[论文解读] RIS-THz Wireless Communication with Random Phase Noise and Misaligned Transceiver

Omkar R. Durgada, Vinay Kumar Chapala+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 6

一句话总结

本文针对重配置智能表面（RIS）辅助太赫兹（THz）通信系统，在α-μ衰落、THz指向误差（TPE）和统计相位噪声的联合影响下，进行了全面的性能分析。通过利用单变量和多变量Fox’s H-函数，推导出端到端信噪比（SNR）、中断概率和平均误比特率（BER）的精确解析表达式，结果表明，分集增益取决于α、μ和TPE的β参数，但与相位噪声无关。

ABSTRACT

Existing research works on reconfigurable intelligent surfaces (RIS) based terahertz (THz) system ignores the effect of phase noise and employ the zero-boresight pointing errors model of the free-space optics channel in performance analysis. In this paper, we analyze the performance of RIS-THz transmission under the combined effect of channel fading, THz pointing error (TPE), and statistical phase noise due to imperfect phase compensation at each RIS element. First, we derive statistical results of the double $α$-$μ$ fading combined with the TPE and phase noise at individual RIS elements using single-variate Fox's function. Next, we use the multi-variate Fox's H-function representation to develop exact analytical expressions for the density and distribution functions of the resultant signal-to-noise ratio (SNR) of the RIS-THz link considering the accumulating propagation effect from all RIS elements. Using the derived statistical results, we analyze the exact and asymptotic expressions for the considered system's outage probability and average bit-error rate (BER). The analytical results show that the diversity order of the system is independent of phase noise, depends on the channel fading parameters $α$ and $μ$, and depends on the $β$ parameter of the TPE.

研究动机与目标

• 为解决现有RIS-THz系统中缺乏对信道衰落、THz指向误差（TPE）和相位噪声联合影响的全面性能分析的问题。
• 建立TPE与相位噪声联合影响的统计准确模型，突破以往研究中过于简化的零指向轴假设。
• 在实际信道损伤条件下，推导端到端SNR、中断概率和平均BER的精确解析表达式。
• 确定系统的分集增益并分析其对衰落参数（α, μ）、TPE（β）和相位噪声的依赖关系。
• 提出基于Fox’s H-函数的数学严谨框架，用于SNR分布的多变量与单变量表示。

提出的方法

• 采用α-μ衰落分布结合每个RIS单元的THz指向误差（TPE）和统计相位噪声，建模RIS-THz信道。
• 利用单变量Fox’s H-函数推导每个RIS单元瞬时信道增益的概率密度函数（PDF），通过条件期望引入相位噪声影响。
• 应用矩生成函数（MGF）与反拉普拉斯变换，推导所有RIS单元联合的总SNR的MGF。
• 采用多变量Fox’s H-函数表示端到端SNR的精确PDF与CDF，考虑所有RIS单元累积的传播效应。
• 利用广义H-函数表示法，推导中断概率和平均BER的精确与渐近表达式。
• 通过积分表中的已知恒等式（如Gradshteyn和Ryzhik）及围道积分技术验证分析框架的正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 α-μ衰落、TPE和相位噪声的联合影响如何改变RIS-THz系统中端到端SNR的分布？
• RQ2 在联合衰落、TPE和相位噪声条件下，RIS-THz链路SNR的PDF与CDF的精确解析表达式是什么？
• RQ3 系统参数α、μ、β（TPE）和相位噪声特性如何影响RIS-THz链路的分集增益？
• RQ4 在实际信道损伤下，中断概率和平均BER的精确与渐近表达式是什么？
• RQ5 在存在衰落和TPE的前提下，相位噪声在多大程度上影响RIS-THz系统的分集增益？

主要发现

• RIS-THz系统的分集增益与相位噪声无关，表明相位噪声不会限制系统的分集增益。
• 分集增益取决于α-μ衰落参数α和μ，以及控制对准误差严重程度的TPE参数β。
• 采用多变量Fox’s H-函数推导出端到端SNR的PDF与CDF的精确解析表达式，实现性能评估的高精度。
• 通过MGF与反拉普拉斯变换，以闭式形式推导出中断概率与平均BER，结果经围道积分与特殊函数恒等式验证。
• 所提出的框架可在真实条件下实现精确性能分析，克服了以往研究中近似方法的局限性。
• Fox’s H-函数的使用使得复杂、相关的衰落与噪声效应能够以高数学保真度建模，适用于实际系统设计。