[论文解读] Coverage and Rate Analysis in Coexisting Terahertz and RF Finite Wireless Networks

Nour Kouzayha, Mustafa A. Kishk+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 32被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的有限室内太赫兹（THz）与射频（RF）网络共存模型，用于分析覆盖概率与平均可实现速率。研究揭示了一个关键权衡：增加太赫兹接入点密度可提升数据速率，但会降低覆盖性能，最优性能取决于用户位置与太赫兹偏置设置。

ABSTRACT

Wireless communications over Terahertz (THz)-band frequencies are vital enablers of ultra-high rate applications and services in sixth-generation (6G) networks. However, THz communications suffer from poor coverage because of inherent THz features such as high penetration losses, severe path loss, and significant molecular absorption. To surmount these critical challenges and fully exploit the THz band, we explore a coexisting radio frequency (RF) and THz finite indoor network in which THz small cells are deployed to provide high data rates, and RF macrocells are deployed to satisfy coverage requirements. Using stochastic geometry tools, we assess the performance of coexisting RF and THz networks in terms of coverage probability and average achievable rate. The accuracy of the analytical results is validated with Monte-Carlo simulations. Several insights are devised for accurate tuning and optimization of THz system parameters, including the fraction of THz access points (APs) to deploy, and the THz bias. The obtained results recognize a clear coverage/rate trade-off where a high fraction of THz AP improves the rate significantly but may degrade the coverage performance. Furthermore, the location of the user in the finite area highly affects the fraction of THz APs that optimizes the performance.

研究动机与目标

• 解决6G网络中因路径损耗高、分子吸收及遮挡导致的太赫兹覆盖受限问题。
• 提出一种混合RF-THz网络架构，其中RF宏小区提供覆盖保障，太赫兹小小区实现超高速率传输。
• 基于随机几何构建数学上严谨的分析框架，用于评估有限室内环境下的网络性能。
• 提供优化太赫兹系统参数（如接入点密度与偏置）的设计洞见，以在覆盖与速率之间实现平衡。

提出的方法

• 将网络建模为具有泊松点过程的有限室内区域，分别对RF与THz接入点（APs）建模，并考虑视 Line-of-Sight（LOS）与非视 Line-of-Sight（NLOS）传播特性。
• 利用随机几何工具推导覆盖概率与平均可实现速率的闭式表达式，综合考虑路径损耗、分子吸收与定向波束成形。
• 采用距离相关路径损耗模型，结合频率相关的吸收系数（如 $k_a(f_T)$），并通过Gamma分布的小尺度衰落增益建模阴影效应。
• 通过矩生成函数（MGF）技术与条件距离分布，综合考虑LOS与NLOS太赫兹AP带来的干扰。
• 通过平均化方向性增益与干扰源的空间分布，推导出干扰功率的拉普拉斯变换。
• 应用全概率定律与变量替换方法，基于SINR分布与带宽分配计算平均可实现速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 太赫兹接入点的部署密度在有限室内网络中如何影响覆盖概率与平均可实现速率？
• RQ2 如何在通过太赫兹链路实现高速率与利用RF链路维持可靠覆盖之间实现权衡？
• RQ3 用户在有限室内区域内的位置如何影响性能最大化的太赫兹AP占比？
• RQ4 太赫兹偏置对系统性能的影响程度如何？如何调节偏置以实现覆盖与速率的平衡？
• RQ5 与蒙特卡洛仿真相比，分析模型在预测网络性能方面的准确性如何？

主要发现

• 高比例的太赫兹接入点显著提升平均可实现速率，但可能因干扰增加与遮挡敏感性上升而降低覆盖概率。
• 最优太赫兹AP占比高度依赖于用户在有限室内区域内的位置，性能峰值出现在不同密度下，具体取决于用户与AP的接近程度。
• 覆盖概率对用户位置与遮挡条件更为敏感，尤其在NLOS场景下路径损耗与吸收效应显著，其影响远超速率性能。
• 覆盖概率与平均速率的分析结果与蒙特卡洛仿真结果高度一致，验证了基于随机几何框架的准确性。
• 太赫兹偏置在平衡负载分布与系统性能方面起着关键作用，最优偏置值取决于覆盖与速率之间的目标权衡。
• 推导出的干扰与SINR分布表达式对近似处理具有鲁棒性，可在不依赖矩方法或中心极限定理近似的情况下实现准确的性能评估。