[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surface Aided TeraHertz Communications Under Misalignment and Hardware Impairments.

Hongyang Du, Jiayi Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 34被引用 20

一句话总结

本文提出了一种可重构智能表面（RIS）辅助的太赫兹（THz）通信系统，以应对路径损耗、硬件损伤和波束对准偏差等问题。通过采用波动双射线（F2R）分布建模THz衰落，并优化RIS单元的离散相移，作者推导出信噪比（SNR）、信干噪比（SNDR）、中断概率和遍历容量的精确统计度量，表明即使存在严重的路径损耗，增加RIS单元数量也能显著提升系统性能。

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.

研究动机与目标

• 解决太赫兹（THz）通信中严重的路径损耗、收发端波束对准偏差以及硬件损伤等关键挑战。
• 在真实硬件和传播条件下，为RIS辅助的THz系统构建全面的分析框架。
• 在离散相移约束下优化RIS相移，以提升系统性能。
• 推导关键性能度量的精确表达式：中断概率、遍历容量，以及SNDR/SNR统计特性。
• 为理想与非理想射频链场景下的遍历容量提供紧致上界。

提出的方法

• 采用近期测量数据验证的波动双射线（F2R）分布，对THz信号的短时衰落幅度进行建模。
• 推导端到端信干噪比（SNDR）与信噪比（SNR）的精确统计分布。
• 提出一种新颖的离散相移约束下RIS相移优化方法，以最大化系统性能。
• 在真实硬件损伤条件下，分析RIS辅助THz系统的中断概率与遍历容量。
• 推导理想与非理想射频链场景下遍历容量的紧致上界。
• 通过蒙特卡洛仿真验证分析结果的准确性与鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于近期测量数据，波动双射线（F2R）分布对THz信号短时衰落的建模精度如何？
• RQ2 在硬件损伤与波束对准偏差条件下，RIS辅助THz系统中SNDR与SNR的精确统计特性是什么？
• RQ3 如何在离散相移约束下优化RIS相移以提升THz系统性能？
• RQ4 路径损耗、硬件损伤与波束对准偏差对RIS辅助THz系统中断概率与遍历容量有何影响？
• RQ5 在RIS辅助THz通信中，理想与非理想射频链场景下，遍历容量的紧致上界如何变化？

主要发现

• 波动双射线（F2R）分布能精确建模THz信号的短时幅度衰落，且经近期测量数据验证。
• 路径损耗对THz系统性能的影响比硬件损伤或波束对准偏差更为显著。
• 增加RIS单元数量可显著提升系统性能，尤其在抑制路径损耗与增强遍历容量方面效果明显。
• 为理想与非理想射频链场景均推导出遍历容量的紧致上界，使在真实硬件约束下的性能评估成为可能。
• 所提出的离散约束下相移优化方法能有效提升系统可靠性与频谱效率。
• 蒙特卡洛仿真验证了所推导的中断概率、遍历容量及SNDR/SNR统计表达式的准确性。