On the Performance of Pinching-Antenna Systems (PASS) Under Dynamic Channels with Blockages

技术摘要：动态信道与遮挡环境下的捏合天线系统（PASS）性能研究

问题陈述
捏合天线系统（PASS）是一种利用介质波导和可移动捏合天线（PA）来建立有利视距（LoS）链路的灵活天线架构。虽然 PASS 在自适应波束成形和空间分集方面具有显著潜力，但其性能从根本上受到由墙壁、家具或人体等障碍物引起的 LoS 遮挡的影响。现有的研究通常依赖于简化的概率性遮挡模型，或假设理想的 LoS 条件，忽略了确定性障碍物诱导的遮挡与非视距（NLoS）散射之间复杂的相互作用。此外，尽管在障碍物丰富的环境（如室内设置、公用事业隧道）中，强 NLoS 散射可能在 LoS 路径受阻时维持通信，但 NLoS 组件的贡献仍未得到充分探索。本文旨在填补理解在考虑 LoS 遮挡效应与 NLoS 传播并行的几何约束条件下，PASS 如何表现的研究空白。

方法论
作者提出了一个感知几何结构的框架，用于模拟存在动态遮挡时的 PASS 性能。

• 系统模型： 定义了一个下行链路 PASS 场景，包含单个波导和单个 PA 为单个用户设备（UE）提供服务。PA 可以在波导上的任何位置被激活。
• 遮挡模型： 本文没有使用概率性的 LoS 指标，而是采用了确定性的几何感知遮挡模型。障碍物被建模为圆柱体。根据 UE、障碍物和波导的相对位置，计算出波导上特定的“遮挡区域”，在该区域内 PA 无法建立与 UE 的 LoS 链路。
• 信道建模： 复合信道增益包含三个部分：
  1. 波导内衰减： 信号沿波导传输时的指数功率损耗和相位偏移。
  2. LoS 组件： 建模为确定性的自由空间路径损耗及相位偏移，仅当 PA 位于遮挡区域之外时存在。
  3. NLoS 组件： 建模为多个散射簇的叠加，遵循零均值复高斯分布。
• 衰落场景： 研究分析了两种截然不同的信道条件：
  • 瑞利衰落（Rayleigh Fading）： 当 LoS 路径被遮挡时（PA 处于遮挡区域）发生。
  • 莱斯衰落（Rician Fading）： 当 LoS 路径未被遮挡时（PA 处于遮挡区域之外）发生，由 LoS 组件主导并伴随 NLoS 散射。
• 性能指标： 本文推导了两种衰落场景下的中断概率（Outage Probability）和遍历速率（Ergodic Rate）的闭式表达式。此外，研究还通过平衡空间传播损耗与波导内衰减，探讨了最优 PA 位置。

核心贡献

1. 几何感知遮挡建模： 本文通过定义波导上的特定遮挡区域，建立了物理障碍物位置与 PASS 信道之间的直接联系。这取代了抽象的概率模型，采用了一种确定性的几何方法。
2. 解析性能表达式：
   • 推导了针对瑞利衰落和莱斯衰落信道的中断概率闭式表达式。
   • 获得了瑞利情况下的遍历速率闭式表达式。
   • 对于莱斯情况，推导出了完整的解析表达式以及一个易于处理的闭式近似表达式用于遍历速率。
3. 最优 PA 部署准则：
   • 推导了遮挡区域端点的解析表达式。
   • 在瑞利情况下，提供了平衡空间路径损耗和波导衰减的最优 PA 位置的闭式解。
   • 在莱斯情况下，本文提出将最大化平均接收信噪比（SNR）作为确定最优 PA 位置的有效准则，从而在保持近乎最优性能的同时，避免了复杂的优化算法。
4. 对 NLoS 散射的见解： 分析揭示了 NLoS 散射的双重性质：它既可以通过引入随机性来降低中断性能，也可以通过提供额外的功率来提高遍历速率，尤其是在 LoS 组件较弱或被遮挡时。

结果与发现
数值模拟验证了解析推导，并揭示了几个关键见解：

• NLoS 散射的影响： NLoS 散射具有双重效应。在莱斯衰落下，由于信道波动增加，它可能会降低中断性能，但同时可以提高遍历速率。在缺乏 LoS 路径的情况下（瑞利情况），足够强的 NLoS 散射仍能支持通信需求。
• LoS 主导地位： 当 LoS 组件很强（高莱斯因子）时，NLoS 组件对可达速率的贡献可以忽略不计，系统性能与理想 LoS 评估高度吻合。然而，在 LoS 组件较弱时忽略 NLoS 传播会导致对系统性能的低估。
• 最优定位权衡： 最优 PA 位置由环境几何结构以及空间传播损耗与波导内衰减之间的权衡共同决定。
  • 在存在遮挡的场景中，通过在波导更远端激活 PA 来维持 LoS 链路（尽管这会带来更高的波导衰减），通常比依靠靠近接入点的 PA 进行 NLoS 传播具有更优越的性能。
  • 在瑞利和莱斯机制之间的转换可能导致遍历速率发生突变（例如，随着 PA 移出遮挡区域，速率从约 3 bps/Hz 跳变至约 16 bps/Hz）。
• 覆盖模式： 有效覆盖区域并非各向同性的；它被划分为由障碍物几何形状定义的“扇区”。高速率区域对应于维持良好传播（LoS 或弱遮挡）的位置。

意义
本文声称，通过几何感知建模来妥善处理 LoS 遮挡，对于实现 PASS 的实际效益至关重要。通过显式地结合 LoS 和 NLoS 组件，本研究比现有的仅限 LoS 或概率模型提供了更准确的性能分析。所推导的部署准则为在复杂的、障碍物丰富的环境中优化 PA 布置提供了实践指南，确保系统能够适应动态遮挡，同时在必要时利用 NLoS 散射。这项工作为评估在由大规模衰落和几何遮挡占主导地位的现实场景下的 PASS 建立了理论基准。