[논문 리뷰] Performance evaluation of THz wireless systems under the joint impact of misalignment fading and phase noise

Evangelos N. Papasotiriou, Alexandros–Apostolos A. Boulogeorgos외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 19.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 현실적인 시스템 모델을 사용하여 다중대역 초광대역(THz) 무선 시스템에서 오차 정렬 fading과 로컬 오실레이터 위상 노이즈(PHN)의 병합 영향을 평가한다. 결과적으로 PHN과 오차 정렬 fading 모두 평균 SINR과 아웃지 전송 확률을著しく 악화시키며, 특히 고대역폭일수록 PHN의 영향이 더 크며, 거리 또는 진동이 증가할수록 오차 정렬이 성능을 악화시킨다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the joint impact of misalignment fading and local oscillator (LO) phase noise (PHN) in multi-carrier terahertz (THz) wireless systems. In more detail, after establishing a suitable system model that takes into account the particularities of the THz channel, as well as the transceivers characteristics, we present simulation results that quantify the joint impact of misalignment fading and PHN in terms of average signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR) and outage probability (OP).

연구 동기 및 목표

• 오차 정렬 fading과 LO 위상 노이즈가 THz 시스템 성능에 미치는 병합 영향을 조사하기 위해.
• 이러한 왜곡이 다중대역 THz 시스템에서 평균 SINR 및 아웃지 전송 확률과 같은 핵심 지표에 어떻게 영향을 미치는지 정량화하기 위해.
• 로컬 오실레이터 대역폭 선택 및 하드웨어 왜곡으로 인한 성능 저하 완화를 위한 설계 지침을 제공하기 위해.
• 실제 THz 시스템 평가에서 오차 정렬 fading과 위상 노이즈를 동시에 모델링하는 것이 중요한 이유를 부각하기 위해.

제안 방법

• 기지국과 사용자 단말에서 아날로그 beamforming을 적용한 다중대역 THz 시스템 모델을 개발하였으며, 기지국에서는 RF 체인에 완벽한 성능을, 사용자 단말에서는 위상 노이즈를 가정하였다.
• 복합 채널 이득을 결정론적 경로 손실(Friis + 분자 흡수), 오차 정렬 fading(Rayleigh 분포), 그리고 Nakagami-m fading의 곱으로 모델링하였다.
• 로컬 오실레이터 위상 노이즈로 인한 인접 대역 간섭 전력의 영향을 고려하여 순간 SINR을 신호 전력, 노이즈 전력 및 간섭 전력의 함수로 수식화하였다.
• 로컬 오실레이터의 3-dB 대역폭에 따라 변동하는 분산을 가진 독립적인 가우시안 표본의 합으로 위상 오차를 모델링하여 인접 대역 간섭 전력을 유도하였다.
• 성능 지표로 아웃지 전송 확률을 사용하였으며, 이는 스펙트럼 효율성과 연결된 임계값 이하의 SINR가 발생할 확률로 정의되었다.
• 다양한 실시간 대역폭, LO 3-dB 대역폭, 송신 전력, 거리 및 공간적 진동 수준에서 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 채널 조건 하에서 다중대역 THz 시스템에서 로컬 오실레이터 위상 노이즈가 평균 SINR에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 오차 정렬 fading과 위상 노이즈의 병합 영향이 THz 링크의 아웃지 전송 확률에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 LO 3-dB 대역폭이 인접 대역 간섭 전력과 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 송신 거리 또는 공간적 진동이 증가할수록 SINR과 아웃지 성능이 얼마나 악화되는가?
• RQ5 위상 노이즈와 오차 정렬 fading이 동시에 존재할 경우 스펙트럼 효율성과 신뢰성 간의 설계 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 낮은 LO 3-dB 대역폭과 낮은 인접 대역 송신 전력은 더 높은 평균 SINR를 유도하며, 이는 더 엄격한 LO 위상 노이즈 제어가 성능 향상에 기여함을 시사한다.
• LO 3-dB 대역폭이 캐리어 대역폭을 초과할 경우(β > W_ch), 인접 대역의 전력 전부가 간섭으로 간주되므로, LO 선택이 시스템 설계에 매우 중요하다.
• 송신 거리가 10 m에서 증가함에 따라 경로 손실 증가로 인해 평균 SINR가 악화되며, 특히 공간적 진동이 높을수록 더 심각한 감소가 발생한다.
• 공간적 진동 수준(σ_s)이 증가할수록 SINR에 심각한 영향을 미치며, 이는 실용적 시스템에서 견고한 비추적 보정 기술이 필수적임을 시사한다.
• 낮은 스펙트럼 효율성(낮은 γ_th)일수록 아웃지 전송 확률이 감소함을 확인하여, 데이터 전송률을 낮추는 것이 오차 정렬 fading에 의한 성능 저하를 완화하는 데 기여할 수 있음을 보여준다.
• 위상 노이즈와 오차 정렬 fading의 병합 영향은 주파수 의존적이며, 특히 고속도 THz 시스템에서는 성능 평가에서 간과할 수 없다.