基於可移動天線的近場多用戶通訊：節能的動態鄰域修剪粒子群優化方法

Kernkonzepte

本文提出了一種基於可移動天線的近場多用戶下行鏈路通訊系統，透過聯合優化波束賦形和移動天線位置來最大程度地減少傳輸功率，並提出了一種雙迴路動態鄰域修剪粒子群優化演算法，在顯著降低計算複雜度的同時實現了與標準粒子群優化演算法相似的性能。

Zusammenfassung

基於可移動天線的近場多用戶通訊

標題：基於可移動天線的近場多用戶通訊
作者：丁景澤、朱立鵬、周子健、焦秉立、張瑞
出處：arXiv:2408.10552v2 [eess.SP] 7 Nov 2024

本研究旨在探討在近場通道條件下，基於可移動天線的多用戶下行鏈路通訊系統的性能。具體而言，研究目標是透過聯合優化波束賦形和移動天線位置，最小化基站的傳輸功率，同時滿足用戶的個體速率約束。

Wichtige Erkenntnisse aus

Near-Field Multiuser Communications Aided by Movable Antennas

by Jingze Ding,... um arxiv.org 11-08-2024

https://arxiv.org/pdf/2408.10552.pdf

Tiefere Fragen

在實際應用中，如何準確地獲取通道狀態信息以實現可移動天線的優化？

在實際應用中，準確獲取通道狀態信息 (Channel State Information, CSI) 對於可移動天線系統的優化至關重要。由於可移動天線引入了額外的自由度，傳統的通道估計方法需要進行改進才能適應這種新的系統架構。以下列舉幾種可行的 CSI 獲取方法：

基於導頻的通道估計： 與傳統的 MIMO 系統類似，可以利用 BS 發送的導頻信號進行通道估計。然而，由於可移動天線的位置是可變的，因此需要設計專門的導頻傳輸方案和估計算法。例如，可以採用壓縮感知技術來降低導頻開銷，並利用天線位置信息來提高估計精度。
基於反饋的通道估計： 用戶可以估計其接收到的信號，並將 CSI 反饋給 BS。考慮到反饋開銷的限制，可以採用量化或稀疏反饋等技術來降低反饋量。此外，還可以利用用戶的位置信息來進一步提高反饋的效率和準確性。
基於深度學習的通道估計： 近年來，深度學習在無線通訊領域展現出巨大的潜力。可以利用深度神經網絡來學習通道的統計特性，並根據接收到的信號和天線位置信息來預測 CSI。這種方法可以有效地應對複雜的通道環境，並具有較高的估計精度。

需要注意的是，可移動天線系統的 CSI 獲取需要考慮通道的時變特性和天線移動帶來的額外開銷。因此，設計高效、準確的 CSI 獲取方案是實現可移動天線系統性能提升的關鍵。

如果考慮用戶移動性和通道變化，該方案的性能會如何變化？

考慮用戶移動性和通道變化時，原文提出的方案性能會受到一定影響，主要體現在以下幾個方面：

通道估計誤差增加： 用戶移動和通道變化會導致 CSI 獲取更加困難，估計誤差增大。這會影響波束成形和天線位置的優化，進而降低系統性能。
系統開銷增加： 為了應對時變通道，需要頻繁地進行通道估計和優化，這會增加系統的信令開銷和計算複雜度。
算法收斂速度變慢： 由於通道變化，優化算法可能需要更多的迭代才能收斂到最優解，這會影響系統的實時性。

為了應對這些挑戰，可以考慮以下改進方案：

設計低開銷、高精度的 CSI 獲取方案： 例如，可以採用基於預測的通道估計方法，利用歷史 CSI 信息來預測未來通道狀態，減少導頻開銷。
開發快速收斂的優化算法： 例如，可以採用基於機器學習的優化算法，根據通道變化趨勢快速調整天線位置和波束成形。
考慮用戶移動性預測： 可以利用用戶的位置信息和移動軌跡預測其未來位置，提前調整天線位置和波束成形，降低移動性帶來的影響。

總之，考慮用戶移動性和通道變化時，需要對原文提出的方案進行改進和優化，才能保證其在實際應用中的性能。

可移動天線技術如何與其他新興技術（如毫米波、太赫茲通訊）相結合，以進一步提升未來無線通訊系統的性能？

可移動天線技術與毫米波、太赫茲通訊等新興技術的結合，將為未來無線通訊系統帶來更廣闊的發展空間，主要體現在以下幾個方面：

克服高頻段傳播損耗： 毫米波和太赫茲通訊使用更高的頻段，雖然可以提供更大的帶寬，但也面臨著更嚴重的傳播損耗。可移動天線技術可以通過動態調整天線位置和波束方向，實現更精準的波束賦形，從而克服高頻段傳播損耗，擴展信號覆蓋範圍。
提高頻譜效率： 毫米波和太赫茲通訊擁有豐富的頻譜資源，但如何高效利用這些資源是提升系統容量的關鍵。可移動天線技術可以通過空間复用技術，在同一時間、同一頻段上服務多個用戶，從而提高頻譜效率，提升系統容量。
實現更灵活的网络部署： 毫米波和太赫茲通訊的波長較短，更容易被障礙物阻擋，因此需要更密集的基站部署。可移動天線技術可以通過調整天線位置和波束方向，動態地適應不同的网络拓撲結構，降低基站部署密度，實現更灵活的网络部署。

以下列舉幾種可行的技術結合方案：

毫米波/太赫茲 MIMO 系统： 将可移动天线技术应用于毫米波/太赫茲 MIMO 系统中，可以更有效地利用空间资源，提高系统容量和覆盖范围。
可重构智能反射面 (Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)： RIS 可以通过反射信号来改变信号传播路径，与可移动天线技术结合可以实现更灵活的波束赋形和干扰管理。
无人机 (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 通讯： 将可移动天线技术应用于 UAV 通讯中，可以根据 UAV 的位置和飞行轨迹动态调整天线方向，保证稳定的通信链路。

总而言之，可移动天线技术与毫米波、太赫茲通訊等新興技術的结合，将为未来无线通訊系统带来更高的数据速率、更低的延迟和更广的覆盖范围，推动无线通訊技术向更高、更快、更强的方向发展。