[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface Aided TeraHertz Communications Under Misalignment and Hardware Impairments.

Hongyang Du, Jiayi Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 34인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 경로 손실, 하드웨어 결함, 안테나 정렬 오류를 극복하기 위해 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 활용한 테라헤르츠(THz) 통신 시스템을 제안한다. THz fading을 변동하는 이중 레이저 분포로 모델링하고 RIS 요소에서 이산적인 위상 시프트를 최적화함으로써, SNR, SNDR, 극한 확률, 에르고딕 용량에 대한 정확한 통계적 지표를 유도한다. 그 결과, 심각한 경로 손실에도 불구하고 RIS 요소 수를 늘임으로써 시스템 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 테라헤르츠(THz) 통신에서 심각한 경로 손실, 송수신 안테나 정렬 오류, 하드웨어 결함이라는 핵심 과제를 해결한다.
• 실제 하드웨어 및 전파 조건 하에서 RIS를 활용한 THz 시스템에 대한 종합적인 분석 프레임워크를 개발한다.
• 이산적 위상 제약 조건 하에서 RIS 위상 시프트를 최적화하여 시스템 성능을 향상시킨다.
• 극한 확률, 에르고딕 용량, SNDR/SNR 통계와 같은 핵심 성능 지표에 대한 정확한 수식을 도출한다.
• 이상적 및 비이상적 RF 체인 조건 하에서 에르고딕 용량에 대한 날카운 상한을 제공한다.

제안 방법

• 최근 측정 결과에 의해 검증된 바, 변동하는 이중 레이저(F2R) 분포를 사용하여 THz 신호의 근접 스케일 진폭 패러딩을 모델링한다.
• 종단 간 신호 대 잡음 및 왜곡 비율(SNDR)과 신호 대 잡음 비율(SNR)에 대한 정확한 통계적 분포를 유도한다.
• 시스템 성능을 극대화하기 위해 이산적 위상 제약 조건 하에서 RIS 위상 시프트를 최적화하는 새로운 방법을 제안한다.
• 실제 하드웨어 결함 조건 하에서 RIS를 활용한 THz 시스템의 극한 확률과 에르고딕 용량을 분석한다.
• 이상적 및 비이상적 무선 주파수 체인 시나리오 모두에서 에르고딕 용량에 대한 날카운 상한을 유도한다.
• 정확성과 강건성을 보장하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근 측정 결과에 기반하여 변동하는 이중 레이저(F2R) 분포는 THz 신호의 근접 스케일 패러딩을 얼마나 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 하드웨어 결함과 정렬 오류 조건 하에서 RIS를 활용한 THz 시스템에서 SNDR와 SNR의 정확한 통계적 특성은 무엇인가?
• RQ3 이산적 위상 제약 조건 하에서 RIS 위상 시프트는 어떻게 최적화하여 THz 시스템 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 경로 손실, 하드웨어 결함, 정렬 오류는 RIS를 활용한 THz 시스템의 극한 확률과 에르고딕 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 RIS를 활용한 THz 통신에서 이상적 및 비이상적 RF 체인 조건 하에서 에르고딕 용량에 대한 날카운 상한은 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 변동하는 이중 레이저(F2R) 분포는 최근 측정 결과에 의해 검증된 바, THz 신호의 근접 스케일 진폭 패러딩에 대한 정확한 모델을 제공한다.
• THz 시스템 성능에 미치는 경로 손실의 영향은 하드웨어 결함이나 정렬 오류보다 더욱 뚜렷하다.
• RIS 요소 수를 늘임으로써 시스템 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 특히 경로 손실 완화와 에르고딕 용량 향상에 기여한다.
• 이상적 및 비이상적 RF 체인 조건 하에서 에르고딕 용량에 대한 날카운 상한을 도출하여 실제 하드웨어 제약 조건 하에서의 성능 평가가 가능해졌다.
• 이산적 제약 조건 하에서 제안된 위상 시프트 최적화 방법은 시스템 신뢰성과 스펙트럼 효율성을 효과적으로 향상시킨다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 극한 확률, 에르고딕 용량, SNDR/SNR 통계에 대한 유도된 분석 수식의 정확성이 확인되었다.