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

技术摘要：一种用于 IRS 辅助 THz 通信中抑制波束偏移效应的灵活设计

问题陈述
太赫兹（THz）通信为下一代网络提供了极大的带宽，但面临着严重的路径损耗和大气吸收问题。虽然智能反射超表面（IRS）和可移动天线（MA）已被分别提出用于增强性能，但在宽带 THz 系统中，将两者联合部署面临着一个关键挑战：双重波束偏移（double beam squint）效应。在宽带系统中，子载波频率会显著偏离参考（中心）频率。这导致基站（BS）和 IRS 两端的模拟波束赋形增益在整个频谱范围内发生退化和波动。由于 BS-IRS-用户链路具有乘性特征，这种各自的退化会产生复合效应，导致被称为“双重波束偏移效应”的严重信号幅度在各子载波间发生剧烈波动。现有文献研究了单跳系统中用于缓解波束偏移的 MA，以及用于增强 THz 性能的 IRS，但针对在宽带 THz MISO 系统中通过在 BS 和 IRS 两端同时部署可移动组件来对抗这种双重效应的具体策略，目前仍缺乏深入研究。

方法论
作者提出了一个系统模型：基站配备一个由 MA 组成的二维平面阵列，通过由可移动子阵列组成的 IRS 为用户提供服务。核心目标是通过联合优化 BS 端 MA 的位置以及 IRS 表面子阵列的位置，来最大化整个 THz 频段内的最小接收功率。

该优化问题被建模为一个非凸问题 (P1)，这是由于天线位置与接收信号幅度之间的复杂关系，以及关于可行移动区域和避免耦合/碰撞的最小间距约束所致。为了解决该问题，作者开发了一种基于**块坐标下降（BCD）法结合连续最大化-最小化（MM）**法的迭代算法：

1. 问题转换： 通过引入一个代表最小接收功率的松弛变量，将最大最小问题转换为易于处理的形式 (P2)。
2. 交替优化： 算法在优化单个 MA 位置（同时固定其他 MA）和单个 IRS 子阵列位置之间进行交替。
3. 通过 MM 进行凸化： 针对非凸的接收功率约束和非凸的距离约束：
   • 使用二阶泰勒展开式对接收功率函数进行近似，用一个较小的、全局有效的下界代理函数替换 Hessian 矩阵。
   • 使用一阶泰勒展开式对非凸距离约束（最小间距）进行凸化，使其成为一个全局凹下界。
4. 求解： 生成的子问题 (P4m 用于 MAs 和 P6k 用于 IRS 子阵列) 是凸问题，并使用标准数值求解器（如 CVX）进行高效求解。

核心贡献

• 新颖的系统架构： 本研究首次探讨了通过在 BS 端部署 MA 阵列并在 IRS 端部署可移动子阵列，来抑制宽带 THz 系统中双重波束偏移效应的方法。
• 联合位置优化： 本文构建并求解了一个具有挑战性的联合优化问题，旨在通过配置可移动组件的物理位置，来最大化整个频谱范围内的最差情况接收功率。
• 算法开发： 开发了一种基于 MM 框架的低复杂度算法，以处理位置相关信道模型和分离约束中固有的非凸性。

仿真结果
数值结果在特定的 THz 参数（例如 287–291.6 GHz）下验证了所提方法。

• 收敛性： 所提算法表现出单调收敛性，在少于 10 次迭代内达到稳定解。
• 波束偏移抑制： 结果表明，通过合理配置 MA 和 IRS 子阵列的位置，可以完全消除双重波束偏移效应。相比之下，固定天线系统或仅有一侧具有可移动组件的系统，在频带内表现出显著的幅度波动。
• 性能增益： 虽然双重波束偏移效应得到了缓解，但由于频率相关的路径损耗（高频经历更高的损耗），接收幅度在频带内仍会有轻微变化，但由波束失配引起的严重性能退化已被消除。

意义与主张
本文声称，这种灵活的设计通过有效缓解双重波束偏移效应，为宽带 THz 通信提供了显著益处，而该效应是维持宽带宽内一致性能的主要瓶颈。作者强调，这是第一项研究通过在 BS 和 IRS 两端同时利用可移动组件来对抗该效应的工作。研究表明，只要能够精细配置位置以抵消频率相关的波束偏差，在 BS 和 IRS 上均使用可移动组件是增强未来 THz 网络中阵列增益和通信可靠性的可行且有效的方案。本研究侧重于位置优化的理论和算法贡献，并通过数值仿真进行了支持，并未提出超出通信链路性能范围的具体硬件原型或更广泛的商业应用。