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太赫兹超表面系统信号传输模型和相移调控

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admin 发表于 2024-12-14 02:49 | 查看全部 阅读模式

文档名:太赫兹超表面系统信号传输模型和相移调控
摘要:近场效应导致远场窄带假设的信号传输模型不再适用,宽带效应下基于中心频率的超表面相移调控将产生波束斜视现象,加重系统性能恶化.针对此问题,考虑波束斜视效应和近场效应,推导适用于任意尺寸超表面的阵列响应和近场宽带信号传输模型.基于上行可达速率的分析,提出超表面相移调控方案.结果表明:所提相移调控方案能有效缓解波束斜视效应;在发射功率为1mW、基站天线数为64、超表面单元数为1440的同等条件下,所提相移调控方案可将系统速率提高至中心频率方案下的2倍以上.

Abstract:Withthegradualmaturityofthefifth-generation(5G)mobilecommunicationtechnology,researchintothesixth-generation(6G)mobilecommunicationshasbeenunderway.5Gtechnologiesfailtomeetthecomprehensivecommunicationneedsof6G,particularlyintermsofsystemenergyconsumptionandenergyefficiency.Metasurface,comprisedofnumeroussub-wavelengthunits,arecapableofcontrollingelectromagneticwavepropertiessuchasreflection,scattering,andpolarization.Theyarewellknownfortheirlowenergyconsumption,easeoffabrication,andlowcost,andthustheycanrebuildthewirelesspropagationenvironmentasrequired,offeringanewparadigmforwirelesstransmission.Theapplicationofmetasurfacehasgainedkeenacademicinterestfortheirpotentialtocutenergyconsumptionandenhancesystemenergyefficiencyincommunicationsystems.Highfrequencies,suchasterahertz,havegarneredmuchattentionduetotheirabundantbandwidths.However,theyshowinherentdisadvantages,includingashortereffectivetransmissiondistance,severepathblockages,andincreasinglyapparentchannelfrequency-selectivecharacteristics.Alargenumberofmetasurfaceunitsareneededtocompensatefortheseperformancelosses.Consequently,near-fieldcommunicationbasedonultra-large-scalearraysissettobecomeawidespreadapplicationscenario.Near-fieldcommunicationensuresmostcommunicationdevicesarelocatedinthenear-fieldofthearray.Therefore,thesignaltransmissionmodelbasedonthenarrowbandhypothesisinthefarfieldisnolongerapplicableduetothenear-fieldeffect.Meanwhile,thephase-shiftdesignbasedonthecenterfrequencywillintroducethebeamsquinteffectowingtothewidebandeffect,leadingtodeteriorationofthesystemperformance.Solutionstoissuesaboveareproposedinthispaper.Thepathlossmodelofmetasurface-assistedcommunicationsystemsfromtheperspectiveofelectromagneticscatteringisfirstanalyzed,withtheconsiderationofbothbeamsquintandnear-fieldeffects.Theprecisearraymanifoldandnear-fieldbroadbandsignaltransmissionmodelofmetasurfacesarederived,consideringbothspatialbroadbandeffectsandnear-fieldeffects.Furthermore,themaximizationproblemofachievableratesinnear-fieldbroadbandsystemsisredefined,derivingaclosed-formsuboptimalsolutionformetasurfacephaseshiftdesign.Aphaseshiftdesignschemebasedonnon-uniformfrequenciesisproposedtomitigatethebeamsquinteffect.Forsingle-userscenarios,itderivesasimilarsolutionandproposesaphaseshiftdesignschemetoalleviatebeamsquint.Finally,simulationexperimentsareconductedtovalidatetheaccuracyoftheproposednear-fieldbroadbandmodelandthesuperiorityoftheproposedmetasurfacephaseshiftdesignschemeinenhancingtheachievableratesofnear-fieldbroadband.Ourresultsvalidatetheeffectivenessoftheproposedphase-shiftcontrolmethodinalleviatingthebeamsquinteffect.Forexample,comparedwiththecentralfrequency-basedphaseshiftdesign,theproposedschemeobtainsmorethan200%improvementintheachievableratewhilethetransmittingpoweris1mW,theelementnumberofbasestationantennasis64,andtheelementsnumberofmetasurfaceis1440.

作者:程亚军   曹源   黄崇文   彭薇   罗锴   陈达 Author:CHENGYajun   CAOYuan   HUANGChongwen   PENGWei   LUOKai   CHENDa
作者单位:华中科技大学网络空间安全学院,武汉430074浙江大学信息与电子工程学院,杭州310058华中科技大学网络空间安全学院,武汉430074;深圳华中科技大学研究院,深圳518063
刊名:重庆理工大学学报 PKU
Journal:JournalofChongqingInstituteofTechnology
年,卷(期):2024, 38(5)
分类号:TN929.5
关键词:太赫兹通信  超表面  性能分析  相移调控  
Keywords:terahertzcommunications  metasurface  performanceanalysis  phaseshiftcontrol  
机标分类号:O412.2S663.1TN929.5
在线出版日期:2024年5月24日
基金项目:国家重点研发计划,国家自然科学基金,国家自然科学基金,国家自然科学基金,深圳市科技计划资助项目太赫兹超表面系统信号传输模型和相移调控[
期刊论文]  重庆理工大学学报--2024, 38(5)程亚军  曹源  黄崇文  彭薇  罗锴  陈达近场效应导致远场窄带假设的信号传输模型不再适用,宽带效应下基于中心频率的超表面相移调控将产生波束斜视现象,加重系统性能恶化.针对此问题,考虑波束斜视效应和近场效应,推导适用于任意尺寸超表面的阵列响应和近场宽...参考文献和引证文献
参考文献
引证文献
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太赫兹超表面系统信号传输模型和相移调控.pdf
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