[论文解读] Little or no equalization is needed in energy-efficient sub-THz mobile access

Lorenzo Miretti, Thomas Kühne+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2022

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 4

一句话总结

本文证明，通过利用高方向性波束成形，能量高效亚太赫兹移动接入可实现高 spectral efficiency，且几乎无需或无需信道均衡，因为波束成形能抑制多径分量并减少符号间干扰。基于实验测得的 160 GHz 信道数据，研究显示，采用单载波单载波 QPSK 调制与简单线性均衡（7-tap MMSE）可在 1 bit/s/Hz 的速率下实现可靠通信，与香农极限的差距仅为 2.5–4 dB，优于复杂多载波 OFDM 设计的能量效率表现。

ABSTRACT

By trading coverage and hardware complexity for abundance of spectrum, sub-THz mobile access networks are expected to operate under highly directive and relatively spectrally inefficient transmission regimes, while still offering enormous capacity gains over current sub-6GHz alternatives. Building on this assumption, and supported by extensive indoor directional channel measurements at 160 GHz, this study advocates the use of very simple modulation and equalization techniques for sub-THz mobile access. Specifically, we demonstrate that, under the aforementioned transmission regimes, little or no equalization is needed for scoring significant capacity gain targets. In particular, we show that single-carrier or low-number-of-subcarriers modulations are very attractive competitors to the dramatically more complex and energy inefficient traditional multi-carrier designs.

研究动机与目标

• 评估在能量高效亚太赫兹移动接入系统中是否需要复杂均衡。
• 评估高度定向波束成形对符号间干扰及信道均衡需求的影响。
• 在真实亚太赫兹信道条件下，比较单载波与多载波调制在频谱效率与能量效率方面的性能。
• 验证在室内亚太赫兹环境中，采用低复杂度调制与均衡实现 1 bit/s/Hz 可靠通信的可行性。
• 通过结合真实信道测量与信息论分析，为能量高效 6G 亚太赫兹系统设计提供基础。

提出的方法

• 在 160 GHz 频段开展广泛的室内定向信道测量，以捕获亚太赫兹传播的真实信道冲激响应。
• 利用测量得到的信道冲激响应，仿真单载波单载波 QPSK 与多载波 OFDM 波形的系统性能。
• 应用最多 256 抽头的线性最小均方误差（MMSE）均衡，以评估均衡复杂度的权衡。
• 采用标准 LDPC 编码（码率 1/2，分组长度 1296）评估在符号间干扰下的编码比特误码率（BER）性能。
• 在 LDPC 解码器中将符号间干扰视为加性高斯噪声，以模拟实际的干扰抑制效果。
• 在所有测量的信道点上评估性能，报告中位数、最坏情况与最佳情况下的 BER 曲线。

实验结果

研究问题

• RQ1 在亚太赫兹频段中，高度定向波束成形是否显著降低符号间干扰，从而实现最小或无需均衡？
• RQ2 单载波调制是否可在亚太赫兹频段中以低硬件复杂度与高能效实现 1 bit/s/Hz 的可靠通信？
• RQ3 在频谱效率与对信道变化的鲁棒性方面，单载波 QPSK 搭配简单均衡与多载波 OFDM 的性能相比如何？
• RQ4 在真实亚太赫兹室内环境中，实际系统性能与香农极限之间的差距是多少？
• RQ5 在具有定向天线的亚太赫兹系统中，符号间干扰在多大程度上可被视为加性噪声？

主要发现

• 单载波单载波 QPSK 搭配 7-tap 线性 MMSE 均衡在所有测量信道中均能实现 1 bit/s/Hz 的可靠通信，与香农极限的差距为 2.5–4 dB。
• 在 SNR ≈ 6 dB 的最坏情况 BER 性能表明，即使在最严峻的信道条件下，可靠传输也是可行的。
• 多载波 OFDM 在子载波数 K ≥ 16 时比单载波调制具有更高的频谱效率，但代价是更高的峰均功率比（PAPR）与更高的硬件复杂度。
• 即使使用最多 256 抽头的均衡，多载波系统在频谱效率方面相对于单载波的增益也微乎其微，尤其是在最坏情况场景下。
• 实验信道测量表明，定向波束成形显著衰减了多径分量，减小了延迟扩展，从而简化了均衡设计。
• 结果支持采用单载波调制作为早期亚太赫兹 6G 系统中复杂 OFDM 设计的可行且节能的替代方案。