[论文解读] The Potential of Using Large Antenna Arrays on Intelligent Surfaces

Sha Hu, Fredrik Rusek+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 5

一句话总结

本文研究了大尺寸智能表面作为大规模阵列天线在无线通信中的应用，表明在单位面积发射功率固定的条件下，单位面积的归一化容量在波长λ→0时趋近于P̄/(2N₀)。推导出每米1维的信号维度为2/λ，每平方米2维/3维的信号维度为π/λ²，展示了在高用户密度下具有高 spectral efficiency（频谱效率）和强鲁棒性。

ABSTRACT

In this paper, we consider capacities of single-antenna terminals communicating to large antenna arrays that are deployed on surfaces. That is, the entire surface is used as an intelligent receiving antenna array. Under the condition that the surface area is sufficiently large, the received signal after matched-filtering (MF) can be well approximated by an intersymbol interference (ISI) channel where channel taps are closely related to a sinc function. Based on such an approximation, we have derived the capacities for both one-dimensional (terminals on a line) and high dimensional (terminals on a plane or in a cube) terminal-deployments. In particular, we analyze the normalized capacity $\bar{\mathcal{C}}$, measured in nats/s/Hz/m$^2$, under the constraint that the transmit power per m$^2$, $\bar{P}$, is fixed. We show that when the user-density increases, the limit of $\bar{\mathcal{C}}$, achieved as the wavelength $λ$ approaches 0, is $\bar{P}/(2N_0)$ nats/s/Hz/m$^2$, where $N_0$ is the spatial power spectral density (PSD) of noise. In addition, we also show that the number of signal dimensions is $2/λ$ per meter deployed surface for the one-dimensional case, and $π/λ^2$ per m$^2$ deployed surface for two and three dimensional terminal-deployments.

研究动机与目标

• 分析智能表面作为大规模接收阵列天线时的信息传输容量。
• 确定在单位面积发射功率固定的条件下，频谱效率的根本极限。
• 量化在一维、二维和三维终端部署中可用于空间复用的独立信号维度数量。
• 评估在匹配滤波和最优检测下的性能表现，尤其在用户密度增加时的表现。

提出的方法

• 使用自由空间视 Line-of-Sight（视距）传播模型，对大平面表面的接收信号进行建模，假设终端为全向辐射源。
• 应用匹配滤波（MF）提取信号，将等效信道建模为具有近似sinc函数响应的符号间干扰（ISI）信道。
• 利用统计信号处理与频谱效率分析方法，推导出一维（线性）和二维/三维（平面/立方体）终端部署的容量表达式。
• 利用sinc近似，解析推导出独立信号维度的数量：每米1维为2/λ，每平方米2维/3维为π/λ²。
• 在单位面积发射功率P̄固定的条件下，计算归一化容量C̄（单位：nat/s/Hz/m²），分析λ→0时的收敛性。
• 通过数值仿真验证结果，采用最优接收机和匹配滤波接收机，在不同终端密度和波长条件下进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 当单位面积发射功率固定且波长趋近于零时，智能表面的根本容量极限是什么？
• RQ2 在一维、二维和三维终端部署中，单位面积可支持的空间复用独立信号维度数量是多少？
• RQ3 归一化容量如何随用户密度增加和波长减小而变化？
• RQ4 在高用户负载下，匹配滤波性能与最优检测在容量和鲁棒性方面相比如何？
• RQ5 在实际部署场景中，终端分布（规则分布与随机分布）对可实现容量有何影响？

主要发现

• 在单位面积发射功率固定的条件下，当波长λ趋近于零时，归一化容量C̄收敛至P̄/(2N₀) nat/s/Hz/m²。
• 在一维终端部署中，每米的独立信号维度数量为2/λ。
• 在二维和三维部署中，每平方米的独立信号维度数量为π/λ²。
• 数值结果表明，即使是一个小型智能表面，也能在中等大小的房间内支持近100名用户，且每个用户的容量与单用户链路相当。
• 匹配滤波接收机实现了接近最优的性能，并在终端间距Δx减小时趋于收敛，尽管仍劣于最优接收机。
• 系统在用户密度增加时表现出强鲁棒性，尽管存在干扰，每个用户的容量仍保持稳定，显示出在大规模连接方面的巨大潜力。