[论文解读] Intelligent Reflecting Surface-Aided Wideband THz Communications: Modeling and Analysis

Konstantinos Dovelos, Stylianos D. Assimonis+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于智能反射表面（IRS）辅助的宽带太赫兹（THz）通信的新颖球面波信道模型，考虑了近场效应和空间宽带传播。结果表明，传统频带平坦波束成形因波束张角效应导致严重功率损耗，且通过理论分析证明，全息IRS（元件间距可忽略）可缓解此效应，从而通过频率选择性反射设计实现最优性能。

ABSTRACT

In this paper, we study the performance of wideband terahertz (THz) communications assisted by an intelligent reflecting surface (IRS). Specifically, we first introduce a generalized channel model that is suitable for electrically large THz IRSs operating in the near-field. Unlike prior works, our channel model takes into account the spherical wavefront of the emitted electromagnetic waves and the spatial-wideband effect. We next show that conventional frequency-flat beamfocusing significantly reduces the power gain due to beam squint, and hence is highly suboptimal. More importantly, we analytically characterize this reduction when the spacing between adjacent reflecting elements is negligible, i.e., holographic reflecting surfaces. Numerical results corroborate our analysis and provide important insights into the design of future IRS-aided THz systems.

研究动机与目标

• 为解决在近场区域中，球面波前和空间宽带效应显著时，宽带THz通信缺乏准确信道建模的问题。
• 分析传统频带平坦波束成形在IRS辅助THz系统中因波束张角导致的性能退化。
• 表征离散IRS中因波束张角引起的功率增益降低，并推导全息反射面（HRS）的理论极限。
• 证明在宽带IRS辅助THz通信中，实现系统全部潜力的关键在于采用频率选择性反射设计。

提出的方法

• 构建了一种广义的球面波信道模型，综合考虑了电磁波的球面波前和电大IRS的空间宽带效应。
• 将IRS建模为具有 N = Nx × Ny 个单元的均匀平面阵列（UPA），每个单元间距可忽略，并利用三维笛卡尔坐标系推导了从发射机到每个单元的距离。
• 推导了考虑球面波传播和IRS上相位偏移的正交频 division multiplexing（OFDM）子载波的频率相关路径损耗和信噪比（SNR）。
• 采用连续近似和傅里叶变换技术，对IRS孔径上相位项的积分进行评估，利用误差函数恒等式以保证分析可解性。
• 将传统频带平坦波束成形的性能与频率选择性设计进行比较，尤其在IRS元件间距趋近于零的全息IRS区域。
• 通过调整天线数和IRS单元数，对比IRS辅助MIMO系统与纯MIMO系统的能量效率（EE）和可实现速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 电磁波的球面波前如何影响IRS辅助宽带THz系统的信道响应？
• RQ2 在宽带IRS辅助THz系统中，波束张角对传统频带平坦波束成形的功率增益退化程度如何？
• RQ3 当IRS元件间距可忽略（即全息反射面）时，因波束张角导致的功率增益减少的理论极限是什么？
• RQ4 频率选择性反射设计能否缓解波束张角效应，并恢复宽带IRS辅助THz通信的完整系统性能？

主要发现

• 传统频带平坦波束成形在宽带IRS辅助THz系统中因波束张角导致显著的功率增益退化，因此性能极不理想。
• 在全息IRS区域中，对因波束张角引起的功率增益减少进行了理论表征，揭示了其根本性能限制。
• 数值结果证实，波束张角严重限制系统性能，唯有采用频率选择性反射设计才能充分发挥宽带IRS辅助THz系统的潜力。
• 所提出的球面波信道模型推广了现有远场模型，能准确捕捉近场效应，包括波前曲率和空间宽带响应。
• 在宽带场景下，IRS辅助MIMO系统无法超越纯MIMO系统，除非采用频率选择性波束成形。
• 只有通过适当的频率选择性反射设计来缓解波束张角效应，IRS部署带来的能量效率（EE）增益才能真正实现。