[论文解读] Stochastic Geometry Modeling and Analysis for THz-mmWave Hybrid IoT Networks

Chao Wang, Young Jin Chun|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 22被引用 8

一句话总结

本文提出了一种随机几何框架，用于建模和分析混合太赫兹-毫米波物联网网络，结合多级平顶天线波瓣图和精确的分子吸收模型。推导出覆盖概率和频谱效率的闭式表达式，揭示了太赫兹基站密度与关联偏差之间的权衡，高增益波束成形和最优部署可提升性能。

ABSTRACT

Terahertz (THz) band contains abundant spectrum resources that can offer ultra-high data rates. However, due to the THz band's inherent characteristics, i.e., low penetrability, high path loss, and non-negligible molecular absorption effect, THz communication can only provide limited coverage. To overcome these fundamental obstacles and fully utilize the THz band, we consider a hybrid Internet-of-Things (IoT) network consisting of THz and millimeter wave (mmWave) cells. A hybrid IoT network can dynamically switch between mmWave and THz links to ensure reliable and ultra-fast data connection. We use a stochastic geometric framework to evaluate the proposed hybrid IoT network's coverage probability and spectral efficiency and validate the analysis through numerical simulation. In this paper, we derive a closed-form expression of the Laplace transform of the interference while considering an accurate multi-level Flat-top (MLFT) antenna pattern. We observed that a large antenna array with a strong bias to the THz base station (TBS) improves the end-to-end network performance through numerical results. Furthermore, we recognized a fundamental trade-off relation between the TBS's node density and the bias to mmWave/THz; e.g., high TBS density with a strong bias to the TBS may degrade the network performance.

研究动机与目标

• 为解决太赫兹频段通信中的覆盖受限和路径损耗高的问题，提出一种结合毫米波与太赫兹小区的混合物联网网络。
• 利用随机几何方法建模网络，整合真实的传播效应，如分子吸收和波束成形。
• 在混合关联策略下，推导覆盖概率和频谱效率的闭式表达式。
• 研究关键参数（如基站密度、波束宽度和关联偏差）对网络性能的影响。

提出的方法

• 采用泊松点过程（PPP）对毫米波和太赫兹频段的基站位置进行建模。
• 引入多级平顶（MLFT）天线波瓣图模型，精确表征太赫兹链路中的波束成形方向性。
• 利用PPP的概率生成泛函（PGFL）和伽马分布天线增益的矩生成函数，推导干扰的拉普拉斯变换。
• 基于信号功率比较，利用Lambert W函数求解毫米波与太赫兹链路之间的关联边界。
• 应用随机几何方法，计算典型用户设备的条件距离分布和关联概率。
• 通过数值仿真验证理论结果，采用包含分子吸收和路径损耗的真实信道参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太赫兹-毫米波混合网络中，分子吸收和波束成形的引入如何影响覆盖概率？
• RQ2 太赫兹基站密度和关联偏差对网络性能有何影响？
• RQ3 多级平顶天线波瓣图如何影响混合太赫兹-毫米波部署中的干扰与覆盖？
• RQ4 在实现最优频谱效率时，太赫兹基站密度与关联偏差之间存在何种权衡？
• RQ5 在真实的太赫兹信道条件下，能否推导出覆盖概率的闭式表达式？

主要发现

• 具有大尺寸太赫兹基站（TBS）阵列并具备强波束成形增益，可显著提升端到端网络性能。
• TBS密度与关联偏差之间存在根本性权衡：高TBS密度配合强关联偏向TBS可能因干扰增加而降低性能。
• 推导出的干扰拉普拉斯变换准确考虑了多级平顶天线波瓣图和分子吸收，支持精确的性能评估。
• 覆盖概率和频谱效率对关联阈值选择敏感，最优性能在中等偏差水平下实现。
• 数值结果验证了理论分析，表明波束成形传输和合理的部署密度对实现可靠高速太赫兹通信至关重要。
• Lambert W函数的使用使得能够基于信号功率比较，精确表征毫米波与太赫兹链路之间的关联边界。