[논문 리뷰] RIS-THz Wireless Communication with Random Phase Noise and Misaligned Transceiver

Omkar R. Durgada, Vinay Kumar Chapala외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 α-μ fading, THz pointing error (TPE), 및 통계적 단계 노이즈의 병합 영향을 고려한 재구성 가능 지능형 표면(RIS) 지원 테라헤르츠(THz) 통신 시스템의 종합적인 성능 분석을 제시한다. 단변수 및 다변수 Fox의 H-함수를 활용하여 종단 간 신호 대 잡음비(SNR), 극한 확률, 평균 비트 오류율(BER)에 대한 정확한 해석적 표현을 유도하며, 다양성 순서가 α, μ 및 TPE의 β 매개수에 의존하지만 단계 노이즈와는 무관하다는 것을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 채널 페이딩, THz 포인팅 오차(TPE), 및 단계 노이즈를 동시에 고려한 RIS-THz 시스템의 종합적인 성능 분석 부족 문제를 해결하기 위해.
• 초기 포지셔닝을 간단화한 가정을 넘어선, TPE 및 단계 노이즈의 병합 영향을 통계적으로 정확하게 모델링하기 위해.
• 실제 채널 손상 조건 하에서 종단 간 SNR, 극한 확률 및 평균 BER에 대한 정확한 해석적 표현을 도출하기 위해.
• 시스템의 다양성 순서를 확립하고, 페이딩 매개수(α, μ), TPE(β), 및 단계 노이즈에 대한 그 영향을 규명하기 위해.
• 다변수 및 단변수 표현을 활용한 SNR 분포에 대한 수학적으로 엄밀한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 각 RIS 요소에서의 α-μ 페이딩 분포와 함께 THz 포인팅 오차(TPE) 및 통계적 단계 노이즈를 고려하여 RIS-THz 채널을 모델링한다.
• 조건부 기대값을 통해 단계 노이즈를 포함한 각 RIS 요소의 순간 채널 이득의 확률밀도함수(PDF)를 단변수 Fox의 H-함수를 사용하여 유도한다.
• 모멘트 생성 함수(MGF) 및 역 라플라스 변환을 적용하여 모든 RIS 요소를 통한 집합적 SNR의 MGF를 유도한다.
• 다변수 Fox의 H-함수를 사용하여 모든 RIS 요소에서의 누적 전파 영향을 고려한 종단 간 SNR의 정확한 PDF 및 CDF를 표현한다.
• 일반화된 H-함수 표현을 활용하여 극한 확률 및 평균 BER의 정확한 및 점점표현을 유도한다.
• 기존 적분표(예: Gradshteyn과 Ryzhik)의 알려진 항등식과 윤곽선 적분 기법을 사용하여 분석 프레임워크를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 α-μ 페이딩, TPE 및 단계 노이즈의 조합이 RIS-THz 시스템의 종단 간 SNR 분포에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 공동 페이딩, TPE 및 단계 노이즈 조건 하에서 RIS-THz 링크의 SNR에 대한 정확한 PDF 및 CDF 표현은 무엇인가?
• RQ3 시스템 매개수 α, μ, β(TPE) 및 단계 노이즈 특성이 RIS-THz 링크의 다양성 순서에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 실제 채널 손상 조건 하에서 극한 확률 및 평균 BER의 정확한 및 점점표현은 무엇인가?
• RQ5 페이딩 및 TPE가 존재하는 조건에서 단계 노이즈는 RIS-THz 시스템의 다양성 이득에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• RIS-THz 시스템의 다양성 순서는 단계 노이즈와 무관하여, 단계 노이즈가 시스템의 다양성 이득을 제한하지 않음을 시사한다.
• 다양성 순서는 α-μ 페이딩 매개수 α 및 μ, 그리고 오차의 심각도를 결정하는 TPE 매개수 β에 의존한다.
• 다변수 Fox의 H-함수를 사용하여 종단 간 SNR의 PDF 및 CDF에 대한 정확한 해석적 표현을 도출하였으며, 이는 정밀한 성능 평가를 가능하게 한다.
• MGF 및 역 라플라스 변환을 활용하여 극한 확률 및 평균 BER을 닫힌 형태로 유도하였으며, 윤곽선 적분 및 특수함수 항등식을 통해 결과를 검증하였다.
• 제안된 프레임워크는 이전 연구에서 사용된 근사치의 한계를 넘어 실질적인 조건에서 정확한 성능 분석을 가능하게 한다.
• Fox의 H-함수의 사용은 복잡하고 상관된 페이딩 및 노이즈 효과를 높은 수학적 정밀도로 모델링할 수 있으며, 실용적인 시스템 설계에 적합하다.