Curved Waveguide-Enabled Pinching-Antenna System (C-PAS): Communication Performance Analysis

技术摘要：曲面波导增强型挤压天线系统 (C-PAS)

问题陈述
现有的挤压天线系统 (PAS) 研究主要假设采用直线型波导部署。这一假设未能解决具有曲线边界的实际通信场景，例如穹顶体育场、弧形走廊以及高架环形匝道。在这些环境中，由于服务区域的曲率以及内壁遮挡的存在，直线波导无法提供全视距 (LoS) 覆盖。此外，曲线波导的弯曲半径引入了影响信号覆盖、波导损耗和天线最佳放置位置的新变量，而这些变量在先前的 PAS 文献中尚未得到充分研究。

方法论
本文提出了一种用于弧形室内服务区域的曲面波导增强型挤压天线系统 (C-PAS)。该系统模型由一个基站、沿天花板呈弧形部署的介质波导以及一个可在波导任意位置激活的挤压天线 (PA) 组成。

1. 系统建模： 作者建立了一个几何模型，其中用户均匀分布在由内半径 ($R_{in}$)、外半径 ($R_{out}$) 和扇形角 ($\theta$) 定义的环形扇区内。信道模型结合了自由空间路径损耗、波导衰减（结合吸收系数和辐射系数）以及相移。该模型的一个关键组成部分是推导了由内壁引起的 LoS 遮挡条件，该条件限制了特定角度位置用户的通信范围。
2. 放置策略： 本文开发了两种 PA 放置策略：
   • 最优 PA 放置策略： 该策略旨在通过推导最优 PA 角度位置的闭式解来最大化接收信噪比 (SNR)。它区分了存在与不存在内壁遮挡的情景。在无遮挡情况下，最优位置是通过平衡自由空间距离与波导损耗来推导出的。在存在遮挡的情况下，位置受限于 LoS 遮挡范围。
   • 最近 PA 放置策略： 作为一种低复杂度的基准，该策略将 PA 的角度位置直接与用户的角度位置对齐 ($\phi_p = \phi_u$)，前提是不违反 LoS 约束。
3. 性能分析： 本文为两种策略推导了中断概率 (OP) 和平均速率 (AR) 的解析表达式。这些推导考虑了用户的随机分布以及曲线环境中的特定几何约束。

核心贡献

• C-PAS 架构： 本文引入了第一个利用曲线波导服务弧形区域的 PAS 模型，建立了等宽环形扇形通信模型。
• LoS 遮挡分析： 推导了 LoS 通信的数学判据，明确考虑了弧形几何结构中固有的永久性内壁遮挡。
• 放置策略： 作者提出了并分析了最优和最近 PA 放置策略。文中提供了最优 PA 位置的闭式表达式，并区分了被遮挡和未被遮挡的 LoS 情景。
• 解析性能指标： 为两种策略推导了 OP 和 AR 的闭式解析表达式。这些表达式通过蒙特卡洛模拟得到了验证。
• 参数优化见解： 研究确定了最优系统配置，揭示了对于固定的服务区域，存在特定的扇形角或内壁半径可以使 OP 最小化或使 AR 最大化。

结果
仿真结果验证了理论分析，并强调了几个关键发现：

• 策略对比： 在 OP 和 AR 方面，最优 PA 放置策略始终优于最近策略。在波导损耗系数较高或波导高度较大时，这种性能差距显著扩大，因为此时最优策略通过权衡自由空间距离与减少波导损耗的能力显得至关重要。
• 发射功率与弯曲半径： 最优波导弯曲半径 ($r_{wg}$) 取决于基站的发射功率 ($P_t$)。在高 $P_t$ 下，波导损耗是主要的限制因素，因此较小的弯曲半径（靠近 $R_{in}$）更有利于最小化波导长度。相反，在低 $P_t$ 下，自由空间衰减占主导地位，中弧半径 ($R_{mid}$) 通过最小化到用户的平均距离从而产生最佳性能。
• 几何优化： 对于固定的服务区域，OP 和 AR 随内壁半径 ($R_{in}$) 和扇形角 ($\theta$) 呈现非单调行为。存在一个最优的 $R_{in}$ 和 $\theta$，可以在自由空间路径损耗与波导衰减之间取得平衡。
• 鲁棒性： 与最近策略相比，最优策略在应对由增加波导高度或损耗系数导致的信道退化时，表现出更强的鲁棒性。

意义
本文声称是第一项研究使用曲线波导的 PAS 的工作，解决了在非矩形、曲线环境下部署灵活天线架构的关键空白。通过提供全面的通信模型和用于性能评估的分析工具，本研究为实际的 C-PAS 部署提供了设计指南。研究表明，虽然简单的对齐策略（最近 PA）在曲线、高损耗环境中是不够的，但优化的放置策略可以有效缓解波导损耗和遮挡问题，从而增强 PAS 在下一代（6G）室内通信网络中的可行性。