In this paper, we show how the absorption and re-radiation energy from molecules in the air can influence the Multiple Input Multiple Output (MIMO) performance in high-frequency bands, e.g., millimeter wave (mmWave) and terahertz. In more detail, some common atmosphere molecules, such as oxygen and water, can absorb and re-radiate energy in their natural resonance frequencies, such as 60 GHz, 180 GHz and 320 GHz. Hence, when hit by electromagnetic waves, molecules will get excited and absorb energy, which leads to an extra path loss and is known as molecular attenuation. Meanwhile, the absorbed energy will be re-radiated towards a random direction with a random phase. These re-radiated waves also interfere with the signal transmission. Although, the molecular re-radiation was mostly considered as noise in literature, recent works show that it is correlated to the main signal and can be viewed as a composition of multiple delayed or scattered signals. Such a phenomenon can provide non-line-of-sight (NLoS) paths in an environment that lacks scatterers, which increases spatial multiplexing and thus greatly enhances the performance of MIMO systems. Therefore in this paper, we explore the scattering model and noise models of molecular re-radiation to characterize the channel transfer function of the NLoS channels created by atmosphere molecules. Our simulation results show that the re-radiation can increase MIMO capacity up to 3 folds in mmWave and 6 folds in terahertz for a set of realistic transmit power, distance, and antenna numbers. We also show that in the high SNR, the re-radiation makes the open-loop precoding viable, which is an alternative to beamforming to avoid beam alignment sensitivity in high mobility applications.


翻译:在本文中,我们展示空气中分子的吸收和再辐照能如何影响高频波(例如毫米波(mmWave)和terahertz)的多输入多重输出(MIMO)性能,例如毫米波(mmWave)和兆赫兹。更详细地讲,一些常见的大气分子(例如氧和水)可以在其自然共振频率中吸收和再辐照能量,例如60千兆赫、180千兆赫和320千兆赫。因此,当受到电磁波的打击时,分子会激化和吸收能量,导致路径损失增加,并被称为分子衰减。与此同时,吸收能量将再次被重新辐照向随机方向。这些经过再辐照的电波也会干扰信号传输。虽然分子再辐照大多被视为文献中的噪音,但最近的工程显示,它与主要信号相关,并且可以被视为多种延迟或分散的信号的构成。在一个环境里变异变电变电变电变电中,这样一种现象也可以提供非线(NLOS) 的距离路径,在缺少分子衰减路径路径路径路径上。在缺乏运动的轨道上,从而增加空间运行的磁变变变电能,从而显示机的机能的磁能的磁变换变换机机的磁的磁的磁能。

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