dual-wideband effects in HMA-assisted XL-MIMO systems. Meanwhile, the proposed HMA-based scheme can achieve a higher sum rate than the conventional phase-shifter-based hybrid analog/digital one with the same array aperture.

研究动机与目标

• 为解决XL-MIMO系统中由于近场效应和双宽带效应导致的性能退化问题。
• 设计一种适用于近场超宽带环境下的全息超表面天线（HMA）高效波束合并框架。
• 与传统的全数字或混合波束赋形相比，实现更高的频谱效率，同时降低硬件复杂度和功耗。
• 证明HMA系统即使在亚波长元素间距条件下仍能保持高和速率，有效抑制互耦影响。

提出的方法

• 提出一种基于球面波的信道模型，联合考虑近场效应（距离相关的相位偏移）和双宽带效应（频率相关的响应）。
• 将波束合并问题建模为在高维HMA权重与基带合并器之间存在非线性耦合条件下的和均方误差（SMSE）最小化问题。
• 采用交替优化（AO）框架，结合矩阵向量化与主化-最小化（MM）方法，以处理非凸性与计算复杂度问题。
• 利用MM方法将非凸目标函数迭代逼近为凸代理函数，从而实现收敛至局部最优解。
• 应用矩阵向量化规则，将耦合优化问题转化为适合迭代优化的结构化形式。
• 在波束合并设计中引入MMSE准则，以最小化接收端信号重建的误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于全息超表面天线（HMA）的波束合并框架能否有效缓解XL-MIMO系统中因近场效应和双宽带效应导致的和速率下降？
• RQ2 在近场超宽带场景下，HMA波束赋形的性能与相同阵列孔径的传统混合式模拟/数字波束赋形相比如何？
• RQ3 当元素间距为亚波长时，互耦效应对HMA系统的影响程度如何？
• RQ4 所提出的算法框架能否在显著降低硬件复杂度的前提下，实现接近全数字波束赋形的和速率性能？

主要发现

• 所提出的基于HMA的波束合并方案能有效降低XL-MIMO系统中因近场效应和双宽带效应引起的和速率损失。
• 在相同阵列孔径条件下，HMA系统实现的和速率高于传统混合式模拟/数字波束赋形架构。
• 尽管使用的射频链路数量更少，HMA系统实现的和速率与全数字波束赋形方案相当。
• 即使在亚波长元素间距条件下，HMA系统的和速率性能依然稳健，表明互耦影响极小。
• 所提出的算法框架通过迭代优化，成功处理了HMA权重与基带合并器之间的非线性耦合问题。