[논문 리뷰] Coverage and Rate Analysis in Coexisting Terahertz and RF Finite Wireless Networks

Nour Kouzayha, Mustafa A. Kishk외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 01.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 유한한 실내 테라헤르츠(THz) 및 라디오 주파수(RF) 네트워크의 공존 모델을 제안하며, 스토하스틱 기하학을 사용하여 커버리지 확률과 평균 구현 가능한 데이터 전송률을 분석한다. 연구는 THz 접근점 밀도를 높일수록 데이터 전송률은 증가하지만 커버리지 품질은 악화되는 임계적인 트레이드오프를 드러내며, 최적의 성능는 사용자 위치와 THz 비용에 따라 달라진다.

ABSTRACT

Wireless communications over Terahertz (THz)-band frequencies are vital enablers of ultra-high rate applications and services in sixth-generation (6G) networks. However, THz communications suffer from poor coverage because of inherent THz features such as high penetration losses, severe path loss, and significant molecular absorption. To surmount these critical challenges and fully exploit the THz band, we explore a coexisting radio frequency (RF) and THz finite indoor network in which THz small cells are deployed to provide high data rates, and RF macrocells are deployed to satisfy coverage requirements. Using stochastic geometry tools, we assess the performance of coexisting RF and THz networks in terms of coverage probability and average achievable rate. The accuracy of the analytical results is validated with Monte-Carlo simulations. Several insights are devised for accurate tuning and optimization of THz system parameters, including the fraction of THz access points (APs) to deploy, and the THz bias. The obtained results recognize a clear coverage/rate trade-off where a high fraction of THz AP improves the rate significantly but may degrade the coverage performance. Furthermore, the location of the user in the finite area highly affects the fraction of THz APs that optimizes the performance.

연구 동기 및 목표

• 6G 네트워크에서 높은 경로 손실, 분자 흡수 및 차단으로 인한 제한된 THz 커버리지 문제를 해결한다.
• RF 매크로셀이 커버리지를 보장하고, THz 스몰셀이 초고속 데이터 전송을 제공하는 하이브리드 RF-THz 네트워크 아키텍처를 제안한다.
• 스토하스틱 기하학을 활용해 유한한 실내 환경에서의 네트워크 성능을 평가할 수 있는 수학적으로 엄밀한 분석 프레임워크를 개발한다.
• 커버리지와 전송률을 균형 있게 유지하기 위해 THz 시스템 파라미터(예: 접근점 밀도 및 비용)를 최적화하기 위한 설계 통찰을 제공한다.

제안 방법

• 라인오브사이트(LOS) 및 라인오브사이트가 아닌(NLOS) 전파를 고려하여, 포아송 점 프로세스를 활용해 RF 및 THz 접근점(AP)을 모델링한 유한한 실내 영역으로 네트워크를 설정한다.
• 스토하스틱 기하학 도구를 사용해 경로 손실, 분자 흡수 및 방향성 빔포밍을 고려한 커버리지 확률과 평균 구현 가능한 전송률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 주파수 의존성 흡수(예: $k_a(f_T)$)와 감마 분포를 따르는 소규모 fading 이득을 통해 거리에 따라 변하는 경로 손실 모델과 그림자 효과를 통합한다.
• 모멘트 생성 함수(MGF) 기법과 조건부 거리 분포를 활용해 LOS 및 NLOS THz AP로부터 오는 간섭을 고려한다.
• 간섭 전력의 라플라스 변환을 방향성 이득과 간섭원의 공간 분포 평균을 통해 유도한다.
• 전체 확률의 법칙과 변수 변경 기법을 적용해 SINR 분포 및 대역폭 할당 조건을 바탕으로 평균 구현 가능한 전송률을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 실내 네트워크에서 THz 접근점의 도입 밀도는 커버리지 확률과 평균 구현 가능한 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 THz 링크를 통해 고속 데이터 전송을 달성하는 것과 RF 링크를 통해 신뢰성 있는 커버리지를 유지하는 것 사이의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ3 유한한 실내 영역 내 사용자 위치는 최적의 THz AP 비율을 결정하는 데 어떤 영향을 미치며, 성능 최적화에 있어 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 THz 비용 조정은 시스템 성능에 얼마나 큰 영향을 미치며, 커버리지와 전송률 간 균형을 맞추기 위해 어떻게 최적화될 수 있는가?
• RQ5 몬테카를로 시뮬레이션과 비교했을 때 분석 모델의 네트워크 성능 예측 정확도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 높은 비율의 THz 접근점은 평균 구현 가능한 전송률을 크게 향상시키지만, 간섭 증가와 차단에 민감한 영향으로 인해 커버리지 확률이 악화될 수 있다.
• 최적의 THz AP 비율은 사용자 위치에 따라 크게 달라지며, 접근점에 가까운 위치일수록 다른 밀도에서 성능 최적화가 이루어진다.
• 커버리지 확률은 전송률보다 사용자 위치와 차단 조건에 더 민감하며, 특히 경로 손실과 흡수가 심한 NLOS 환경에서는 더욱 그러하다.
• 커버리지 확률과 평균 전송률에 대한 분석 결과는 몬테카를로 시뮬레이션과 강력한 일치를 보이며, 스토하스틱 기하학 기반 프레임워크의 정확성을 입증한다.
• THz 비용 조정은 부하 분포와 성능 균형을 조절하는 데 핵심적인 역할을 하며, 최적의 비용 값은 커버리지와 전송률 간의 목표 트레이드오프에 따라 달라진다.
• 간섭과 SINR 분포에 대한 유도된 표현식은 근사화에 의존하지 않아도 정확한 성능 평가가 가능하며, 모멘트 기반 또는 중심극한정리 근사화에 의존하지 않는다.