可移動(dòng)天線輔助寬帶通信的性能分析和優(yōu)化

可移動(dòng)天線 (MA) 已成為一種很有前景的技術(shù)，通過在發(fā)射器 (Tx) 和/或接收器 (Rx) 處實(shí)現(xiàn)天線的本地移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)更有利的信道條件，從而增強(qiáng)無線通信性能。 由于現(xiàn)有的MA輔助無線通信研究主要考慮平坦衰落信道中的窄帶傳輸，因此本文研究了頻率選擇性衰落信道中采用正交頻分復(fù)用（OFDM）的MA輔助寬帶通信。 在一般的多抽頭場(chǎng)響應(yīng)信道模型下，無線信道在空間和頻率上的變化通過MA的不同位置來表征。 與窄帶傳輸不同，在窄帶傳輸中，Tx/Rx 處的最佳 MA 位置只是最大化單抽頭信道幅度，而寬帶情況下的 MA 位置需要平衡多個(gè)信道抽頭的幅度和相位，以便最大化 OFDM 傳輸 多個(gè)頻率子載波上的速率。 首先，當(dāng)天線移動(dòng)的 Tx/Rx 區(qū)域的大小任意大時(shí)，我們得出閉式 OFDM 可實(shí)現(xiàn)速率的上限。 接下來，我們開發(fā)了一種并行貪婪上升 (PGA) 算法，以獲得 MA 位置的局部最優(yōu)解，以實(shí)現(xiàn)有限大小 Tx/Rx 區(qū)域的 OFDM 速率最大化。 為了降低計(jì)算復(fù)雜度，還提供了簡(jiǎn)化的 PGA 算法，以更有效地優(yōu)化 MA 的位置。 仿真結(jié)果表明，隨著 Tx/Rx 區(qū)域尺寸的增加，所提出的 PGA 算法可以接近 OFDM 速率上限，并且在寬帶信道設(shè)置下優(yōu)于具有固定位置天線 (FPA) 的傳統(tǒng)系統(tǒng)。

英文原文名 ： Performance Analysis and Optimization for
Movable Antenna Aided Wideband Communications

采用方法：PGA（投影梯度下降）

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可移動(dòng)天線通過天線位置優(yōu)化增強(qiáng)多用戶通信

英文原文名 ：Movable-Antenna Enhanced Multiuser
Communication via Antenna Position Optimization

abstract

可移動(dòng)天線 (MA) 是一項(xiàng)很有前景的技術(shù)，可通過改變收發(fā)器給定有限區(qū)域內(nèi)的天線位置來創(chuàng)造更有利的信道條件，從而提高無線通信性能。 在本文中，我們研究了 MA 增強(qiáng)型多址信道 (MAC)，用于從每個(gè)配備單個(gè) MA 的多個(gè)用戶到具有固定位置天線 (FPA) 陣列的基站 (BS) 的上行鏈路傳輸。 基于場(chǎng)響應(yīng)的信道模型用于表征基站天線陣列與每個(gè)用戶的具有靈活位置的MA之間的多徑信道。 為了評(píng)估 MA 提供的 MAC 性能增益，我們制定了一個(gè)優(yōu)化問題，以最小化用戶的總發(fā)射功率，并滿足每個(gè)用戶的最小可實(shí)現(xiàn)速率要求，其中 MA 的位置和用戶的發(fā)射功率為 以及BS的接收組合矩陣被聯(lián)合優(yōu)化。 為了解決涉及復(fù)雜耦合變量的非凸優(yōu)化問題，我們分別開發(fā)了兩種基于迫零（ZF）和最小均方誤差（MMSE）組合方法的算法。 具體來說，對(duì)于每種算法，BS的組合矩陣和用戶的總發(fā)射功率被表示為MA位置向量的函數(shù)，然后使用所提出的多向下降（MDD）框架對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。 結(jié)果表明，所提出的基于 ZF 和基于 MMSE 的 MDD 算法可以以較低的計(jì)算復(fù)雜度收斂到高質(zhì)量的次優(yōu)解。 仿真結(jié)果表明，與在完美和不完美場(chǎng)響應(yīng)信息下采用天線選擇的傳統(tǒng) FPA 系統(tǒng)相比，所提出的 MA 增強(qiáng)型多址接入系統(tǒng)解決方案可以顯著降低用戶的總發(fā)射功率。

