[论文解读] Error analysis of mixed THz0RF wireless systems

Alexandros–Apostolos A. Boulogeorgos, Angeliki Alexiou|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 19被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的混合太赫兹（THz）-射频（RF）双跳解码转发中继系统，用于回传/前传应用，建模了衰落（α-μ分布）与随机波束倾角偏差（高斯位移）的联合影响。该文推导出端到端信噪比（SNR）的累积分布函数（CDF）、中断概率和符号错误率的精确闭式表达式，通过仿真验证，为遮挡环境中可靠高速率无线系统的设计提供了指导。

ABSTRACT

In this letter, we introduce a novel mixed terahertz (THz)-radio frequency (RF) wireless system architecture, which can be used for backhaul/fronthaul applications, and we deliver the theoretical framework for its performance assessment. In more detail, after identifying the main design parameters and characteristics, we derive novel closed-form expressions for the end-to-end signal-to-noise ratio cumulative density function, the outage probability, and the symbol error rate, assuming that the system experiences the joint effect of fading and stochastic antenna misalignment. The derived analytical framework is verified through simulations and quantifies the system's effectiveness and reliability. Finally, our results contribute to the extraction of useful design guidelines.

研究动机与目标

• 为解决独立太赫兹系统在城市环境中因遮挡和对准敏感性导致的可靠性限制问题。
• 提出一种新颖的混合THz-RF双跳解码转发中继架构，结合太赫兹的高带宽与RF链路的鲁棒性。
• 构建一个全面的理论框架，用于在联合衰落与随机波束倾角偏差下的性能评估。
• 推导出关键性能指标的精确闭式表达式：端到端SNR CDF、中断概率和符号错误率。
• 通过仿真验证分析结果，并提取系统部署的实际设计指导。

提出的方法

• 使用灵活的α-μ分布建模THz链路的信道衰落，该分布广义化了瑞利、莱斯-m和伽马分布。
• 将THz接收端的波束倾角偏差建模为俯仰和水平平面中独立同分布的高斯随机变量。
• 通过结合S-R（THz）和R-D（RF）链路的CDF，推导出端到端SNR的累积分布函数（CDF），并考虑了衰落与倾角偏差的影响。
• 使用Fox H函数和Meijer G函数表达中断概率与符号错误率的最终闭式表达式。
• 应用Q函数及特殊函数（不完全伽马函数、伽马函数）推导二维调制下的平均符号错误率。
• 通过蒙特卡洛仿真验证分析结果的准确性，涵盖各种系统参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 联合衰落与随机波束倾角偏差如何影响混合THz-RF双跳中继系统的性能？
• RQ2 此类系统中端到端SNR CDF、中断概率与符号错误率的精确闭式表达式是什么？
• RQ3 α-μ衰落分布如何建模THz链路中多径衰落与阴影效应的联合影响？
• RQ4 高斯倾角偏差模型在多大程度上能准确反映实际THz系统中的波束偏差？
• RQ5 从分析得到的性能指标中可提取哪些设计洞见，以提升系统可靠性与容量？

主要发现

• 本文利用Fox H函数与Meijer G函数，推导出端到端SNR累积分布函数的精确闭式表达式，实现了性能的精确评估。
• 中断概率以Fox H函数形式进行解析表达，准确捕捉了α-μ衰落与高斯倾角偏差的联合影响。
• 平均符号错误率以闭式形式推导，使用Fox H函数与特殊函数，明确依赖于发射功率、噪声电平与倾角偏差方差等系统参数。
• 仿真结果验证了推导表达式的分析准确性，涵盖多种SNR范围与倾角偏差水平。
• 所提出的框架表明，倾角偏差会显著降低系统性能，尤其是在高频段，凸显了波束训练与对准技术的必要性。
• 结果提供了定量设计指导，如最优功率分配与波束宽度选择，以在混合THz-RF系统中平衡频谱效率与可靠性。