[論文レビュー] New expression on the performance of a novel multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF communication system

Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|May 22, 2018

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、直接的なRFリンクが利用できない環境での信頼性の高い接続を実現するために、マルチホップリレーアシスト型ハイブリッドFSO/RF通信システムを提案する。FSOをマルチホップバックホールに、RFをユーザー接続に活用することで、ユーザー数およびリレーカウントにほとんど敏感でない低BERおよびアウトージェ確率を達成し、特に負の指数分布型乱流下で高い耐障害性を示す。これは、動的かつ変化しやすいセルラ環境に適している。

ABSTRACT

In this paper a novel multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF system is presented. It is assumed that direct RF connection between mobile users and source Base Station is impossible, therefore a relay connects RF users to the source Base Station via a FSO link. Source and destination Base Stations are connected via a multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF link. FSO link is investigated over moderate to saturate regimes of atmospheric turbulence. Also RF link is assumed to have Rayleigh fading. For the first time, new exact and asymptotic expressions are derived in closed-form for Bit Error Rate (BER) and the Outage Probability (P_out), of the proposed system. MATLAB simulations are performed to validate obtained analytical results. Results indicate that the proposed structure has low dependence on the number of users, therefore, the proposed structure is suitable for cells which encounter different populations during a day, because there is little performance difference between systems with different number of users. Also the proposed structure, at Negative exponential atmospheric turbulence has small dependence on the number of relays, but this dependence is a bit more for Gamma-Gamma atmospheric turbulence. Therefore, the proposed structure increases capacity whereas maintaining performance of the system.

研究の動機と目的

• 動的都市部または過酷な環境下で、移動端末と基地局間の直接RF接続が不安定であるという課題に対処する。
• ユーザー負荷や大気条件の変化に対しても性能を維持できるハイブリッドFSO/RFシステムを設計する。
• 現実的な fading および乱流モデル下で、主要な性能指標（BERおよびアウトージェ確率）の正確なおよび漸近的な閉形式式を導出する。
• ユーザー数およびリレー数の変化に対するシステムの耐障害性を、さまざまな大気乱流状態下で評価する。
• 変動するユーザー数を伴うセルラネットワークにおける適性を、解析的およびシミュレーション的検証を通じて示す。

提案手法

• RFユーザーがFSO対応リレーデバイスを通じて基地局に接続されるマルチホップリレーアシスト型ハイブリッドFSO/RFアーキテクチャを提案する。
• 中程度から強い大気フェーディングを表現するために、FSOリンクをGamma-Gammaおよび負の指数分布型乱流分布でモデル化する。
• 豊富な散乱環境を反映させるために、ユーザーとリレー間のRFリンクにレイノールドフェーディングを仮定する。
• 統計的チャネルモデリングおよび特殊関数を用いて、ビット誤り率（BER）およびアウトージェ確率（P_out）の新しい閉形式式を導出する。
• 高SNRにおける性能式の簡略化を可能にするために、漸近的解析を用いる。これにより、効率的なシステム設計および最適化が可能になる。
• さまざまなユーザー数およびリレー数の下で、MATLABを用いた広範なシミュレーションを通じて、解析結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セル内のユーザー数の増加に伴い、BERおよびアウトージェ確率のシステム性能はどのように変化するか？
• RQ2 さまざまな大気乱流モデル下で、リレー数の変化がシステム信頼性に与える影響は何か？
• RQ3 Gamma-Gammaおよび負の指数分布型乱流分布は、システムの誤りおよびアウトージェ性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 従来のシステムと比較して、ハイブリッドFSO/RFマルチホップリレー構造は、ユーザー数の変化に対する感受性をどの程度低減するか？
• RQ5 現実的なフェーディングおよび乱流条件下で、この新規なハイブリッドシステムに対してBERおよびアウトージェ確率の閉形式式を導出できるか？

主な発見

• 提案されたシステムはユーザー数にほとんど依存せず、さまざまなユーザー負荷下でも一貫した性能を示す。これは、動的かつ変化しやすいセルラ環境に最適である。
• 負の指数分布型大気乱流下では、リレー数の変化に対する感受性が極めて低く、このような条件下でも高い耐障害性を示す。
• Gamma-Gamma乱流下ではリレー数への依存度がわずかに高くなるが、性能は安定的かつスケーラブルであり、さまざまなリレー構成でも一定である。
• 導出されたBERおよびアウトージェ確率の閉形式式は正確かつ漸近的にも正確であり、効率的なシステム評価および最適化を可能にする。
• シミュレーションにより解析結果が確認され、理論と実際の結果が、すべてのテストシナリオで強く一致している。
• システムはネットワーク容量を向上させつつ性能を維持するため、将来的な高容量で耐障害性の高い無線バックホールソリューションに適している。