[論文レビュー] Two New Approaches to Optical IRSs: Schemes and Comparative Analysis

Haibo Wang, Zaichen Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 46被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、ポイントツーマルチポイントの自由空間光（FSO）通信を対象として、マイクロミラーアレイ（MA）型と光学位相配列（OPA）型の2種類の光インテリジェントリフレクティングサーフェス（OIRS）アーキテクチャを提案し、比較している。ビーム分割、パワー密度分布、パワー効率に関する閉形式モデルを導出し、シミュレーションおよび実験により検証した結果、OPA型OIRSは優れたビーム制御性と効率性を示した一方、MA型OIRSは低コストかつ簡素なユニット要件を満たしていた。

ABSTRACT

Oriented to the point-to-multipoint free space optical communication (FSO) scenarios, this paper analyzes the micro-mirror array and phased array-type optical intelligent reflecting surface (OIRS) in terms of control mode, power efficiency, and beam splitting. We build the physical models of the two types of OIRSs. Based on the models, the closed form solution of OIRSs' output power density distribution and power efficiency, along with their control algorithms have been derived. Then we propose the algorithms of beam splitting and multi-beam power allocation for two types of OIRSs. The channel fading in FSO system and the comparison of two types of OIRSs in actual systems are discussed according to the analytical results. Experiments and simulations are both presented to verify the feasibility of models and algorithms.

研究の動機と目的

• 自由空間光（FSO）通信におけるマイクロミラーアレイ（MA）型と光学位相配列（OPA）型の光インテリジェントリフレクティングサーフェス（OIRS）の間における体系的比較の不足に対処すること。
• フレナホーファー回折（OPA）とマルチエレメント重ね合わせ（MA）を考慮した、両OIRSタイプの正確な物理モデルを構築すること。これは、単一ミラー近似とは異なる。
• 異なる制御方式下での出力パワー密度分布およびパワー効率に関する閉形式解を導出すること。
• 各OIRSアーキテクチャに特化したビーム分割およびマルチビームパワー割り当てアルゴリズムの設計と検証すること。
• 解析的および実験的結果に基づき、チャネルフェーディングや通信利点を含めたシステムレベルの性能を評価すること。

提案手法

• 個々のマイクロミラーの傾き角とそれらのコherent重ね合わせに基づき、MA型OIRSの物理モデルを構築し、(3)を用いて角度ずれを計算した。
• 位相変調を用いたOPA型OIRSモデルを定式化し、(26)を用いて所望の波面を生成。遠方場のビームパターンを求めるためにフレナホーファー回折を組み込んだ。
• コherent場の重ね合わせに基づき、MA用に(16)、OPA用に(29)を用いて、出力パワー密度分布の閉形式表現を導出した。
• MA用に(31)を用いたビーム分割およびパワー割り当てアルゴリズムを提案。OPAでは焦点位置フィルタリングを用いた位相制御により、所望のパワー比を達成した。
• 4×4のマイクロミラーアレイと1920×1152の液晶OPAを用いた実験を実施。2mmのプローブを用いて複数の位置でパワー密度を測定した。
• シミュレーションと測定されたパワー密度分布およびパワー比を比較することで、モデルの正確性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポイントツーマルチポイントのFSOシステムにおいて、MA型とOPA型OIRSの出力パワー密度分布にはどのような相違があるか？
• RQ2 両OIRSアーキテクチャにおけるパワー効率およびビーム分割性能の閉形式解は何か？
• RQ3 ビーム分割およびマルチビームパワー割り当ての制御アルゴリズムは、MA型とOPA型でどのように異なり、実際の運用ではどの程度有効か？
• RQ4 実世界のFSOチャネル条件下で、ビーム制御の自由度、パワー効率、コストのトレードオフは、MA型とOPA型OIRSの間でどのように異なるか？
• RQ5 配列型OIRSの物理的モデル（回折およびマルチエレメント効果を考慮）は、単一ミラー近似と比較して、システムレベルの性能解析にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 両OIRSタイプの測定されたパワー密度分布は、シミュレーション結果とよく一致しており、導出された物理モデルの正確性が裏付けられた。
• OPA型OIRSは、MA型OIRSよりも均一で制御性の高いビームプロファイルと高い出力パワー効率を達成した。
• MA型OIRSは、中心にピークがない非ガウス型のパワー密度分布を示し、方向性に敏感で、異方的ビーム特性を示した。
• 1:2:3のパワー比を持つビーム分割は、両OIRSタイプともに成功裏に実現され、測定されたパワー比は期待値とよく一致した。
• 小スケールフェーディング下でも、OPA型OIRSは優れたビーム制御の自由度とシステム性能を示したが、単位面積あたりのコストが高かった。
• OPAの調整不能な焦点位置により、原点付近にパワーが集中し、位相制御にもかかわらず中心領域の均一性が制限された。