[論文レビュー] RIS-THz Wireless Communication with Random Phase Noise and Misaligned Transceiver

Omkar R. Durgada, Vinay Kumar Chapala+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、α-μ fading、THz pointing error (TPE)、および統計的位相ノイズの複合的影響を受ける再構成可能知的表面 (RIS) アシスト型テラヘルツ (THz) 通信システムの包括的な性能解析を提示する。1変数および多変数のフォックスのH関数を活用して、エンドツーエンドの信号対雑音比 (SNR)、割り当て停止確率、平均ビット誤り率 (BER) の正確な解析的表現を導出する。その結果、分岐次数はα、μ、およびTPEのβパラメータに依存するが、位相ノイズとは無関係であることが明らかになった。

ABSTRACT

Existing research works on reconfigurable intelligent surfaces (RIS) based terahertz (THz) system ignores the effect of phase noise and employ the zero-boresight pointing errors model of the free-space optics channel in performance analysis. In this paper, we analyze the performance of RIS-THz transmission under the combined effect of channel fading, THz pointing error (TPE), and statistical phase noise due to imperfect phase compensation at each RIS element. First, we derive statistical results of the double $α$-$μ$ fading combined with the TPE and phase noise at individual RIS elements using single-variate Fox's function. Next, we use the multi-variate Fox's H-function representation to develop exact analytical expressions for the density and distribution functions of the resultant signal-to-noise ratio (SNR) of the RIS-THz link considering the accumulating propagation effect from all RIS elements. Using the derived statistical results, we analyze the exact and asymptotic expressions for the considered system's outage probability and average bit-error rate (BER). The analytical results show that the diversity order of the system is independent of phase noise, depends on the channel fading parameters $α$ and $μ$, and depends on the $β$ parameter of the TPE.

研究の動機と目的

• チャネルフェーディング、THz pointing error (TPE)、および位相ノイズを同時に考慮したRIS-THzシステムにおける包括的性能解析の不足に対処すること。
• ゼロボアサイド仮定に頼る単純化されたモデルを越えて、TPEと位相ノイズの複合的影響を統計的に正確にモデル化すること。
• 現実的なチャネル劣化を前提としたエンドツーエンドのSNR、割り当て停止確率、平均BERの正確な解析的表現を導出すること。
• システムの分岐次数を確立し、フェーディングパラメータ (α, μ)、TPE (β)、および位相ノイズの依存関係を特定すること。
• 多変数および1変数表現のSNR分布を扱うため、フォックスのH関数を用いた数学的に厳密なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 各RIS素子におけるα-μフェーディング分布に加え、THz pointing error (TPE) と統計的位相ノイズを組み合わせたRIS-THzチャネルをモデル化する。
• 条件付き期待値を用いて位相ノイズを組み込んだ1変数フォックスのH関数を用いて、各RIS素子における瞬時チャネルゲインの確率密度関数 (PDF) を導出する。
• モーメント生成関数 (MGF) と逆ラプラス変換を用いて、すべてのRIS素子における集約SNRのMGFを導出する。
• 多変数フォックスのH関数を用いて、すべてのRIS素子からの累積的伝搬効果を考慮したエンドツーエンドSNRの正確なPDFおよびCDFを表現する。
• 一般化されたH関数表現を用いて、割り当て停止確率および平均BERの正確および漸近的表現を導出する。
• 既知の積分表の恒等式 (例: GradshteynとRyzhik) および留数積分技術を用いて、解析的フレームワークの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 α-μフェーディング、TPE、および位相ノイズの組み合わせが、RIS-THzシステムにおけるエンドツーエンドSNR分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 TPEと位相ノイズが同時に作用するRIS-THzリンクにおけるSNRの正確なPDFおよびCDFの解析的表現は何か？
• RQ3 システムパラメータα、μ、β (TPE)、および位相ノイズの特性が、RIS-THzリンクの分岐次数にどのように影響を与えるか？
• RQ4 現実的なチャネル劣化下での割り当て停止確率および平均BERの正確および漸近的表現は何か？
• RQ5 フェーディングとTPEが存在する条件下で、位相ノイズがRIS-THzシステムの分岐利得に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• RIS-THzシステムの分岐次数は位相ノイズに依存しないことが示され、位相ノイズがシステムの分岐利得を制限しないことが明らかになった。
• 分岐次数はα-μフェーディングパラメータαとμ、およびTPEパラメータβに依存しており、これは不整合フェーディングの深刻さを制御する。
• 多変数フォックスのH関数を用いて、エンドツーエンドSNRのPDFおよびCDFの正確な解析的表現が導出され、性能評価の高精度化が可能になった。
• MGFと逆ラプラス変換を用いて、割り当て停止確率および平均BERの閉形式表現が得られ、留数積分および特殊関数の恒等式を用いて妥当性が検証された。
• 提案されたフレームワークにより、近似手法に依存する既存の研究の限界を克服し、現実的な条件下での正確な性能解析が可能になった。
• フォックスのH関数の使用により、複雑で相関のあるフェーディングおよびノイズ効果を高い数学的整合性でモデル化でき、実用的システム設計に適したものとなった。