A simultaneously transmitting and reflecting surface (STARS) aided terahertz (THz) communication system is proposed. A novel power consumption model is proposed that depends on the type and resolution of the STARS elements. The spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) are maximized in both narrowband and wideband THz systems by jointly optimizing the hybrid beamforming at the base station (BS) and the passive beamforming at the STARS. 1) For narrowband systems, independent phase-shift STARSs are investigated first. The resulting complex joint optimization problem is decoupled into a series of subproblems using penalty dual decomposition. Low-complexity element-wise algorithms are proposed to optimize the analog beamforming at the BS and the passive beamforming at the STARS. The proposed algorithm is then extended to the case of coupled phase-shift STARS. 2) For wideband systems, the spatial wideband effect at the BS and STARS leads to significant performance degradation due to the beam split issue. To address this, true time delayers (TTDs) are introduced into the conventional hybrid beamforming structure for facilitating wideband beamforming. An iterative algorithm based on the quasi-Newton method is proposed to design the coefficients of the TTDs. Finally, our numerical results confirm the superiority of the STARS over the conventional reconfigurable intelligent surface (RIS). It is also revealed that i) there is only a slight performance loss in terms of SE and EE caused by coupled phase shifts of the STARS in both narrowband and wideband systems, and ii) the conventional hybrid beamforming achieves comparable SE performance and much higher EE performance compared with the full-digital beamforming in narrowband systems but not in wideband systems, where the TTD-based hybrid beamforming is required for mitigating wideband beam split.


翻译:本文提出了一种同时传输和反射面(STARS)辅助的太赫兹(THz)通信系统。提出了一种新颖的功耗模型,其取决于STARS元素的类型和分辨率。通过联合优化基站(BS)的混合波束成形和STARS的被动波束成形,无论是窄带还是宽带THz系统,都可以最大化频谱效率(SE)和能量效率(EE)。1)对于窄带系统,首先研究了独立相移STARS。通过使用惩罚对偶分解,将得到的复杂联合优化问题解耦为一系列子问题。提出了低复杂度的元素级算法,用于优化BS的模拟波束成形和STARS的被动波束成形。然后将所提出的算法扩展到耦合相移STARS的情况。2)对于宽带系统,BS和STARS的宽带空间效应会导致由于波束分裂问题而产生的显着性能下降。为了解决这个问题,将真实时间延迟器(TTD)引入到传统的混合波束成形结构中,以促进宽带波束成形。提出了一种基于拟牛顿法的迭代算法,用于设计TTD的系数。最后,我们的数值结果证实了STARS相对于传统的可重构智能表面(RIS)的优越性。此外,我们发现,对于同时相移的STARS,在窄带和宽带系统中,只有微小的SE和EE性能损失;传统的混合波束成形相对于窄带系统中的全数字波束成形具有可比较的SE性能和更高的EE性能,但在宽带系统中不具备这种优势,需要TTD-based混合波束成形来减轻宽带波束分裂的问题。

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