[論文レビュー] An optimization problem on the performance of FSO communication system

Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、大気乱流およびポイントエラーの下で送信波長を最適化することにより、自由空間光（FSO）通信の性能を向上させる解析的最適化モデルを提案する。先行の漸近的手法とは異なり、新しい正確な解析的手法を用いることで、10⁻¹³の誤りビットレート（BER）を達成し、漸近的手法の10⁻⁹よりも著しく優れている。これは、正確な波長適合が、悪条件下でも非常に信頼性が高く、低消費電力のFSOリンクを実現できることを示している。

ABSTRACT

Performance of Free Space Optical (FSO) communication system is affected by atmospheric turbulences and pointing errors. These effects can easily be mitigated by adapting natural system parameters such as wavelength. In this paper, considering effects of pointing error and atmospheric turbulence, two optimization models are presented on FSO communication system. In Model 1, the normalized transmitter power is objective function, Bit Error Rate (BER) is equality subjective. In Model 2 normalized transmitter power is equality subjective, the BER is objective function. In both of them the normalized wavelength is variable parameter. These models were previously investigated using numerical methods; in the sense that they were solved asymptotically. From this point of view, this paper regenerated these models and solved them by a completely different analytical method, and derived a new exact solution. Comparing exact and asymptotic methods shows some interesting results; the asymptotic method achieves BER=10^(-9), but the presented new exact method achieves BER=10^(-13), which is a significant difference. It means that even at the worst case scenario such as pointing error, it is possible to have a very good performance by only the transmitting wavelength a bit. Proposed models are practical and obtained results show that this system is cost and power effective.

研究の動機と目的

• 大気乱流およびポイントエラーによって引き起こされるFSOシステムの性能劣化を是正すること。
• きびしい誤りビットレート（BER）制約を満たしつつ、送信パワーを最小化する解析的最適化モデルを開発すること。
• 先行の漸近的解を正確な解析的解に置き換えることにより、精度と性能を向上させること。
• 波長チューニングのみで、最悪のポイントエラー条件下でも超信頼性のあるFSO通信を達成できることを示すこと。
• 提案された最適化フレームワークのコストおよび消費電力効率を実用的なFSOシステム設計において検証すること。

提案手法

• 送信パワーの正規化を最小化する制約としてBERの等式制約を課す最適化モデルと、BERを最小化する制約としてパワーの等式制約を課す別の最適化モデルを定式化する。
• 両モデルにおいて、正規化された波長を唯一の変数パラメータとして扱い、システム性能に与える影響を体系的に分析可能にする。
• 先行の漸近的手法とは根本的に異なる数学的アプローチを用いて、新しい正確な解析的解を導出する。
• 近似に依存せずに最適化問題を解くことで、BERおよびパワーの予測精度をより高める。
• 解析的結果を、以前に報告された漸近的解と直接比較することで検証する。
• 閉形式の式を用いて、さまざまな波長における送信パワーと達成可能なBERのトレードオフを特徴付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正確な解析的解は、ポイントエラーおよび大気乱流下でのFSOシステム性能予測において、漸近的手法を上回ることができるか？
• RQ2 FSOシステムにおいて、送信波長を最適化することで、BERはどの程度低減可能か？
• RQ3 提案された正確な手法は、漸近的解析が予測する性能限界をどの程度改善するか？
• RQ4 最悪のポイントエラー条件下で、波長適応のみを用いて到達可能な最小BERは何か？
• RQ5 提案された最適化フレームワークは、コストおよび消費電力効率の高いFSO通信システムを実現可能か？

主な発見

• 提案された正確な解析的手法は、10⁻¹³のBERを達成した。これは、漸近的手法で得られた10⁻⁹のBERよりも著しく優れている。
• 最悪のポイントエラー条件下ですら、最適な波長選択により超信頼性のある通信が実現された。
• 正確な解は、漸近的近似によって以前に推定されたものよりも、より有利なパワー-BERトレードオフを明らかにした。
• 結果から、波長適応のみで、極めて効率的かつ頑丈なFSO通信システムを実現できることを確認した。
• 解析的フレームワークは、きびしい信頼性要件を満たすFSOリンク設計に実用的でコスト効率の高い方法を提供する。
• 本研究では、高信頼性FSOシステムにおける正確な性能予測には正確な解が不可欠であることを示した。