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

Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2018

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 21被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、移動通信における信頼性を向上させるために、受信 diversity を備えた新規なマルチホップリレーアシスト型ハイブリッド FSO/RF システムを提案する。複数のリレーや受信アンテナを用いることで、アンテナ数にほとんど依存しない低誤りビットレートおよびオフライン確率を達成し、都市部の変動する大気乱流環境においてコスト効率が良く、耐障害性に優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

In this paper a novel multi-hop relay-assisted hybrid Free Space Optical / Radio Frequency (FSO / RF) communication system is presented, in which a mobile user is connected to the Base Station via a multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF link with receive diversity. In this structure, received signal at each relay is demodulated and forwarded. This is the first time that in a multi-hop hybrid FSO / RF system, receive diversity is used. Bit Error Rate (BER) and Outage Probability (P_out) are investigated as system performance criteria. New exact and asymptotic expressions are derived for these criteria, and MATLAB simulations are provided to verify the obtained results. For the first time impact of number of receive antennas and number of relays on the performance of such a structure is investigated. Results indicate that proposed structure has low dependence on number of receive antennas; therefore, in the proposed structure use of single receive antenna has the same performance as the multi-antenna, while low complexity and power consumption. The proposed structure shows independent performance at moderate and strong atmospheric turbulence regimes. Hence, it does not require adaptive processing to match itself according to atmospheric turbulence condition, therefore is cost effective and particularly suitable for urban areas that encounter frequent changes in atmospheric turbulence.

研究の動機と目的

• FSO通信における大気乱流の課題に対処するため、ハイブリッド FSO/RF リレーリングと受信 diversity を統合する。
• 移動ユーザー環境においても高い性能を維持しつつ、システムの複雑性と消費電力を低減する。
• リレーカウントおよび受信アンテナカウントがシステム信頼性に与える影響を調査する。
• マルチホップハイブリッド FSO/RF システムにおける BER およびオフライン確率の正確な式と漸近的式を導出する。
• 適応処理を必要とせずに、中程度から強い乱流条件下でもシステムの頑健性を評価する。

提案手法

• 各リレーが信号をデモジュレートしてフォワードするマルチホップリレーアシスト型ハイブリッド FSO/RF アーキテクチャを設計する。
• 各リレーに複数のアンテナを用いた受信 diversity を導入し、リンクの信頼性を向上させる。
• 混合 FSO/RF ルイジングにおけるビット誤り率 (BER) およびオフライン確率 (P_out) の新しい正確式と漸近的式を導出する。
• FSO リンクにおける大気乱流の統計的チャネルモデルと、RF リンクにおけるレイノールズフェイディングモデルを用いる。
• さまざまな乱流およびリレー構成下で、MATLAB を用いたシミュレーションにより解析結果を検証する。
• リレー数および受信アンテナ数の異なる条件でのシステム性能を分析し、スケーラビリティと頑健性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受信アンテナ数の増加が、受信 diversity を備えたマルチホップハイブリッド FSO/RF システムの BER およびオフライン確率に与える影響は何か？
• RQ2 本ハイブリッドアーキテクチャにおいて、受信アンテナ数を増加させるとシステム性能にどのような影響があるか？
• RQ3 中程度から強い大気乱流条件下で、システムはどのように動作するか？
• RQ4 変動する乱流レベルに対応するために適応処理を必要とせずに、システムは安定した性能を維持できるか？
• RQ5 低複雑性および低消費電力で、高信頼性を維持できるか？

主な発見

• 受信アンテナ数の増加に伴って性能劣化がほとんど見られず、単一アンテナ受信機でもマルチアンテナシステムとほぼ同等の性能を達成していることが示された。
• オフライン確率および BER は、中程度から強い大気乱流条件下でも安定しており、乱流の変動から独立していることが示された。
• 変動する大気条件に適応するための適応処理を必要としないため、複雑性とコストが低減された。
• MATLAB シミュレーションにより、導出された BER およびオフライン確率の正確式と漸近的式の正確性が確認された。
• 本提案アーキテクチャは、耐障害性と低消費電力の両方を備えているため、都市部環境に特に適している。
• 性能は受信アンテナ数にほとんど依存しないため、単一アンテナ導入が可能であり、コスト効率に優れている。