[论文解读] Performance evaluation of THz wireless systems under the joint impact of misalignment fading and phase noise

Evangelos N. Papasotiriou, Alexandros–Apostolos A. Boulogeorgos+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 5被引用 4

一句话总结

本文使用一个现实的系统模型，评估了误对准衰落与本振相位噪声（PHN）对多载波太赫兹无线系统联合影响。结果表明，PHN与误对准衰落均显著降低平均SINR与中断概率，且在更高载波带宽下PHN影响更严重，而误对准随距离或抖动增加而恶化系统性能。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the joint impact of misalignment fading and local oscillator (LO) phase noise (PHN) in multi-carrier terahertz (THz) wireless systems. In more detail, after establishing a suitable system model that takes into account the particularities of the THz channel, as well as the transceivers characteristics, we present simulation results that quantify the joint impact of misalignment fading and PHN in terms of average signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR) and outage probability (OP).

研究动机与目标

• 研究误对准衰落与本振相位噪声对太赫兹系统性能的联合影响。
• 量化这些损伤对平均SINR与中断概率等关键指标的影响，适用于多载波太赫兹系统。
• 为本振带宽选择与缓解硬件损伤导致的性能劣化提供设计指导。
• 强调在实际太赫兹系统评估中，同时建模误对准衰落与相位噪声的重要性。

提出的方法

• 构建了一个多载波太赫兹系统模型，基站与用户设备均采用模拟波束成形，假设基站射频链路完美，用户设备存在相位噪声。
• 将复合信道增益建模为确定性路径损耗（Friis模型 + 分子吸收）、误对准衰落（瑞利分布）与Nakagami-m衰落的乘积。
• 将瞬时SINR表示为信号功率、噪声功率以及因本振相位噪声导致的相邻载波干扰功率的函数。
• 利用相位噪声模型推导相邻载波的干扰功率，其中相位误差为方差依赖于本振3-dB带宽的独立高斯样本之和。
• 采用中断概率作为性能度量，定义为SINR低于与频谱效率相关的阈值的概率。
• 通过蒙特卡洛仿真，评估不同载波带宽、本振3-dB带宽、发射功率、传输距离与空间抖动水平下的系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实信道条件下，本振相位噪声如何影响多载波太赫兹系统中的平均SINR？
• RQ2 误对准衰落与相位噪声的联合影响对太赫兹链路的中断概率有何影响？
• RQ3 本振3-dB带宽如何影响相邻载波的干扰功率，从而影响系统性能？
• RQ4 传输距离增加或空间抖动增大对SINR与中断性能的劣化程度如何？
• RQ5 当同时存在相位噪声与误对准衰落时，频谱效率与可靠性之间的设计权衡是什么？

主要发现

• 较低的本振3-dB带宽与较低的相邻载波发射功率可提升平均SINR，表明更严格的本振相位噪声控制可改善系统性能。
• 当本振3-dB带宽超过载波带宽（β > W_ch）时，所有相邻载波功率均被视为干扰，凸显本振选择在系统设计中的关键作用。
• 随着传输距离从10 m增加，平均SINR因路径损耗增加而下降，且在较高空间抖动下劣化更显著。
• 空间抖动（σ_s）增加会导致SINR显著劣化，尤其在长距离下，凸显实际系统中鲁棒波束对准的必要性。
• 降低频谱效率（降低γ_th）可降低中断概率，表明降低数据速率可缓解误对准衰落带来的性能损失。
• 相位噪声与误对准衰落的联合影响具有频率依赖性，不可在性能评估中忽略，尤其对高速率太赫兹系统而言。