A Flexible Design for Beam Squint Effect Suppression in IRS-Aided THz Communications

Technische Zusammenfassung: Ein flexibles Design zur Unterdrückung des Beam-Squint-Effekts in IRS-gestützten THz-Kommunikationssystemen

Problemstellung
Terahertz-Kommunikation (THz) bietet eine enorme Bandbreite für zukunftsweisende Netzwerke, leidet jedoch unter extrem hohen Pfadverlusten und atmosphärischer Absorption. Während intelligente reflektierende Oberflächen (Intelligent Reflecting Surfaces, IRS) und bewegliche Antennen (Movable Antennas, MAs) einzeln betrachtet zur Leistungssteigerung vorgeschlagen wurden, steht deren gemeinsamer Einsatz in breitbandigen THz-Systemen vor einer kritischen Herausforderung: dem doppelten Beam-Squint-Effekt. In Breitbandsystemen weichen die Subträgerfrequenzen signifikant von der Referenz- (Zentral-) Frequenz ab. Dies führt dazu, dass die analogen Beamforming-Gewinne sowohl an der Basisstation (BS) als auch an der IRS über das Spektrum hinweg degradieren und fluktuieren. Aufgrund der multiplikativen Natur der BS-IRS-Nutzer-Strecke summieren sich diese individuellen Degradationen auf, was zu schweren Amplitudenschwankungen des Signals über die Subträger führt, bekannt als der doppelte Beam-Squint-Effekt. Die bestehende Literatur hat MAs zur Bekämpfung des Beam-Squint-Effekts in Single-Hop-Systemen sowie IRS zur THz-Verbesserung untersucht, aber die spezifische Strategie, bewegliche Komponenten sowohl an der BS als auch an der IRS einzusetzen, um diesen doppelten Effekt in breitbandigen THz-MISO-Systemen zu bekämpfen, wurde bisher kaum untersucht.

Methodik
Die Autoren schlagen ein Systemmodell vor, bei dem eine BS, die mit einem 2D-Planar-Array aus MAs ausgestattet ist, einen Nutzer über eine IRS bedient, die aus beweglichen Subarrays besteht. Das Kernziel besteht darin, die minimale empfangene Leistung über das gesamte THz-Frequenzband hinweg zu maximieren, indem die Positionen der MAs an der BS und der Subarrays auf der IRS-Oberfläche gemeinsam optimiert werden.

Das Optimierungsproblem wird aufgrund der komplexen Beziehung zwischen Antennenpositionen und empfangener Signalamplitude sowie aufgrund von Beschränkungen bezüglich zulässiger Bewegungsregionen und minimaler Abstandsabstände zur Vermeidung von Kopplung/Kollision als nicht-konvexes Problem (P1) formuliert. Um dieses zu lösen, entwickeln die Autoren einen iterativen Algorithmus basierend auf der Block-Koordinaten-Abstieg-Methode (Block Coordinate Descent, BCD) in Kombination mit der Majorization-Minimization (MM):

1. Problemtransformation: Das Min-Max-Problem wird durch Einführung einer Slack-Variable, die die minimale empfangene Leistung repräsentiert, in eine handhabbare Form (P2) überführt.
2. Alternierende Optimierung: Der Algorithmus wechselt zwischen der Optimierung der Position einer einzelnen MA (während andere fixiert bleiben) und eines einzelnen IRS-Subarrays.
3. Konvexifizierung mittels MM: Für die nicht-konvexen Leistungskonstraints und die nicht-konvexen Distanzbeschränkungen:
   • Die empfangene Leistungsfunktion wird mittels einer zweiten-Ordnung-Taylor-Entwicklung approximiert, wobei die Hesse-Matrix durch eine kleinere, global gültige untere Schranke ersetzt wird.
   • Die nicht-konvexen Distanzbeschränkungen (Minimalabstand) werden mittels einer Erstordnung-Taylor-Entwicklung konvexifiziert, die als global konkave untere Schranke dient.
4. Lösung: Die resultierenden Teilprobleme (P4m für MAs und P6k für IRS-Subarrays) sind konvex und werden effizient mit Standard-Numerik-Solvern (z. B. CVX) gelöst.

Wesentliche Beiträge

• Neuartige Systemarchitektur: Diese Arbeit präsentiert die erste Untersuchung zur Unterdrückung des doppelten Beam-Squint-Effekts in breitbandigen THz-Systemen durch den gleichzeitigen Einsatz eines MA-Arrays an der BS und beweglicher Subarrays auf der IRS.
• Gemeinsame Positionsoptimierung: Die Arbeit formuliert und löst ein anspruchsvolles gemeinsames Optimierungsproblem zur Konfiguration der physischen Standorte beweglicher Komponenten, um die Worst-Case-Empfangsleistung über das Spektrum zu maximieren.
• Algorithmenentwicklung: Ein Algorithmus mit geringer Komplexität wird unter Verwendung des MM-Frameworks entwickelt, um die Nicht-Konvexitäten zu handhaben, die in dem positionsabhängigen Kanalmodell und den Abstandsbeschränkungen inhärent sind.

Simulationsergebnisse
Numerische Ergebnisse validieren den vorgeschlagenen Ansatz unter spezifischen THz-Parametern (z. B. 287–291,6 GHz).

• Konvergenz: Der vorgeschlagene Algorithmus zeigt eine monotone Konvergenz und erreicht eine stabile Lösung in weniger als 10 Iterationen.
• Beam-Squint-Unterdrückung: Die Ergebnisse zeigen, dass eine angemessene Konfiguration der Positionen von MAs und IRS-Subarrays den doppelten Beam-Squint-Effekt vollständig eliminieren kann. Im Gegensatz dazu weisen Systeme mit festen Antennen oder mit beweglichen Komponenten nur auf einer Seite signifikante Amplitudenschwankungen über das Frequenzband auf.
• Leistungsgewinn: Während der doppelte Beam-Squint-Effekt gemindert wird, variiert die empfangene Amplitude im Band immer noch leicht aufgrund des frequenzabhängigen Pfadverlusts (höhere Frequenzen erfahren einen höheren Verlust), aber die schwere Degradation durch Beam-Fehlausrichtung wird entfernt.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit behauptet, dass das vorgeschlagene flexible Design einen erheblichen Vorteil für die breitbandige THz-Kommunikation bietet, indem es den doppelten Beam-Squint-Effekt effektiv mildert, der ein wesentlicher Engpass für die Aufrechterhaltung einer konsistenten Leistung über breite Bandbreiten ist. Die Autoren betonen, dass dies die erste Arbeit ist, die diese spezifische Strategie mit zwei beweglichen Komponenten untersucht. Die Studie legt nahe, dass die Nutzung beweglicher Komponenten sowohl an der BS als auch an der IRS eine praktikable und effektive Lösung darstellt, um den Array-Gewinn und die Kommunikationszuverlässigkeit in zukünftigen THz-Netzwerken zu erhöhen, sofern die Positionen sorgfältig konfiguriert werden, um frequenzabhängigen Strahlabweichungen entgegenzuwirken. Die Arbeit konzentriert sich auf die theoretischen und algorithmischen Beiträge zur Positionsoptimierung, unterstützt durch numerische Simulationen, ohne spezifische Hardware-Prototypen oder breitere kommerzielle Anwendungen über den Umfang der Kommunikationsverbindung hinaus vorzuschlagen.