[論文レビュー] Performance evaluation of THz wireless systems under the joint impact of misalignment fading and phase noise

Evangelos N. Papasotiriou, Alexandros–Apostolos A. Boulogeorgos+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、現実的なシステムモデルを用いて、多載波THz無線システムにおける誤差フェージングと局所発振子位相ノイズ（PHN）の共同的影響を評価する。結果から、PHNと誤差フェージングの両方が平均SINRおよびアウトージェ確率を顕著に低下させることを示し、特に高いキャリア帯域幅ではPHNがより深刻な影響を及ぼす。一方、距離の増加やジッターの増大に伴い、誤差フェージングは性能をさらに悪化させる。

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).

研究の動機と目的

• 誤差フェージングとLO位相ノイズの併存がTHzシステム性能に与える影響を調査すること。
• これらの impairments が多載波THzシステムにおける平均SINRやアウトージェ確率といった主要指標に与える影響を定量化すること。
• 局所発振子帯域幅の選定およびハードウェア制限に起因する性能劣化の緩和に向けた設計指針を提供すること。
• 実用的THzシステム評価において、誤差フェージングと位相ノイズを同時にモデル化することの重要性を強調すること。

提案手法

• 基地局と端末におけるアナログビームフォーミングを想定し、基地局ではRFチェーンを完全に制御可能とし、端末では位相ノイズを含む多載波THzシステムモデルを構築した。
• 合成チャネル利得を、確定的路損(loss)（Friis式 + 分子吸収）、誤差フェージング（レイリー分布）、およびNakagami-mフェージングの積としてモデル化した。
• LO位相ノイズに起因する隣接キャリアからの干渉電力も含めた、瞬時のSINRを信号電力、雑音電力、および干渉電力の関数として定式化した。
• LO 3-dB帯域幅に依存する分散を持つ独立したガウス分布サンプルの和として位相誤差をモデル化し、隣接キャリアからの干渉電力を導出。
• スペクトル効率に関連する閾値未満のSINRとなる確率として、アウトージェ確率を性能指標として用いた。
• キャリア帯域幅、LO 3-dB帯域幅、送信電力、距離、空間的ジッターのレベルを変動させたモンテカルロシミュレーションを実施し、性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的なチャネル条件下で、局所発振子位相ノイズは多載波THzシステムにおける平均SINRにどのように影響を与えるか？
• RQ2 誤差フェージングと位相ノイズの併存がTHzリンクのアウトージェ確率に与える共同的影響は何か？
• RQ3 LO 3-dB帯域幅は、隣接キャリアからの干渉電力およびシステム性能にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 送信距離の増加または空間的ジッターの増大が、SINRおよびアウトージェ性能にどの程度悪影響を及えるか？
• RQ5 位相ノイズと誤差フェージングが同時に存在する状況において、スペクトル効率と信頼性の間にはどのような設計的トレードオフが生じるか？

主な発見

• LO 3-dB帯域幅が小さく、隣接キャリアの送信電力を低減することで平均SINRが向上し、LO位相ノイズの厳密な制御が性能向上に寄与することを示唆している。
• LO 3-dB帯域幅がキャリア帯域幅（β > W_ch）を超過する場合、隣接キャリアからのすべての電力が干渉として扱われるため、LOの選定がシステム設計において極めて重要になる。
• 送信距離が10 mから増加するに従い、路損の増大に起因して平均SINRが劣化し、特に高い空間的ジッター下では顕著な低下が観察された。
• 空間的ジッター（σ_s）の増大は、特に長距離伝送においてSINRの著しい劣化を引き起こし、実用的システムでは頑健なビームアライメント技術の導入が不可欠であることを示している。
• スペクトル効率を低くすることでアウトージェ確率が低下する傾向があり、データレートの低減が誤差フェージングに起因する性能劣化を緩和できることを示している。
• 位相ノイズと誤差フェージングの共同的影響は周波数依存であり、特に高データレートTHzシステムでは性能評価において無視できない。