[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surface Aided TeraHertz Communications Under Misalignment and Hardware Impairments.

Hongyang Du, Jiayi Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 34被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、路損失、ハードウェア制限、アレータのずれを克服するため、再構成可能インテリジェント表面（RIS）を支援する太赫茲（THz）通信システムを提案する。THzの fading をフラクチュエーティング・ツーレイ（F2R）分布でモデル化し、RIS素子における離散的位相シフトを最適化することで、SNR、SNDR、中断確率、エゴリック容量の正確な統計的指標を導出する。その結果、深刻な路損失にもかかわらず、RIS素子の数を増やすことでシステム性能が著しく向上することが示された。

ABSTRACT

TeraHertz (THz) communications are envisioned to help satisfy the ever high data rates demand with massive bandwidth in the future wireless communication systems. However, severe path attenuation, transceiver antenna misalignment, and hardware imperfection greatly alleviate the performance of THz communications. To solve this challenge, we utilize the recently proposed reconfigurable intelligent surface (RIS) technology and provide a comprehensive analytical framework of RIS-aided THz communications. More specifically, we first prove that the small-scale amplitude fading of THz signals can be exactly modeled by the fluctuating two-ray distribution based on recent measurements. Exact statistical characterizations of end-to-end signal-to-noise plus distortion ratio (SNDR) and signal-to-noise ratio (SNR) are derived. Moreover, we propose a novel method of optimizing the phase-shifts at the RIS elements under discrete phase constraints. Finally, we derive analytical expressions for the outage probability and ergodic capacity, respectively. The tight upper bounds of ergodic capacity for both ideal and non-ideal radio frequency chains are obtained. We provided Monte-Carlo simulations to validate the accuracy of our results. It is interesting to find that the impact of path loss is more pronounced compared to others, and increasing the number of elements at the RIS can significantly improve the THz communication system performance.

研究の動機と目的

• 太赫茲（THz）通信における深刻な路損失、受信機・送信機のアレータのずれ、ハードウェア制限という重要な課題に対処する。
• 現実的なハードウェアおよび伝搬条件下でのRIS支援THzシステムの包括的解析フレームワークを構築する。
• 離散的位相制約下でのRIS位相シフトを最適化し、システム性能を向上させる。
• 中断確率、エゴリック容量、SNDR/SNR統計の主な性能指標について正確な式を導出する。
• 理想および非理想RFチェーン下でのエゴリック容量に対するタイトな上界を提供する。

提案手法

• 最近の測定結果により妥当性が確認された、THz信号の小スケールアモジュードフェーディングをフラクチュエーティング・ツーレイ（F2R）分布でモデル化する。
• エンドツーエンドの信号対ノイズ＋歪み比（SNDR）および信号対ノイズ比（SNR）の正確な統計的分布を導出する。
• システム性能を最大化するため、離散的位相制約下でのRIS位相シフトを最適化する新規手法を提案する。
• 現実的なハードウェア制限下でのRIS支援THzシステムの中断確率およびエゴリック容量を分析する。
• 理想および非理想ラジオ周波数チェーンの両状況下でのエゴリック容量に対するタイトな上界を導出する。
• 正確性と頑健性を確認するため、モンテカルロシミュレーションにより解析結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近の測定結果に基づいて、フラクチュエーティング・ツーレイ（F2R）分布はTHz信号の小スケールフェーディングをどれほど正確にモデル化できるか？
• RQ2 ハードウェア制限およびアレータのずれを伴うRIS支援THzシステムにおけるSNDRおよびSNRの正確な統計的特徴は何か？
• RQ3 離散的位相制約下でRIS位相シフトをどのように最適化すればTHzシステム性能を向上させられるか？
• RQ4 路損失、ハードウェア制限、ずれがRIS支援THzシステムの中断確率およびエゴリック容量に与える影響は何か？
• RQ5 RIS支援THz通信において、理想および非理想RFチェーン下でのエゴリック容量に対するタイトな上界はどのように異なるか？

主な発見

• フラクチュエーティング・ツーレイ（F2R）分布は、最近の測定結果により妥当性が確認された、THz信号の小スケールアモジュードフェーディングの正確なモデルを提供する。
• THzシステム性能に及ぼす路損失の影響は、ハードウェア制限やずれの影響よりも顕著である。
• RIS素子の数を増やすことで、特に路損失の低減およびエゴリック容量の向上に寄与し、システム性能が顕著に向上する。
• 理想および非理想RFチェーンの両状況下でのエゴリック容量に対するタイトな上界が導出され、現実的なハードウェア制約下での性能評価が可能になった。
• 離散的制約下での位相シフト最適化手法は、システムの信頼性およびスペクトル効率を効果的に向上させる。
• モンテカルロシミュレーションにより、中断確率、エゴリック容量、SNDR/SNR統計の導出式の正確性が確認された。