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

तकनीकी सारांश: IRS-सहायता प्राप्त THz संचार में बीम स्क्विंट प्रभाव के दमन के लिए एक लचीला डिज़ाइन

समस्या विवरण
टेराहर्ट्ज़ (THz) संचार अगली पीढ़ी के नेटवर्क के लिए विशाल बैंडविड्थ प्रदान करता है, लेकिन यह गंभीर पथ हानि (path loss) और वायुमंडलीय अवशोषण से ग्रस्त है। जबकि इंटेलिजेंट रिफ्लेक्टिंग सरफेस (IRS) और मूवेबल एंटेना (MAs) को व्यक्तिगत रूप से प्रदर्शन बढ़ाने के लिए प्रस्तावित किया गया है, वाइडबैंड THz सिस्टम में उनके संयुक्त परिनियोजन (deployment) में एक महत्वपूर्ण चुनौती का सामना करना पड़ता है: डबल बीम स्क्विंट प्रभाव। वाइडबैंड सिस्टम में, सब-कैरियर आवृत्तियाँ संदर्भ (केंद्रीय) आवृत्ति से काफी विचलित हो जाती हैं। इसके कारण बेस स्टेशन (BS) और IRS दोनों पर एनालॉग बीमफॉर्मिंग गेन (gains) स्पेक्ट्रम के आर-पार घट जाते हैं और उतार-चढ़ाव करते हैं। BS-IRS-यूज़र लिंक की गुणात्मक प्रकृति के कारण, ये व्यक्तिगत गिरावट आपस में जुड़ जाती हैं, जिससे सब-कैरियर्स के बीच सिग्नल आयाम (amplitude) में गंभीर उतार-चढ़ाव होता है, जिसे डबल बीम स्क्विंट प्रभाव के रूप में जाना जाता है। मौजूदा साहित्य ने सिंगल-हॉप सिस्टम में बीम स्क्विंट शमन के लिए MAs और THz संवर्धन के लिए IRS का अन्वेषण किया है, लेकिन वाइडबैंड THz MISO सिस्टम में इस दोहरे प्रभाव से निपटने के लिए दोनों BS और IRS पर मूवेबल कंपोनेंट्स तैनात करने की विशिष्ट रणनीति का अध्ययन अभी तक नहीं किया गया है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखक एक ऐसा सिस्टम मॉडल प्रस्तावित करते हैं जहाँ एक BS, जो MAs के 2D प्लेनर ऐरे से सुसज्जित है, एक IRS द्वारा संचालित होता है जो मूवेबल सब-एरे (subarrays) से बना है। मुख्य उद्देश्य पूरे THz फ्रीक्वेंसी बैंड में न्यूनतम प्राप्त शक्ति (minimal received power) को अधिकतम करना है, जिसके लिए BS पर MAs और IRS सतह पर सब-एरे के स्थानों का संयुक्त अनुकूलन (joint optimization) किया जाता है।

अनुकूलन समस्या को एक गैर-उत्तल (non-convex) समस्या (P1) के रूप में तैयार किया गया है, क्योंकि यह एंटीना स्थितियों और प्राप्त सिग्नल आयाम के बीच जटिल संबंध, साथ ही व्यवहार्य मूवमेंट क्षेत्रों और कपलिंग/टकराव से बचने के लिए न्यूनतम पृथक्करण दूरी से संबंधित बाधाओं के कारण है। इसे हल करने के लिए, लेखक ब्लॉक कोऑर्डिनेट डिसेंट (BCD) विधि के साथ मेजरेशन-मिनिमाइजेशन (MM) का उपयोग करते हुए एक पुनरावृत्ति (iterative) एल्गोरिदम विकसित करते हैं:

1. समस्या रूपांतरण: एक स्लैक वेरिएबल (slack variable) पेश करके, जो न्यूनतम प्राप्त शक्ति का प्रतिनिधित्व करता है, मि-मैक्स (min-max) समस्या को एक सुलभ रूप (P2) में परिवर्तित किया जाता है।
2. अल्टरनेटिंग ऑप्टिमाइज़ेशन: एल्गोरिदम एक समय में एक एकल MA (बाकी को स्थिर रखते हुए) और एक एकल IRS सब-एरे के स्थान को अनुकूलित करने के बीच बारी-बारी से कार्य करता है।
3. MM के माध्यम से उत्तलता (Convexification): गैर-उत्तल प्राप्त शक्ति बाधाओं और गैर-उत्तल दूरी बाधाओं के लिए:
   • प्राप्त शक्ति फलन (function) को सेकंड-ऑर्डर टेलर विस्तार का उपयोग करके अनुमानित किया जाता है, जिसमें हेसियन मैट्रिक्स (Hessian matrix) को एक छोटे, वैश्विक रूप से वैध लोअर-बाउंड सरोगेट से बदल दिया जाता है।
   • गैर-उत्तल दूरी बाधाओं (न्यूनतम पृथक्करण) को प्रथम-ऑर्डर टेलर विस्तार का उपयोग करके उत्तल बनाया जाता है, जो एक वैश्विक रूप से अवतल (concave) लोअर बाउंड के रूप में कार्य करता है।
4. समाधान: परिणामी उप-समस्याएँ (P4m के लिए MAs और P6k के लिए IRS सब-एरे) उत्तल हैं और उन्हें मानक संख्यात्मक सॉल्वर (जैसे, CVX) का उपयोग करके कुशलतापूर्वक हल किया जाता है।

