Reconfigurable intelligent surface (RIS) has emerged as a promising solution to overcome the challenges of high path loss and easy signal blockage in millimeter-wave (mmWave) and terahertz (THz) communication systems. With the increase of RIS aperture and system bandwidth, the near-field beam split effect emerges, which causes beams at different frequencies to focus on distinct physical locations, leading to a significant gain loss of beamforming. To address this problem, we leverage the property of Fresnel zone that the beam split disappears for RIS elements along a single Fresnel zone and propose beamforming design on the two dimensions of along and across the Fresnel zones. The phase shift of RIS elements along the same Fresnel zone are designed aligned, so that the signal reflected by these element can add up in-phase at the receiver regardless of the frequency. Then the expression of equivalent channel is simplified to the Fourier transform of reflective intensity across Fresnel zones modulated by the designed phase. Based on this relationship, we prove that the uniformly distributed in-band gain with aligned phase along the Fresnel zone leads to the upper bound of achievable rate. Finally, we design phase shifts of RIS to approach this upper bound by adopting the stationary phase method as well as the Gerchberg-Saxton (GS) algorithm. Simulation results validate the effectiveness of our proposed Fresnel zone-based method in mitigating the near-field beam split effect.


翻译:可重构智能表面(RIS)已成为克服毫米波(mmWave)和太赫兹(THz)通信系统中高路径损耗和信号易阻塞挑战的一种有前景的解决方案。随着RIS孔径和系统带宽的增加,近场波束分裂效应随之出现,导致不同频率的波束聚焦于不同的物理位置,从而引起显著的波束成形增益损失。为解决此问题,我们利用菲涅尔区的特性——即沿单个菲涅尔区的RIS单元波束分裂效应消失,并提出了沿菲涅尔区和跨菲涅尔区两个维度的波束成形设计。沿同一菲涅尔区的RIS单元相位偏移被设计为对齐,使得这些单元反射的信号在接收端能够同相叠加,而与频率无关。随后,等效信道的表达式被简化为跨菲涅尔区的反射强度经设计相位调制后的傅里叶变换。基于这一关系,我们证明了沿菲涅尔区相位对齐的均匀带内增益可实现速率的上界。最后,我们采用驻定相位法以及Gerchberg-Saxton(GS)算法设计RIS的相位偏移,以逼近该上界。仿真结果验证了我们提出的基于菲涅尔区的方法在缓解近场波束分裂效应方面的有效性。

0
下载
关闭预览

相关内容

设计是对现有状的一种重新认识和打破重组的过程,设计让一切变得更美。
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关VIP内容
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员