[論文レビュー] Intelligent Reconfigurable Reflecting Surfaces for Free Space Optical Communications.

Marzieh Najafi, Bernhard Schmauß+1 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2020

Optical Wireless Communication Technologies被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、位相シフトプロファイルを設計することにより一般化スネルの法則を達成するインテリジェント再構成可能反射表面（IRS）を提案し、非視界自由空間光（FSO）通信を可能にする。等価な鏡支援システムモデルを用いて、幾何的損失および誤微調整損失を考慮した統計的チャネルモデルを導出。建物の揺れに起因するジャイタの影響を受ける相対的ノード位置が、停電確率に顕著に影響することを示している。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the use of intelligent reflecting surfaces (IRSs) to relax the line-of-sight requirement of free space optical (FSO) systems. Considering a Gaussian laser beam, we first design a phase shift distribution across the IRS that enables the reflection of the incident beam in any desired direction, i.e., realizing the generalized Snell's law. Moreover, for the designed phase-shift profile, we show that there exists an equivalent mirror-assisted FSO system that generates a reflected electric field on a mirror that is identical to that on the IRS in the original system. However, the location of the laser source and the properties of the emitted Gaussian laser beam are different in the original and the equivalent systems. This equivalence allows us to study the mirror-assisted system, employing the imaging technique from geometric optics, instead of directly analyzing the original IRS-assisted system. Based on this analysis, we model the geometric and misalignment losses (GML) and characterize the impact of the physical parameters of the IRS, such as its size, position, and orientation, on the end-to-end FSO channel. Moreover, we develop a statistical model for the GML which accounts for the random movements of IRS, transmitter (Tx), and receiver (Rx) due to building sway. Furthermore, we analyze the outage probability of an IRS-assisted FSO link based on the derived channel model. Our simulation results validate the accuracy of the developed channel model and offer various insights for system design. For instance, both our simulations and theoretical analysis reveal that even if the variances of the fluctuations of the Tx, IRS, and Rx positions caused by building sway are identical, their impact on the end-to-end channel is not necessarily the same and depends on the relative positioning of these three nodes.

研究の動機と目的

• 自由空間光（FSO）通信における厳密な視線要求を克服すること。
• 任意の所望方向へのビーム反射を可能にするために、IRSにおける位相シフト分布を設計すること。
• 幾何光学の原則を用いて解析を簡素化するため、等価な鏡支援FSOシステムを確立すること。
• IRSサイズ、位置、向きなどの物理的パラメータを考慮して、IRS支援FSOシステムにおける幾何的損失および誤微調整損失（GML）をモデル化すること。
• 建物の揺れに起因するノードのランダムな位置変動下でのIRS支援FSOリンクの停電確率を分析すること。

提案手法

• 一般化スネルの法則に従って、反射ビームを所望方向に制御するためのIRS上での位相シフトプロファイルを設計する。
• 元のIRSシステムの反射電場と一致する等価な鏡支援FSOシステムを確立し、幾何光学的手法による解析を可能にする。
• 幾何光学からの像形成技術を用いて等価システムをモデル化し、幾何的損失および誤微調整損失（GML）成分を導出する。
• 建物の揺れに起因する送信機、IRS、受信機のランダムな位置変動を考慮したGMLの統計的モデルを構築する。
• 等価システムに基づくエンドツーエンドFSOチャネルモデルを導出し、それを用いて停電確率を分析する。
• シミュレーションを通じてモデルを検証し、理論的予測と数値結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRSをどのように設計すれば、任意の所望方向へのガウス光ビームの反射が可能となり、一般化スネルの法則が実現できるか？
• RQ2 元のIRS支援FSOシステムと同一の反射電場を生成する等価な鏡支援システムとは何か？ そして、そのシステムが解析をどのように簡素化するか？
• RQ3 IRSの物理的パラメータ（サイズ、位置、向きなど）が、FSOリンクにおける幾何的損失および誤微調整損失にどのように影響するか？
• RQ4 建物の揺れに起因する送信機、IRS、受信機の位置のランダムな変動が、エンドツーエンドFSOチャネルに与える統計的影響は何か？
• RQ5 同じ位置揺らぎ分散のもとで、送信機、IRS、受信機の相対的配置は、停電確率にどのように影響するか？

主な発見

• 提案された位相シフト設計により、一般化スネルの法則に従う全方向ビームステアリングが可能となり、IRSを用いた非視線FSO通信が実現可能である。
• 反射電場がIRSシステムと同一となる等価な鏡支援システムが存在し、幾何光学を用いた解析が可能になる。
• 導出された統計的チャネルモデルは、建物の揺れに起因するノードのランダムな位置変動下での幾何的損失および誤微調整損失を正確に捉えている。
• 同じ分散の位置揺らぎであっても、送信機、IRS、受信機の相対的配置によってエンドツーエンドチャネルへの影響が顕著に異なる。
• シミュレーション結果は、理論的チャネルモデルの正確性を確認するとともに、システム設計においてノードの幾何配置を慎重に検討する必要があることを示している。