基于用户分布的六维移动天线：建模与优化
6D Movable Antenna Based on User Distribution: Modeling and Optimization
本文介绍近期在IEEE TWC待发表的论文“6D Movable Antenna Based on User Distribution: Modeling and Optimization”，研究者首次提出了新型的六维移动天线（six-dimensional movable antenna, 6DMA），即通过控制发射机/接收机上天线或者天线子阵列的三维位置（3D positions）和/或三维旋转(3D rotations)，6DMA 能够基于信道空间分布自适应地分配天线资源和充分利用无线信道的空间自由度（spatial DoFs），以经济高效的方式显著提高无线网络的性能，而无需添加更多天线。6DMA开辟了一个全新的可变形天线体系，其赋能的无线网络将从根本上提升天线的灵活性和适应性，有望为6G无线通信和感知网络的应用和研究带来无限的新机遇。
论文作者：
邵晓丹① 蒋骐骏② 张瑞②③
①(埃尔朗根-纽伦堡大学)
②(香港中文大学（深圳）)
③(新加坡国立大学)
Citation: Xiaodan Shao, Qijun Jiang, and Rui Zhang, “6D movable antenna based on user distribution: Modeling and optimization,” arXiv preprint arXiv:2403.08123, Mar. 2024.
本文下载地址：
https://arxiv.org/abs/2403.08123
一、现有天线系统及其局限性
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固定位置天线(Fixed-Position Antenna)
如图1(a)所示，固定位置天线（FPA）一旦部署，其位置便无法改变。因此，目前的部署策略都是通过增加天线数量来提升网络性能，如超大规模天线。然而，这会显著增加硬件成本和能耗。此外，采用FPA的无线网络无法根据用户信道的空间分布灵活分配天线资源，导致传统的自适应MIMO处理无法实现。
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远程电倾斜天线(Remote Electrical Tilt)
如图1(b)所示，远程电倾斜是指以电子方式调整天线辐射方向倾斜角度的能力。但是远程电倾斜天线的调节范围是有限的，电倾斜角度的调节一般在几度到几十度之间。这是由于天线的设计和物理结构决定的，并且通常只能在垂直平面（俯仰方向）进行调整。
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流态天线(Fluid Antenna System)
如图1(c)所示，流态天线系统（FAS）代表可由软件控制的流体、导电或介质结构，能够动态改变其形状和位置。目前的FAS 仅在有限的二维表面上调整有源天线的位置，以利用小尺度衰落信道变化来减轻信道深度衰落的影响，而未考虑天线的旋转。
表1：天线性能比较
二、六维移动天线（6DMA）系统的设计
为了解决上述天线系统的灵活性和适应性受限的难题，本文首次提出了六维移动天线（6DMA）。
图2：六维移动天线（6DMA）架构
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6DMA系统模型
如图2所示， 6DMA将所有天线分成B个天线子阵列（表面），
={1,2,…,B}，每个子阵列包含N≥1根天线，
={1,2,…,N}，每个子阵列的形状各异，可以是曲面天线，也可以是平面天线。每个 6DMA子阵列均可在实际运动约束下独立调整 3D 位置和 3D 旋转。每个 6DMA 表面通过可伸缩和可旋转的杆连接到中央处理单元 (CPU)，该杆内包含柔性电线，可为 6DMA提供电源并促进其与 CPU 之间的射频/控制信号交换。在杆的两端安装了两个由 CPU 控制的旋转电机，以调整连接的 6DMA的 3D 位置和 3D 旋转。此外，每个杆可以灵活收缩和伸展，以控制每个 6DMA与 CPU 之间的距离。因此，6DMA系统的功能类似于“变形金刚”，能够立即将其天线阵列重新配置为几乎任何可以想象的形状，以优化无线网络性能。具体来说，第个 6DMA 表面的位置和旋转，可以用六个参数来表征，即
