Sparse Array Design for Near-Field MU-MIMO: Reconfigurable Array Thinning Approach

Technische Samenvatting: Ontwerp van een verspreid array voor Near-Field MU-MIMO via herschikbare arrayverdunning

Probleemstelling
Toekomstige draadloze netwerken worden verwacht om massale antennearrays in te zetten die opereren in het stralende nabijveld (NF)-regime. In tegenstelling tot ver-veldsystemen, waarbij gebruikers uitsluitend in het hoekdomein worden gemultiplexed, maakt NF-propagatie ruimtelijke multiplexing mogelijk over zowel hoek als afstand. Het realiseren van grote apertuurarrays met halve-golflengte-afstand vereist echter duizenden elementen, wat leidt tot verbodshoogte hardwarekosten, energieverbruik en computationele complexiteit. Hoewel verspreide arrays een oplossing bieden door de afstand tussen elementen te vergroten om ruimtelijke correlatie te verminderen, lijden vaste uniforme verspreide arrays aan gratinglobes die sterke interferentie veroorzaken. Bestaande alternatieven, zoals beweegbare antenne (MA)-architecturen, vertrouwen op mechanische herpositionering om zich aan te passen aan gebruikersverdelingen, wat latentie en hardwarecomplexiteit introduceert. Bovendien vertrouwen conventionele antennekeuzemethoden doorgaans op instantane kanaalstatusinformatie (CSI) voor prestatie-indicatoren, maar formuleren het probleem niet expliciet als een gestructureerd ontwerp voor een verspreid array. Er ontbreekt een oplossing die dynamische aanpasbaarheid biedt zonder mechanische beweging of overmatige computationele overhead, met name wat betreft het gedrag van gratinglobes in het afstands domein.

Methodologie
De auteurs stellen een raamwerk voor herschikbare arrayverdunning voor. In deze aanpak blijft een volledige dichte uniforme lineaire array (FULA) fysiek vast, maar wordt een subset van antennes selectief geactiveerd via een RF-schakelnetwerk om een flexibele verspreid array te vormen. Het activeringspatroon wordt bepaald door een binaire verdunningsvector $\mathbf{b}$.

Het artikel vestigt eerst een theoretische basis met betrekking tot gratinglobes in het nabijveld:

1. Hoekdomein: Gratinglobes treden op wanneer de faseverschuiving tussen aangrenzende elementen gelijk is aan een geheel veelvoud van $2\pi$, afhankelijk van de stuurhoek.
2. Afstandsdomein: Door analyse van de NF-arrayresponsvector tonen de auteurs aan dat gratinglobes niet voorkomen langs de afstandsdimensie. De fasevariatie is kwadratisch in plaats van lineair, wat een coherente heruitlijning van elementfases op specifieke afstanden verhindert. In plaats daarvan worden slechts kleine rimpelingen waargenomen.

Op basis van deze analyse ontwikkelen de auteurs twee op Particle Swarm Optimization (PSO) gebaseerde strategieën om de optimale verdunningsvector $\mathbf{b}$ te bepalen:

• Grating-Lobe-Based Thinned Array (GTA): Een voor-geoptimaliseerd ontwerp dat de Peak Sidelobe Level (PSLL) in het hoekdomein minimaliseert om gratinglobes te onderdrukken. Deze aanpak gebruikt een continue relaxatie-PSO om het verdunningspatroon offline te optimaliseren op basis van statistische beperkingen, waarbij de onderdrukking van lobben over een dekkinginterval wordt gewaarborgd.
• Sum-Rate-Based Thinned Array (STA): Een dynamisch ontwerp dat de multi-user som-rate direct maximaliseert. Deze methode optimaliseert de verdunningsvector online (of voor specifieke kanaalrealisaties) met de behaalde som-rate als doelstelling, onder de aanname van kennis van gebruikerslocaties (hoek en afstand).

Beide methoden maken gebruik van een PSO-raamwerk waarbij deeltjes continue prioriteitsvectoren vertegenwoordigen die worden gemapt naar binaire activeringsbeslissingen, waarbij een vast aantal actieve antennes ($N_T$) wordt afgedwongen en randelementen worden behouden om de apertuurgrootte te handhaven.