采用方法：MDD。多向下降。

introduction

隨著多輸入多輸出 (MIMO) 技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)今無線通信系統(tǒng)的容量通過利用空間域中的新自由度 (DoF) 得到了顯著提高。 通過利用多徑分量隨機(jī)疊加引起的獨(dú)立/準(zhǔn)獨(dú)立信道衰落，MIMO系統(tǒng)可以支持同一時(shí)頻資源塊中多個(gè)數(shù)據(jù)流的并行傳輸[1]-[3]。 因此，與單天線系統(tǒng)相比，MIMO 和/或大規(guī)模 MIMO 技術(shù)可以提高頻譜效率。 然而，傳統(tǒng)的MIMO和/或大規(guī)模MIMO系統(tǒng)通常采用固定位置天線（FPA），其收發(fā)器間距不小于半波長(zhǎng)[4]-[8]。 這種固定且離散的天線部署限制了MIMO系統(tǒng)的分集和空間復(fù)用性能，因?yàn)檫B續(xù)空間場(chǎng)中的信道變化沒有得到充分利用。

最近，可移動(dòng)天線（MA）作為一種新的解決方案被提出，以打破 FPA 系統(tǒng)的上述基本限制[9]、[10]。 具體來說，MA通過柔性電纜連接到射頻（RF）鏈，并且可以在驅(qū)動(dòng)器的幫助下在空間區(qū)域中移動(dòng)。 MA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)類似于廣泛探索的分布式天線系統(tǒng)[11]-[13]，但前者采用更短的連接電纜，因?yàn)樘炀€移動(dòng)的空間區(qū)域的大小約為幾個(gè)到幾十個(gè)波長(zhǎng) 僅[14]、[15]。 例如，[14]中的作者提出了一種用于實(shí)現(xiàn)多靜態(tài)雷達(dá)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的MA，其中發(fā)射和接收天線可以借助機(jī)械掃描儀沿著平行線獨(dú)立移動(dòng)。 在[15]中，設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)天線陣列，其陣元沿著半圓形路徑移動(dòng)以合成輻射方向圖。 文獻(xiàn)[16]的作者提出在地面機(jī)器人車輛上集成MA，以提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的可觀測(cè)性。 在[17]中，設(shè)計(jì)了概念驗(yàn)證硬件，用于使用單個(gè)移動(dòng)全向天線進(jìn)行測(cè)向。 在[18]中，提出了一種可重構(gòu)的均勻線性陣列（ULA），通過旋轉(zhuǎn)天線陣列來接近視距（LoS）MIMO容量，這可以被視為在天線陣列中實(shí)現(xiàn)MA的實(shí)用方法。 管制區(qū)。

對(duì)于無線通信系統(tǒng)，MA可以快速部署到信道條件更有利的位置，以提高發(fā)送器（Tx）和接收器（Rx）之間的通信性能。 與傳統(tǒng)的 FPA 系統(tǒng)相比，支持 MA 的通信系統(tǒng)具有一些吸引人的優(yōu)勢(shì) [9]、[10]、[19]。 首先，MA系統(tǒng)可以在給定的空間區(qū)域中獲得充分的多樣性。 與經(jīng)歷隨機(jī)和不受控制的信道衰落的傳統(tǒng) FPA 不同，Tx 和/或 Rx 處的 MA 可以部署在 Tx 和 Rx 之間實(shí)現(xiàn)最高信道增益的位置。 因此，充分利用空間域中信道的小規(guī)模衰落來提高 Rx 處的信噪比 (SNR)。 其次，MA系統(tǒng)可以提供干擾抑制增益。 由于具有靈活移動(dòng)的能力，Rx處的MA可以部署在與干擾源經(jīng)歷深衰落信道的位置。 因此，即使沒有多個(gè)天線，通過利用空間 DoF 也可以顯著提高 Rx 處的信號(hào)干擾加噪聲比 (SINR)。 第三，支持MA的MIMO系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的空間復(fù)用率。 通過優(yōu)化多個(gè)MA的位置，可以重塑Tx和Rx之間的信道矩陣，使得MIMO容量最大化。

