[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出并对比了两种光学智能反射面（OIRS）架构——微镜阵列（MA）与光学相控阵（OPA）——用于点对多点自由空间光（FSO）通信。推导了光束分裂、功率密度分布及功率效率的闭式模型，通过仿真与实验验证，结果表明OPA型OIRS在光束控制与效率方面表现更优，而MA型OIRS则具备更低的成本与更简单的单元需求。

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.

研究动机与目标

• 为解决在自由空间光（FSO）通信中，微镜阵列（MA）与光学相控阵（OPA）类型光学智能反射面（OIRS）之间缺乏系统性比较的问题。
• 为两种OIRS类型建立精确的物理模型，考虑弗琅禾费衍射（OPA）与多单元叠加（MA）效应，区别于单镜面近似。
• 推导在不同控制方案下输出功率密度分布与功率效率的闭式解。
• 设计并验证针对每种OIRS架构定制的光束分裂与多光束功率分配算法。
• 基于分析与实验结果，评估系统级性能，包括信道衰落与通信优势。

提出的方法

• 基于单个微镜的倾斜角度及其相干叠加，建立MA型OIRS的物理模型，利用(3)计算角度偏差。
• 采用相位调制建立OPA型OIRS模型，使用(26)生成所需波前，并结合弗琅禾费衍射以获得远场光束图案。
• 基于相干场叠加，利用(16)推导MA型的输出功率密度分布闭式表达式，利用(29)推导OPA型的表达式。
• 提出光束分裂与功率分配算法，MA型使用(31)，OPA型采用焦点滤波的相位控制，以实现目标功率比。
• 通过$4\times 4$微镜阵列与$1920\times 1152$液晶OPA进行实验，使用2mm探头在多个点测量功率密度。
• 通过比较模拟与实测的功率密度分布及子区域功率比，验证模型准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在点对多点FSO系统中，MA型与OPA型OIRS的输出功率密度分布有何差异？
• RQ2 两种OIRS架构下，功率效率与光束分裂性能的闭式解是什么？
• RQ3 MA与OPA型在光束分裂与多光束功率分配控制算法上存在哪些差异？其实际有效性如何？
• RQ4 在真实FSO信道条件下，MA与OPA型OIRS在光束控制自由度、功率效率与成本之间存在何种权衡？
• RQ5 考虑衍射与多单元效应的阵列型OIRS物理建模，相较于单镜面近似，对系统级性能分析有何影响？

主要发现

• 两种OIRS类型的实测功率密度分布与模拟结果高度吻合，验证了所推导物理模型的准确性。
• OPA型OIRS在输出功率效率方面优于MA型OIRS，且光束轮廓更均匀、可控性更强。
• MA型OIRS表现出非高斯型功率密度分布，峰值不在中心，表明其具有方向敏感性与各向异性光束特性。
• 两种OIRS类型均成功实现1:2:3功率比的光束分裂，实测功率比与预期值高度一致。
• 在小尺度衰落环境下，OPA型OIRS展现出更优的光束控制自由度与系统性能，尽管单位面积成本更高。
• OPA的不可调焦平面导致能量集中在原点附近，尽管采用相位控制，仍限制了中心区域的均匀性。