其中
表示发射端/接收端处给定的天线可移动3D 空间,
，
和
表示第b个6DMA 中心在全局笛卡尔坐标系中的坐标；
，
和
分别表示相对于x-轴、y-轴和z-轴的旋转角度。令
表示 6DMA 表面的第n个天线在其局部坐标系中的位置。则第b个6DMA 表面的第n个天线在全局坐标系中的位置，记为
可表示为
其中
为旋转矩阵。
图3：天线约束条件
天线旋转和位置约束如图3所示，可以用公式表示为：
（1）旋转约束1：防止任何两个 6DMA 表面之间相互信号反射，每个 6DMA 表面都不应与任何其他 6DMA 表面形成锐角。
其中
为6DMA子阵列的法向量。
（2）旋转约束2：防止每个 6DMA 表面朝向CPU中心，导致信号阻塞。可通过调整每个 6DMA 表面的法线向量，使其不指向CPU中心来实现。
（3）最小距离约束: 任何一对 6DMA 表面的中心之间需要有最小距离，以避免它们重叠和相互耦合
另外，6DMA信道模型如下所示：
其中
并且
。
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天线位置和旋转优化
我们可以根据用户（信道）的空间分布，自适应地联合设计和调整所有 6DMA的位置q和旋转u，在遵循上文中讲述的实际旋转和距离约束的情况下，来最大化无线系统的网络容量
。优化问题可以表述为：
以上问题可以通过交替迭代优化或者机器学习等方法求解。
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6DMA增益来源
（1）自适应分配天线资源：6DMA提供更多的空间自由度，可以灵活地分配天线资源，以适应信道的空间分布。例如，在基站上方有10个用户，而地面有100个用户的情况下，6DMA基站可以将更多的天线资源指向地面用户，从而提升服务质量。
（2）最大化利用小尺度信道衰落：6DMA通过动态调整天线位置和角度，可以有效利用小尺度信道的衰落特性，从而减轻接收端因深度衰落造成的信道质量下降的影响。
图4：6DMA 应用
四、仿真结果
(a) 3D 用户分布场景
(b) 2D 用户分布场景
图5：优化后得到的6DMA的位置/旋转（蓝色雪花的方向表示6DMA表面的法向量，热点区域颜色越深用户密度越高）
图6 (a) : 总速率vs传输功率(3D用户分布)
图6 (b) : 总速率vs平均用户数(3D用户分布)
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6DMA 系统的性能 >> 流态天线性能>固定位置天线性能
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当用户分布在空间上更不均匀或者网络流量负载更高时，6DMA系统容量提升更显著
本文提出了一种新型的六维移动天线 (6DMA)，该技术通过充分利用发射器/接收器处分布式天线的位置和/或旋转调整的灵活度来增强无线网络性能。本文系统介绍了新兴的六维移动天线（6DMA）在无线网络的技术潜力、应用场景、关键难题和解决方案。由于本文研究者首创的6DMA 辅助无线网络尚属新兴技术，且尚未得到充分探索，希望本文能为未来相关研究提供有用的指导。我们预见将 6DMA 集成到未来的无线网络中将从根本上提高天线的灵活性和适应性，并为应用和研究带来丰富的新机遇。
[4] Xiaodan Shao, Rui Zhang, and Robert Schober, “Exploiting six-dimensional movable antenna for wireless sensing,” arXiv preprint arXiv:arXiv:2409.01965, 2024.
联系人：
邵晓丹，埃尔朗根-纽伦堡大学；滑铁卢大学（xiaodan.shao@uwaterloo.ca）
–本文完–
本文由埃尔朗根-纽伦堡大学邵晓丹博士后研究员供稿，联盟和本公众号对转载、发布的内容、陈述、观点判断保持中立，不对所包含内容的准确性、可靠性或完善性提供任何明示或暗示的保证，仅供读者参考，联盟和本公众号将不承担任何责任。以上声明内容的最终解释权归联盟和本公众号所有，本声明将适用本公众号所有时间发布与转载文章，谢谢您的合作。