Belangrijkste bijdragen

1. Theoretisch inzicht: Het artikel biedt de eerste analyse die bevestigt dat, hoewel gratinglobes bestaan in het hoekdomein voor verspreide arrays in het nabijveld, deze afwezig zijn in het afstands domein. Deze bevinding vereenvoudigt de ontwerprichtlijnen voor NF-verspreide arrays.
2. Nieuw raamwerk: Het introduceert de eerste toepassing van arrayverdunning specifiek voor nabijveldcommunicatie, waarbij het wordt onderscheiden van conventionele antennekeuze door het te behandelen als een gestructureerd ontwerpprobleem voor een verspreid array.
3. Dubbele optimalisatiestrategieën: Het voorstellen van twee verschillende op PSO gebaseerde strategieën:
   • GTA: Biedt een praktische, voor-geoptimaliseerde oplossing die gratinglobes onderdrukt zonder real-time gebruikersvolging te vereisen.
   • STA: Biedt een hoogpresterende oplossing die dynamisch de som-rate maximaliseert, en de kloof overbrugt tussen vaste verspreide arrays en complexe beweegbare antennesystemen.
4. Efficiëntie: De aanpak vermijdt de mechanische latentie en complexiteit van beweegbare antennes, terwijl het betere aanpasbaarheid biedt dan statische verspreide arrays.

Simulatie resultaten
De voorgestelde ontwerpen werden geëvalueerd tegenover benchmarks, waaronder een volledige ULA (FULA), een beweegbare ULA (MULA), een voor-geoptimaliseerd verdunt array (PTA) en een uniforme verspreide ULA (SULA). Belangrijkste bevindingen zijn:

• Onderdrukking van gratinglobes: GTA onderdrukt gratinglobes effectief in het hoekdomein over verschillende afstanden en presteert beter dan de conventionele SULA, die sterke lobben vertoont.
• Prestaties van de som-rate:
  • De STA bereikt prestaties die vergelijkbaar zijn met de MULA (die fysieke herpositionering vereist) en bereikt ongeveer 75% van de FULA som-rate terwijl slechts 10% van de actieve elementen wordt gebruikt (32 van de 320 antennes).
  • De GTA presteert vergelijkbaar met de PTA, wat aantoont dat onderdrukking van gratinglobes interferentie effectief reduceert.
  • Hoewel GTA en PTA iets lagere som-rates hebben (ongeveer 5% lager) dan STA vanwege verhoogde zijlobben door onregelmatige afstand, bieden ze het voordeel van offline optimalisatie.
• Gedrag in het afstandsdomein: Simulaties bevestigen dat wanneer gebruikers in hoek zijn uitgelijnd maar gescheiden in afstand, de SULA bijna identiek presteert aan de FULA, wat de theoretische afwezigheid van gratinglobes in het afstandsdomein valideert.
• Complexiteit: De op PSO gebaseerde STA is computationeel efficiënter dan MULA-optimalisatie omdat deze werkt op een discrete selectieruimte in plaats van een continue positieruimte, waardoor minder iteraties nodig zijn om te convergeren.

Betekenis en claims
Het artikel beweert dat herschikbare arrayverdunning een praktische en efficiënte implementatiestrategie biedt voor Near-Field MU-MIMO-systemen. Door de noodzaak van mechanische beweging te elimineren (in tegenstelling tot MULA) en de suboptimaliteit van vaste verspreide arrays onder dynamische gebruikersverdelingen te overwinnen, balanceert het voorgestelde raamwerk hardware-efficiëntie met hoge spectrale efficiëntie. De auteurs merken bescheiden op dat, hoewel STA frequente updates vereist op basis van kanaalgeometrie, GTA en PTA robuuste voor-geoptimaliseerde alternatieven bieden. Het werk suggereert dat arrayverdunning een vlotte prestatiedegradering en hardware-efficiëntie mogelijk maakt, omdat defecte elementen kunnen worden gedeactiveerd en de configuratie opnieuw kan worden geoptimaliseerd. Toekomstig werk wordt geïdentificeerd als het verkennen van oplossingen op basis van deep learning om de computationele complexiteit van de huidige PSO-aanpak verder te verminderen.