[論文レビュー] Mixing RIS-Assisted Sources with FSO Link

Anas M. Salhab, Liang Yang|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、機会的ソーススケジューリングを用いた再構成可能知能表面（RIS）支援型混合RF/フリー空間光（FSO）リレーネットワークを提案する。系統的 outage確率および平均符号誤り確率の閉形式表現を導出しており、システムの分岐次数は最も弱いホップに制限され、N（反射素子数）がK（ソース数）よりもコードゲインに大きな影響を及えることが示されている。

ABSTRACT

This letter proposes and evaluates the performance of reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted source multiuser mixed radio frequency (RF)/free space optical (FSO) relay network with opportunistic user scheduling. Closed-form analytical approximations are derived for the outage probability and average symbol error probability (ASEP) assuming Rayleigh and Gamma-Gamma fading models for the RF and FSO channels, respectively. Moreover, to gain more insight into the system behavior, the system is studied at the high signal-to-noise ratio (SNR) regime whereby the diversity order and coding gain are derived and analyzed. The results illustrate that the system performance is dominated by the worst hop and that the diversity order is equal to Gd = min(KN,alpha,beta,zeta^2), where K is the number of RF users, N is the number of reflecting elements at each user, alpha and beta are the atmospheric turbulence parameters of the FSO link, and zeta^2 is a measure for the alignment quality of the FSO link. In addition, findings show that for the same diversity order, N is more impactful on the system performance than K through the coding gain Gc.

研究の動機と目的

• 無線ネットワークにおける「最後1マイル」問題を、RISを活用したRFソースとFSOバックホールリンクを統合することで解決すること。
• 大気乱流および路損失の影響を受けるFSOシステムのカバレッジと信頼性を向上させること。
• ソース側にRISを統合することで得られる性能向上を、位相制御による信号ビームフォーミングの向上を通じて検討すること。
• レイノルズおよびガンマ・ガンマフェージングモデル下での解析的性能指標（outage確率、ASEP）を導出すること。
• 高SNR領域におけるシステムの分岐次数およびコードゲインを評価し、性能制限要因を同定すること。

提案手法

• リレ一の瞬時のSNRに基づき、最も強いRFソースを選択する機会的ソーススケジューリングを採用する。
• 最初のホップ（RFリンク）をレイノルズフェージング、2番目のホップ（FSOリンク）をガンマ・ガンマフェージングでモデル化する。
• 統計的チャネルモデルを用いて、outage確率および平均符号誤り確率（ASEP）の閉形式近似を導出する。
• 高SNRにおける漸近的解析により、分岐次数 $ G_d = \min(KN, \alpha, \beta, \zeta^2) $ を導出する。ここで $ \alpha, \beta $ は乱流パラメータ、$ \zeta^2 $ は整合性品質を表す。
• 一般化されたガンマ分布を用いて、FSOチャネルのSNR分布に対する統計的近似を導入する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析結果の妥当性を検証し、K, N, 乱流条件の変動に応じた精度を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソース側にRISを統合することにより、混合RF/フリー空間光リレーネットワークの性能にどのような影響を与えるか？
• RQ2 反射素子数（N）とRFソース数（K）の両方が、システムの分岐次数およびコードゲインに与える影響は何か？
• RQ3 RFリンクとFSOリンクのどちらがシステムのoutage性能を支配しており、それが分岐次数にどのように影響するか？
• RQ4 大気乱流パラメータ（α, β）および整合性品質（ζ²）が、システムの誤りおよびoutage性能に与える影響は何か？
• RQ5 閉形式表現が、現実的なフェージング条件下でoutageおよびASEP性能を正確に予測できるか？

主な発見

• システムの分岐次数は $ G_d = \min(KN, \alpha, \beta, \zeta^2) $ であり、性能は最も弱いホップに制限されることを示している。
• G_d が一定のとき、反射素子数（N）を増加させることは、ソース数（K）を増加させるよりも高いコードゲインをもたらす。
• 同じ G_d において、1つのソースに2つの反射素子を割り当てる場合、各ソースに1つの反射素子を割り当てる2つのソースよりも優れた性能を示す（より高いコードゲイン）。
• RFリンクのSNRがFSOリンクのSNRを超えると、FSOリンクが支配的となり、これ以上性能向上が得られなくなる「性能のノイズフロア」が現れる。
• ASEP性能は、整合性品質（$ \zeta^2 $）が高く、かつ乱流パラメータ（$ \alpha, \beta $）が高いほど向上し、特に高SNR領域で顕著である。
• QPSK変調は、同じ分岐次数であっても、より高いコードゲインを示すため、BPSKに比べて優れた誤り性能を達成する。