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

Resumo Técnico: Um Design Flexível para Supressão do Efeito de Beam Squint em Comunicações THz Auxiliadas por IRS

Definição do Problema
As comunicações em Terahertz (THz) oferecem uma vasta largura de banda para redes de próxima geração, mas sofrem com severa perda de percurso e absorção atmosférica. Embora Superfícies Inteligentes Reconfiguráveis (IRS) e Antenas Móveis (MAs) tenham sido propostas individualmente para melhorar o desempenho, o seu implantação conjunta em sistemas THz de banda larga enfrenta um desafio crítico: o efeito de duplo beam squint. Em sistemas de banda larga, as frequências das subportadoras desviam-se significativamente da frequência de referência (central). Isso faz com que os ganhos de formação de feixe analógico tanto na Estação Base (BS) quanto na IRS degradem e flutuem ao longo do espectro. Devido à natureza multiplicativa do link BS-IRS-usuário, essas degradações individuais acumulam-se, levando a severas flutuações de amplitude de sinal entre as subportadoras, conhecido como o efeito de duplo beam squint. A literatura existente explorou MAs para mitigação de beam squint em sistemas de salto único e IRS para reforço de THz, mas a estratégia específica de implantar componentes móveis tanto na BS quanto na IRS para combater este duplo efeito em sistemas MISO THz de banda larga permanece amplamente não investigada.

Metodologia
Os autores propõem um modelo de sistema onde uma BS equipada com um arranjo planar 2D de MAs atende um usuário via uma IRS composta por subarrays móveis. O objetivo central é maximizar a potência mínima recebida em toda a banda de frequência THz através da otimização conjunta das posições das MAs na BS e dos subarrays na superfície da IRS.

O problema de otimização é formulado como um problema não convexo (P1) devido à relação complexa entre as posições das antenas e a potência recebida, bem como restrições relativas às regiões de movimento viáveis e distâncias mínimas de separação para evitar acoplamento/colisão. Para resolver isso, os autores desenvolvem um algoritmo iterativo baseado no método de Descida de Coordenadas em Bloco (BCD) combinado com Majorização-Minimização (MM):

1. Transformação do Problema: O problema min-max é convertido em uma forma tratável (P2) através da introdução de uma variável de folga que representa a potência mínima recebida.
2. Otimização Alternada: O algoritmo alterna entre a otimização da posição de uma única MA (mantendo as outras fixas) e de um único subarray da IRS.
3. Convexificação via MM: Para as restrições não convexas de potência recebida e restrições de distância não convexas:
   • A função de potência recebida é aproximada usando uma expansão de Taylor de segunda ordem, substituindo a matriz Hessiana por um substituto (surrogate) menor e globalmente válido.
   • As restrições de distância não convexas (separação mínima) são convexificadas usando uma expansão de Taylor de primeira ordem, que serve como um limite inferior globalmente côncavo.
4. Solução: Os subproblemas resultantes (P4m para MAs e P6k para subarrays da IRS) são convexos e resolvidos eficientemente usando solvers numéricos padrão (ex: CVX).

Principais Contribuições

• Arquitetura de Sistema Inovadora: Este trabalho apresenta o primeiro estudo sobre a supressão do efeito de duplo beam squint em sistemas THz de banda larga através da implantação simultânea de um arranjo de MA na BS e de subarrays móveis na IRS.
• Otimização Conjunta de Posição: O artigo formula e resolve um desafiador problema de otimização conjunta para configurar as localizações físicas dos componentes móveis para maximizar a pior potência recebida através do espectro.
• Desenvolvimento de Algoritmo: Um algoritmo de baixa complexidade é desenvolvido utilizando o framework MM para lidar com as não convexidades inerentes ao modelo de canal dependente da posição e às restrições de separação.

Resultados de Simulação
Resultados numéricos validam a abordagem proposta sob parâmetros THz específicos (ex: 287–291.6 GHz).

• Convergência: O algoritmo proposto demonstra convergência monotônica, atingindo uma solução estável em menos de 10 iterações.
• Supressão de Beam Squint: Os resultados mostram que a configuração apropriada das posições das MAs e dos subarrays da IRS pode eliminar completamente o efeito de duplo beam squint. Em contraste, sistemas com antenas fixas ou com apenas um lado de componentes móveis exibem flutuações de amplitude significativas ao longo da banda de frequência.
• Ganho de Desempenho: Embora o efeito de duplo beam squint seja mitigado, a amplitude recebida ainda varia ligeiramente através da banda devido à perda de percurso dependente da frequência (frequências mais altas experimentam maior perda), mas a severa degradação causada pelo desalinhamento do feixe é removida.

Significância e Alegações
O artigo alega que o design flexível proposto oferece um benefício significativo para comunicações THz de banda larga ao mitigar efetivamente o efeito de duplo beam squint, que é um gargalo importante para manter o desempenho consistente através de amplas larguras de banda. Os autores enfatizam que este é o primeiro trabalho a investigar esta estratégia específica de componentes duplamente móveis. O estudo sugere que utilizar componentes móveis tanto na BS quanto na IRS é uma solução viável e eficaz para aumentar o ganho de arranjo e a confiabilidade da comunicação em futuras redes THz, desde que as posições sejam delicadamente configuradas para neutralizar os desvios de feixe dependentes da frequência. O trabalho mantém o foco nas contribuições teóricas e algorítmicas para a otimização de posição, apoiadas por simulações numéricas, sem propor protótipos de hardware específicos ou aplicações comerciais mais amplas além do escopo do desempenho do link de comunicação.