[论文解读] Tri-Polarized Holographic MIMO Surface in Near-Field: Channel Modeling and Precoding Design

Li Wei, Chongwen Huang+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2022

Antenna Design and Analysis被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种用于近场多用户无线通信的三极化全息MIMO表面（TP-HMIMOS），通过基于双矢量格林函数的信道建模以及两种预编码方案——用户聚类预编码与两层预编码，有效缓解了交叉极化与用户间干扰。关键结果表明，在近场区域，TP-HMIMOS的频谱效率相比传统HMIMOS最高提升3倍，相比双极化HMIMOS提升1.25倍。

ABSTRACT

This paper investigates the utilization of triple polarization (TP) for multi-user (MU) holographic multiple-input multi-output surface (HMIMOS) wireless communication systems, targeting capacity boosting and diversity exploitation without enlarging the antenna array sizes. We specifically consider that both the transmitter and receiver are both equipped with an HMIMOS consisting of compact sub-wavelength TP patch antennas within the near-field (NF) regime. To characterize TP MU-HMIMOS systems, a TP NF channel model is constructed using the dyadic Green's function, whose characteristics are leveraged to design two precoding schemes for mitigating the cross-polarization and inter-user interference contributions. Specifically, a user-cluster-based precoding scheme assigns different users to one of three polarizations at the expense of the system's diversity, and a two-layer precoding scheme removes interference using the Gaussian elimination method at a high computational cost. The theoretical correlation analysis for HMIMOS in the NF region is also investigated, revealing that both the spacing of transmit patch antennas and user distance impact transmit correlation factors. Our numerical results show that the users far from transmitting HMIMOS experience higher correlation than those closer within the NF regime, resulting in a lower channel capacity. Meanwhile, in terms of channel capacity, TP HMIMOS can almost achieve 1.25 times gain compared with dual-polarized HMIMOS, and 3 times compared with conventional HMIMOS. In addition, the proposed two-layer precoding scheme combined with two-layer power allocation realizes a higher spectral efficiency than other schemes without sacrificing diversity.

研究动机与目标

• 为解决紧凑阵列中高空间相关性导致全息MIMO表面（HMIMOS）性能饱和的问题。
• 通过三极化（TP）贴片天线探索极化多样性，以在不增加阵列尺寸的前提下提升频谱效率。
• 建立一种包含全极化与空间相关性的近场信道模型，用于TP-HMIMOS系统。
• 设计干扰感知的预编码方案，以在多用户场景中缓解交叉极化与用户间干扰。
• 分析阵列几何结构与用户距离对近场HMIMOS中空间相关性与自由度（DoF）的影响。

提出的方法

• 基于双矢量格林函数，构建三极化近场信道模型，用于表征共极化与交叉极化信道响应。
• 提出一种基于用户聚类的预编码方案，将用户分配至三种极化之一，以牺牲分集增益换取更低复杂度。
• 引入一种两层预编码方案，利用高斯消去法同时抑制用户间干扰与交叉极化干扰，但计算开销较高。
• 推导出与发射贴片间距及近场区域用户距离相关的空间相关性因子的理论表达式。
• 提出两种功率分配（PA）策略：基于极化选择的PA与两层PA，与预编码结合以优化频谱效率。
• 通过有效信道矩阵的奇异值分解（SVD）计算各极化模式下的频谱效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不增加阵列尺寸的前提下，三极化如何提升近场全息MIMO表面的频谱效率？
• RQ2 发射贴片间距与用户距离对近场TP-HMIMOS中空间相关性与自由度（DoF）有何影响？
• RQ3 不同预编码方案（基于用户聚类与两层）在抑制交叉极化与用户间干扰方面的性能如何比较？
• RQ4 在近场区域，TP-HMIMOS相比双极化与传统HMIMOS的频谱效率增益是多少？
• RQ5 在两层预编码方案中，用户数量如何影响不同功率分配策略之间的性能差距？

主要发现

• 在近场区域，TP-HMIMOS的频谱效率相比传统HMIMOS最高提升3倍，相比双极化HMIMOS提升1.25倍。
• 距离HMIMOS越远的用户（如5λ处）比距离较近的用户（如λ处）具有更高的空间相关性，从而降低信道容量。
• 结合两层预编码与两层功率分配的方案能通过充分利用全部三种极化模式，实现最高的频谱效率。
• 随着用户数量增加，两层PA与基于极化选择的PA之间的性能差距减小，这是由于信道奇异性降低所致。
• HMIMOS的形状影响自由度：在固定孔径面积下，16λ×4λ的矩形结构比32λ×2λ的矩形结构具有更高的自由度，因其空间相关性更低。
• HMIMOS的自由度（DoF）受限于阵列尺寸与几何结构，当发射天线数量增加时，DoF趋于饱和。