[논문 리뷰] Two New Approaches to Optical IRSs: Schemes and Comparative Analysis

Haibo Wang, Zaichen Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 31.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 46인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 점에서 다중점으로의 자유공간 광학(FSO) 통신을 위한 두 가지 광학적 지능형 반사면(OIRS) 아키텍처—마이크로미러 어레이(MA) 및 광학 배열형 진폭(Phase Array, OPA)—를 제안하고 비교한다. 광선 분할, 전력 밀도 분포, 전력 효율성에 대한 폐쇄형 모델을 유도하였으며, 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증하여 OPA 유형의 OIRS가 더 뛰어난 광선 제어 및 효율성을 제공하는 것으로 나타났다. 반면 MA 유형의 OIRS는 낮은 비용과 간단한 유닛 요구 조건을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자유공간 광학(FSO) 통신에서 마이크로미러 어레이(MA) 및 광학 배열형 진폭(OPA) 유형의 광학적 지능형 반사면(OIRS) 간 체계적 비교가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• Fraunhofer 회절(OPA)과 다중 요소 초월(superposition, MA)를 고려한 실제 물리 모델을 개발하여 단일 거울 근사와 다른 차이를 반영하기 위해.
• 다양한 제어 방식 하에서 출력 전력 밀도 분포 및 전력 효율성에 대한 폐쇄형 해를 도출하기 위해.
• 각 OIRS 아키텍처에 맞게 설계된 광선 분할 및 다중광선 전력 할당 알고리즘을 설계하고 검증하기 위해.
• 분석적 및 실험적 결과를 바탕으로 채널 감쇠 및 통신 이점 등을 포함한 시스템 수준 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 개별 마이크로미러의 기울기 각도와 그 간섭적 초월(superposition)을 기반으로 MA 유형 OIRS의 물리 모델을 개발하였으며, (3)을 사용해 각도 이격을 계산하였다.
• 파장 조절을 사용한 OPA 유형 OIRS 모델을 수립하였으며, (26)을 사용해 원하는 파면을 생성하였고, 원거리 광선 패atters를 위해 Fraunhofer 회절을 통합하였다.
• 간섭적 필드 초월(superposition) 기반으로 (16)을 사용해 MA에 대한 출력 전력 밀도 분포의 폐쇄형 표현을 유도하였으며, OPA에 대해서는 (29)를 사용하였다.
• MA에 대해서는 (31)을 사용한 광선 분할 및 전력 할당 알고리즘을 제안하였고, OPA에 대해서는 초점 필터링을 통한 위상 제어를 사용해 목표 전력 비율을 달성하였다.
• 4×4 마이크로미러 어레이와 1920×1152 액정 OPA를 사용해 실험을 수행하였으며, 2mm 프로브를 사용해 다수의 점에서 전력 밀도를 측정하였다.
• 모델의 정확성을 확인하기 위해 시뮬레이션된 전력 밀도 분포 및 부분 영역 간 전력 비율과 측정된 결과를 비교하여 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 점에서 다중점 FSO 시스템에서 MA 유형과 OPA 유형의 OIRS 간 출력 전력 밀도 분포는 어떻게 다를까?
• RQ2 모든 OIRS 아키텍처에서 전력 효율성 및 광선 분할 성능에 대한 폐쇄형 해는 무엇인가?
• RQ3 광선 분할 및 다중광선 전력 할당에 대한 제어 알고리즘은 MA와 OPA 유형 간 어떻게 다를 수 있으며, 실질적으로 얼마나 효과적인가?
• RQ4 실제 FSO 채널 조건 하에서 광선 제어 자유도, 전력 효율성, 비용 간의 상호 교환 관계는 어떻게 나타나는가?
• RQ5 회절 및 다중 요소 효과를 고려한 어레이형 OIRS의 물리 모델링은 단일 거울 근사와 비교해 시스템 수준의 성능 분석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 두 OIRS 유형 모두 측정된 전력 밀도 분포가 시뮬레이션 결과와 매우 유사하여 유도된 물리 모델의 정확성을 검증하였다.
• OPA 유형 OIRS는 MA 유형 OIRS보다 더 균일하고 제어 가능한 광선 프로파일과 높은 출력 전력 효율성을 달성하였다.
• MA 유형 OIRS는 중심부에 최고점이 없는 비정규 분포를 보이며, 이는 방향성 민감도와 이방성 광선 특성을 나타내었다.
• 1:2:3 전력 비율을 가진 광선 분할이 두 OIRS 유형 모두 성공적으로 구현되었으며, 측정된 전력 비율이 기대값과 매우 유사하였다.
• 소규모 fading 조건 하에서 OPA 유형 OIRS는 더 뛰어난 광선 제어 자유도와 시스템 성능을 보였지만, 단위 면적당 비용이 더 높았다.
• OPA의 조절 불가능한 초점은 위상 제어에도 불구하고 중심 영역의 균일성을 제한하는 전력 집중 현상을 유도하였다.