مقاله طراحی سیستم آنتن متحرک کند بر اساس طیف توان زا درازمدت مختص سلول

آنتن متحرک (MA) اخیراً به عنوان یک پارادایم امیدوارکننده برای بهبود عملکرد ارتباطات بی‌سیم با بهره‌برداری از درجات آزادی فضایی از طریق جابجایی انعطاف‌پذیر آنتن ظهور کرده است. با این حال، اکثر طرح‌های موجود به اطلاعات وضعیت کانال (CSI) آنی/آماری کوتاه‌مدت و مختص کاربر متکی هستند که به دلیل حرکت مکرر آنتن، سربار و پیچیدگی بیش از حد تخمین کانال را به همراه دارد. برای حل این مشکل، این مقاله یک چارچوب طراحی جدید برای بهینه‌سازی موقعیت آنتن در مقیاس زمانی بسیار طولانی‌تر بر اساس اطلاعات کانال آماری در سطح سلول که در ایستگاه پایه (BS) به دست می‌آید، ارائه می‌دهد. بدین منظور، یک مدل کانال آماری مختص سلول برای سیستم‌های ارتباطی چندکاربره با کمک MA توسعه داده شده است، که بر اساس آن چارچوب بهینه‌سازی موقعیت آنتن برای حداکثر کردن سودمندی سیستم ارگودیک فرمول‌بندی می‌شود. سپس، طرح موقعیت آنتن متعادل‌کننده مقادیر ویژه کوواریانس (CEBAP) برای تقریب مجانبی راه‌حل‌های بهینه با کاهش آماری همبستگی کانال کاربران مشتق شده است. قابل توجه است که راه‌حل CEBAP به تنهایی به طیف توان زاویه‌ای (APS) در سمت ایستگاه پایه کانال‌های بی‌سیم برای کاربران متحرک در سراسر سلول بستگی دارد، که به طور قابل توجهی سربار دستیابی به کانال و حرکت آنتن را کاهش می‌دهد و با این حال برای بهبود انواع سودمندی‌های سیستم در مقیاس‌های زمانی طولانی، مانند نرخ مجموع وزنی و حداقل نسبت سیگنال به تداخل به علاوه نویز، مؤثر باقی می‌ماند. علاوه بر این، یک روش بهینه‌سازی جریمه‌گذاری لگاریتمی-مانع (LOBPO) با پیچیدگی کم برای حل عددی CEBAP پیشنهاد شده است. نتایج شبیه‌سازی مبتنی بر طرح‌بندی‌های شهری واقع‌گرایانه و کانال‌های ردیابی پرتو، افزایش عملکرد مداوم CEBAP پیشنهادی را نسبت به سیستم‌های آنتن با موقعیت ثابت در توابع سودمندی مختلف نشان می‌دهد، که به شدت به کران بالای حاصل از بهینه‌سازی MA مبتنی بر CSI آنی برای مناطق آنتن نسبتاً بزرگ نزدیک می‌شود.

Movable antenna (MA) has recently emerged as a promising paradigm for enhancing wireless communication performance by exploiting spatial degrees of freedom through flexible antenna repositioning. However, most existing designs rely on short-term user-specific instantaneous/statistical channel state information (CSI), which incurs excessive channel estimation overhead and complexity due to frequent antenna movement. To address this issue, this paper proposes a new design framework for antenna position optimization over a much longer timescale based on the cell-level statistical channel information acquired at the base station (BS). To this end, a cell-specific statistical channel model is developed for MA-aided multiuser communication systems, based on which the antenna position optimization framework for maximizing the ergodic system utility is formulated. Then, the covariance-eigenvalues-balancing antenna positions (CEBAP) design is derived to asymptotically approximate optimal solutions by statistically reducing users' channel correlation. Notably, the CEBAP solution solely depends on the BS-side angular power spectrum (APS) of wireless channels for mobile users across the cell, which significantly alleviates the overhead of channel acquisition and antenna movement, and yet remains effective for improving various system utilities over long timescales, such as weighted sum rate and minimum signal-to-interference-plus-noise ratio. Moreover, a low-complexity log-barrier penalized optimization (LOBPO) method is proposed to numerically solve the CEBAP. Simulation results based on realistic urban layouts and ray-tracing channels demonstrate consistent performance gains of the proposed CEBAP over fixed-position antenna systems across different utility functions, which closely approaches the upper bound achieved by instantaneous CSI-based MA optimization for moderately large antenna regions.