對(duì)支持 MA 的通信系統(tǒng)的初步研究已經(jīng)驗(yàn)證了其在各種系統(tǒng)設(shè)置中相對(duì)于傳統(tǒng) FPA 系統(tǒng)的性能增益 [9]、[10]、[19]-[24]。 在[9]中，提出了單MA系統(tǒng)的機(jī)械MA架構(gòu)和基于場(chǎng)響應(yīng)的信道模型，其中基于場(chǎng)響應(yīng)的信道模型成為眾所周知的LoS信道、幾何信道、瑞利信道和 討論了萊斯衰落信道模型。 此外，還分析了確定性和隨機(jī)信道下單個(gè)接收 MA 相對(duì)于 FPA 對(duì)應(yīng)物獲得的 SNR 增益。 分析和仿真結(jié)果表明，MA 系統(tǒng)的性能增益很大程度上取決于信道路徑的數(shù)量和移動(dòng)天線的空間區(qū)域的大小。 在[10]中，研究了支持MA的MIMO系統(tǒng)，其中Tx和Rx處的MA位置與發(fā)射信號(hào)的協(xié)方差矩陣聯(lián)合優(yōu)化，以最大化信道容量。 為了解決這個(gè)非凸問題，在其他變量固定的情況下，通過迭代優(yōu)化每個(gè)發(fā)射/接收 MA 的位置和發(fā)射協(xié)方差矩陣，開發(fā)了交替優(yōu)化算法。 仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的支持 FPA 的 MIMO 系統(tǒng)（有/無天線選擇）相比，支持 MA 的 MIMO 系統(tǒng)可以顯著提高信道容量。 在[19]中，提出了用于實(shí)現(xiàn)MA的基于電機(jī)的架構(gòu)，其中MA安裝在由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三維（3D）機(jī)械滑塊上。 此外，文獻(xiàn)[19]還概述了MA輔助無線通信的應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)潛力、挑戰(zhàn)和解決方案。 [21]中的作者提出了MA的另一種實(shí)現(xiàn)方式，即流體天線系統(tǒng)（FAS），其中天線是使用液態(tài)金屬或電離溶液制造的[25]-[27]，并且可以放置在其中一個(gè) 一維 (1D) 行空間中的候選端口。 通過假設(shè)均勻散射環(huán)境，基于空間相關(guān)瑞利衰落信道的近似推導(dǎo)出單天線 FAS 的中斷概率。 然后，將結(jié)果擴(kuò)展到[22]中的多用戶系統(tǒng)，其中多個(gè)收發(fā)器可以同時(shí)發(fā)送/接收信號(hào)，并通過在每個(gè)用戶的接收處切換流體天線的物理位置來減輕干擾。 結(jié)果表明，如果信道衰落在空間域中足夠突出，則通過使用在幾個(gè)波長(zhǎng)的線空間中移動(dòng)的一根流體天線，數(shù)百個(gè)用戶可以同時(shí)通信。 在[23]中，研究了FAS的端口選擇，以接近Rx處的最大SNR，其中使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來捕獲緊密間隔的天線端口之間的隱式信道相關(guān)性，以減少端口觀測(cè)的數(shù)量。 考慮到[21]-[23]中采用的信道模型不準(zhǔn)確，[24]中的作者提出了一種新的FAS信道解析近似，并且FAS信道模型在近似信道之間的空間相關(guān)性方面取得了良好的性能。 天線端口，即杰克的模型。

