用于RIS辅助的THz通信的近场宽带波束成形技术（结合FTTDs）

《IEEE Transactions on Wireless Communications》：Near-Field Wideband Beamforming for RIS-Assisted THz Communications With FTTDs

本文针对可重构智能表面（RIS）在近场太赫兹通信中存在的波束偏移效应和功耗问题，提出采用低功耗固定真时延（FTTD）结合动态架构的解决方案。通过设计具有频率相关相位特性的共享FTTD模块，并利用开关网络实现时延动态切换，在保证系统增益的同时显著降低功耗，仿真验证了该方案的有效性。

　　

摘要：

可重构智能表面（RIS）在太赫兹（THz）通信领域展现了其潜力，因为它能够扩展覆盖范围并补偿THz信号的严重衰减。本文研究了一种大规模的RIS辅助THz通信系统在近场环境中的应用。然而，由于频率独立的相位移动电路导致RIS的波束偏斜效应，使得整个带宽范围内的阵列增益损失严重。虽然能够产生频率依赖性相位移动的真实时间延迟（TTDs）可以缓解波束偏斜问题，但它们通常功耗较高。为了解决这一问题，我们引入了一组功耗低且插入损耗小的固定真实时间延迟（FTTDs），这些FTTDs被RIS的各个元件共享，从而产生频率依赖性相位移动，进而解决波束偏斜问题。为了克服FTTDs无法改变延迟的局限性，我们提出了一种动态架构，该架构包括一个交换网络和两层相位器，使RIS的各个元件能够选择合适的FTTDs。随后，我们分析了所提出的配备FTTDs的RIS的理论阵列增益，并确定了有效缓解波束偏斜所需的最少FTTDs数量。然后，我们提出了一个最大化可实现速率的问题，并设计了一个两阶段算法。具体来说，在第一阶段，我们为基站（BS）和RIS获得了最优的宽带波束成形设计；在第二阶段，我们用所提出架构中的波束成形设计来近似这个最优设计。最后，仿真结果表明，我们的RIS设计只需少量FTTDs即可实现接近最优的可实现速率和更高的能源效率。

引言

为了满足6G无线网络的宏伟目标，例如高达1000 Gbps的峰值数据速率以及每平方公里百万设备的连接密度[1]、[2]，探索新技术至关重要。当前的频段正变得越来越拥挤，这使得实现这些目标变得困难。作为一种有前景的解决方案，太赫兹（THz）通信凭借其0.1至10 THz的广阔频谱资源应运而生，其带宽远高于传统频段[3]、[4]。这种扩展的带宽支持超高的数据速率，并提供了额外的频谱资源以满足6G所需的大量连接密度。然而，THz通信所对应的高频率也带来了挑战，如严重的传播衰减和易受遮挡的影响，这些问题需要得到解决，才能充分发挥THz通信在下一代网络中的潜力。