प्रमुख योगदान

• नया सिस्टम आर्किटेक्चर: यह कार्य वाइडबैंड THz सिस्टम में डबल बीम स्क्विंट प्रभाव को दबाने के लिए BS पर एक MA ऐरे और IRS पर मूवेबल सब-एरे को एक साथ तैनात करने वाले पहले अध्ययन को प्रस्तुत करता है।
• संयुक्त स्थिति अनुकूलन (Joint Position Optimization): यह पेपर स्पेक्ट्रम में सबसे खराब स्थिति वाली प्राप्त शक्ति को अधिकतम करने के लिए मूवेबल कंपोनेंट्स के भौतिक स्थानों को कॉन्फ़िगर करने के लिए एक चुनौतीपूर्ण संयुक्त अनुकूलन समस्या को तैयार करता है और उसे हल करता है।
• एल्गोरिदम विकास: पोजीशन-डिपेंडेंट चैनल मॉडल और सेपरेशन बाधाओं में निहित गैर-उत्तलता (non-convexity) को संभालने के लिए MM फ्रेमवर्क का उपयोग करके एक लो-कॉम्प्लेक्सिटी एल्गोरिदम विकसित किया गया है।

सिमुलेशन परिणाम
संख्यात्मक परिणाम विशिष्ट THz मापदंडों (जैसे, 287–291.6 GHz) के तहत प्रस्तावित दृष्टिकोण को मान्य करते हैं।

• अभिसरण (Convergence): प्रस्तावित एल्गोरिदम एक मोनोटोनिक अभिसरण प्रदर्शित करता है, जो 10 पुनरावृत्तियों (iterations) से कम में एक स्थिर समाधान तक पहुँच जाता है।
• बीम स्क्विंट दमन: परिणाम दिखाते हैं कि MAs और IRS सब-एरे के स्थानों को उचित रूप से कॉन्फ़िगर करने से डबल बीम स्क्विंट प्रभाव को पूरी तरह से समाप्त किया जा सकता है। इसके विपरीत, फिक्स्ड एंटीना या केवल एक तरफ मूवेबल कंपोनेंट्स वाले सिस्टम में फ्रीक्वेंसी बैंड के पार महत्वपूर्ण आयाम उतार-चढ़ाव दिखाई देते हैं।
• प्रदर्शन लाभ: जबकि डबल बीम स्क्विंट प्रभाव को कम किया जाता है, फ्रीक्वेंसी-डिपेंडेंट पाथ लॉस (उच्च आवृत्तियों पर अधिक हानि होती है) के कारण प्राप्त आयाम बैंड के पार थोड़ा भिन्न रहता है, लेकिन बीम मिसअलाइनमेंट के कारण होने वाली गंभीर गिरावट को हटा दिया जाता है।

महत्व और दावे
पेपर का दावा है कि प्रस्तावित लचीला डिज़ाइन वाइडबैंड THz संचार के लिए एक महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है क्योंकि यह प्रभावी रूप से डबल बीम स्क्इंट प्रभाव को कम करता है, जो चौड़े बैंडविड्थ में निरंतर प्रदर्शन बनाए रखने के लिए एक प्रमुख बाधा है। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि यह इस विशिष्ट 'डुअल-मूवेबल-कंपोनेंट' रणनीति की जांच करने वाला पहला कार्य है। अध्ययन सुझाव देता है कि भविष्य के THz नेटवर्क में ऐरे गेन और संचार विश्वसनीयता को बढ़ाने के लिए BS और IRS दोनों पर मूवेबल कंपोनेंट्स का उपयोग करना एक व्यवहार्य और प्रभावी समाधान है, बशर्ते कि उनकी स्थितियों को फ्रीक्वेंसी-डिपेंडेंट बीम विचलन का मुकाबला करने के लिए सावधानीपूर्वक कॉन्फ़िगर किया जाए। यह कार्य संचार लिंक प्रदर्शन के दायरे के भीतर पोजीशन ऑप्टिमाइज़ेशन के सैद्धांतिक और एल्गोरिथमिक योगदान पर ध्यान केंद्रित रखता है, जिसे संख्यात्मक सिमुलेशन द्वारा समर्थित किया गया है, बिना किसी विशिष्ट हार्डवेयर प्रोटोटाइप या व्यापक वाणिज्यिक अनुप्रयोगों का प्रस्ताव दिए।