上述兩種類型的MA實(shí)現(xiàn)，即[9]、[10]中提出的機(jī)械MA和[21]-[24]中所示的FAS，都利用了空間域中的分集增益和干擾抑制增益 通過調(diào)整 MA 的位置。 然而，它們?cè)谟布軜?gòu)和通道模型方面存在顯著差異。 一方面，[9]、[10]中采用的機(jī)械MA可以在二維（2D）或3D空間中實(shí)現(xiàn)更靈活的移動(dòng)，但需要額外的硬件成本來安裝驅(qū)動(dòng)程序來移動(dòng)天線。 相比之下，FAS很容易集成到小面積中，但由于液體形式，天線只能在一維線空間中移動(dòng)，難以形成天線陣列。 另一方面，在[21]-[24]中，均勻散射假設(shè)下的1D線空間中基于端口的信道模型可能不適用于3D空間中具有有限數(shù)量的散射和多路徑的實(shí)際系統(tǒng) 。 由于基于端口的信道模型的離散形式，[21]-[24]中的工作只能詳盡地搜索離散集中的最佳天線端口/位置，這類似于傳統(tǒng)天線選擇系統(tǒng)中采用的方法 。 相比之下，[9]中提出的基于場(chǎng)響應(yīng)的信道模型描述了遠(yuǎn)場(chǎng)條件下連續(xù) 1D/2D/3D 空間區(qū)域中 Tx 和 Rx 之間的信道變化。 在這種信道模型下，可以在連續(xù)的Tx/Rx區(qū)域中優(yōu)化天線位置，這為設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)提供了新的范例。

鑒于上述情況，本文考慮機(jī)械MA結(jié)構(gòu)和基于場(chǎng)響應(yīng)的信道模型來研究MA增強(qiáng)的多址信道（MAC）。 具體來說，每個(gè)配備有單個(gè)MA的多個(gè)用戶由配備有FPA陣列的基站（BS）提供服務(wù)。 盡管現(xiàn)有文獻(xiàn)[28]-[32]對(duì)多天線多用戶通信系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究，但這些工作主要集中在FPA系統(tǒng)上，而沒有考慮或充分利用天線位置優(yōu)化中的DoF。 為了評(píng)估 MA 提供的性能增益，必須表征 BS 天線陣列與在給定 3D 空間區(qū)域中移動(dòng)的每個(gè)用戶天線之間的信道變化。 因此，采用[9]中基于場(chǎng)響應(yīng)的信道模型來實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶的MA位置優(yōu)化，而信道模型從2D表面擴(kuò)展到3D空間。 基于該信道模型，我們制定了一個(gè)優(yōu)化問題，以最小化用戶的總發(fā)射功率，并滿足上行鏈路中每個(gè)用戶的最小可實(shí)現(xiàn)速率要求，其中MA的位置和用戶的發(fā)射功率，以及 BS的接收組合矩陣被聯(lián)合優(yōu)化。 由于產(chǎn)生的問題是非凸的并且涉及高度耦合的變量，我們開發(fā)了兩種基于迫零（ZF）和最小均方誤差（MMSE）組合方法的算法，以低計(jì)算復(fù)雜性獲得高質(zhì)量的次優(yōu)解。 對(duì)于每種算法，BS 的組合矩陣和用戶的發(fā)射功率被表示為 MA 位置向量的函數(shù)，然后使用所提出的多向下降（MDD）框架對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。 分析了所提出的兩種算法的收斂性，并提出了單用戶情況的替代解決方案。 仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的 MA 增強(qiáng)型多址系統(tǒng)的有效性，與采用天線選擇 (AS) 的傳統(tǒng) FPA 系統(tǒng)相比，多個(gè)用戶的總發(fā)射功率可以顯著降低。 結(jié)果還表明，對(duì)于更多用戶和更高的可實(shí)現(xiàn)速率目標(biāo)，MA 系統(tǒng)相對(duì)于 FPA 系統(tǒng)的干擾抑制增益變得更加明顯。 此外，MA的性能增益很大程度上取決于BS和用戶之間的信道路徑的數(shù)量以及移動(dòng)天線的空間區(qū)域的大小。 此外，我們還評(píng)估了不完善的場(chǎng)響應(yīng)信息 (FRI) 對(duì) MA 定位解決方案的影響。 結(jié)果表明，即使信道路徑的估計(jì)角度和系數(shù)不準(zhǔn)確，所提出的算法也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的性能。

本文的其余部分安排如下。 第二節(jié)介紹了 MA 增強(qiáng)型多址系統(tǒng)的信號(hào)模型和基于場(chǎng)響應(yīng)的信道模型，然后提出了 MA 位置優(yōu)化的問題公式。 在第三節(jié)中，我們展示了用于解決優(yōu)化問題的基于 ZF 和基于 MMSE 的 MDD 解決方案，其中分析了收斂性和計(jì)算復(fù)雜性。 第四節(jié)提供了模擬結(jié)果和主要觀察結(jié)果，最后第五節(jié)對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)。