[论文解读] 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 15

一句话总结

本文提出智能可重构反射面（IRS）以通过设计满足广义斯涅尔定律的相位偏移分布，实现非视距自由空间光（FSO）通信的波束赋形。基于等效镜像辅助系统模型，推导出考虑几何损耗和对准误差损耗的统计信道模型，表明在建筑物晃动引起的抖动下，节点相对位置对中断概率具有决定性影响。

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.

研究动机与目标

• 为克服自由空间光（FSO）通信中对严格视距的依赖，采用智能可重构反射面（IRS）。
• 设计IRS上的相位偏移分布，实现反射光束在任意期望方向的波束赋形，从而实现广义斯涅尔定律。
• 建立等效镜像辅助FSO系统，以简化分析，利用几何光学原理。
• 建模IRS辅助FSO系统中的几何损耗和对准误差损耗（GML），考虑IRS尺寸、位置和方向等物理参数。
• 分析由于建筑物晃动引起的随机节点抖动对IRS辅助FSO链路中断概率的影响。

提出的方法

• 设计IRS上的相位偏移分布，使反射的高斯光束遵循广义斯涅尔定律进行波束赋形。
• 建立等效镜像辅助FSO系统，使反射电场与原始IRS系统一致，从而可应用几何光学进行分析。
• 利用几何光学中的成像技术建模等效系统，并推导出几何损耗和对准误差损耗（GML）分量。
• 建立考虑因建筑物晃动引起的发射端、IRS和接收端随机位置抖动的GML统计模型。
• 基于等效系统推导端到端FSO信道模型，并用于分析中断概率。
• 通过仿真验证模型，将理论预测与数值结果进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计IRS，使其能够将高斯光束反射至任意期望方向，从而有效实现广义斯涅尔定律？
• RQ2 存在何种等效镜像辅助系统，可产生与IRS辅助FSO系统相同的反射场？该系统如何简化分析？
• RQ3 IRS的物理参数（如尺寸、位置和方向）如何影响FSO链路中的几何损耗和对准误差损耗？
• RQ4 建筑物晃动引起的发射端、IRS和接收端位置随机抖动对端到端FSO信道的统计影响是什么？
• RQ5 在位置抖动方差相同的情况下，发射端、IRS和接收端的相对位置如何影响中断概率？

主要发现

• 所提出的相位偏移设计可通过广义斯涅尔定律实现全向波束赋形，使IRS能够实现非视距FSO通信。
• 存在一种等效镜像辅助系统，其反射场与IRS系统完全一致，从而可利用几何光学方法进行分析。
• 所推导的统计信道模型能准确捕捉因建筑物晃动引起的随机节点抖动下的几何损耗和对准误差损耗。
• 即使位置抖动的方差相同，发射端、IRS和接收端的相对位置对端到端信道的影响仍存在显著差异。
• 仿真结果验证了理论信道模型的准确性，并表明系统设计必须仔细考虑节点几何布局以最小化中断概率。