[論文レビュー] Performance Analysis of FSO System with Spatial Diversity and Relays for M-QAM over Log-Normal Channel

Pranav Kumar Jha, Nitin Kachare+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2017

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、デコードアンドフォワードリレーや空間多重性を用いたマルチホップMISO FSOシステムを提案し、ログノーマル fading 環境下でM-QAM変調を用いる。解析的に正確なBER式を導出し、SISO-OOKと比較して軽霧条件下で最大47.5 dBのSNRゲインを達成することが示され、同じスペクトル効率下で他の構成よりも顕著に優れた性能を示す。

ABSTRACT

The performance analysis of free space optical communication (FSO) systems using relays and spatial diversity at the transmitter end is presented in this paper. The impact of atmospheric turbulence and attenuation caused by different weather conditions and geometric losses has also been taken into account. The effect of turbulence is modeled over a log-normal probability density function. We present the exact closed form expressions of bit-error rate (BER) for M-ary quadrature amplitude modulation (M-QAM). The FSO system link performance is compared for on-off keying, M-ary pulse amplitude modulation and M-QAM modulation techniques. For relay based free space optical communication systems, M-QAM is proved to be superior than other systems considering the same spectral efficiency for each system. A significant performance enhancement in terms of BER analysis and SNR gains is shown for multi-hop MISO FSO system.

研究の動機と目的

• 大気乱流、天候に起因する減衰、幾何的損失を伴うFSOシステムの性能を、ログノーマル fading モデルを用いて分析すること。
• M-QAM変調における空間多重性（MISO）およびリレーベースのマルチホップ伝送がBER性能に与える影響を評価すること。
• 同一のシステム条件下でM-QAMとOOK、M-PAMのスペクトル効率およびBERの観点から比較すること。
• クリアな天候および曇りの天候下で、SISOおよびMISOシステムに比べてマルチホップMISO FSOシステムが得るSNRゲインを定量化すること。
• 現実的大気損傷を想定した条件下で、M-QAMを用いたマルチホップMISO FSOシステムの優位性を検証すること。

提案手法

• 位相強度のフラクチュエーションをログノーマル確率密度関数でモデル化し、大気乱流を表現する。
• 幾何的拡散、吸収、散乱に起因する経路損失を、正規化された経路損失係数βを用いて組み込む。
• 統計的チャネルモデリングを用いて、ログノーマルチャネル上でのM-QAMの正確な閉形式BER式を導出する。
• 信頼性の向上と通信範囲の拡大を目的として、マルチホップFSOリンクでデコードアンドフォワード（DF）リレーリングを採用する。
• M-QAM信号検出のため、受信機で最大尤度（ML）デコードを適用する。
• スペクトル効率を同一に保ったまま、SISO-OOK、MISO-OOK/RCs、マルチホップSISO/MISOのM-PAMおよびM-QAM構成の間でシステム性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間多重性およびリレーベースの伝送を有するFSOシステムにおいて、ログノーマル fading 条件下でM-QAMの性能はOOKおよびM-PAMと比べてどのように異なるか？
• RQ2 晴天および軽霧の天候が、マルチホップFSOシステムのBER性能に及ぼす影響は何か？
• RQ3 単ホップシステムと比較して、マルチホップリレーリングおよびMISO多重性は、BER低減およびSNRゲインをどの程度向上させるか？
• RQ4 送信機数の増加が、MISOおよびマルチホップFSOシステムにおけるBER性能に与える影響は何か？
• RQ5 同一のスペクトル効率下で、M-QAMを用いたマルチホップMISOシステムは、SISOおよびMISOシステムに比べて、OOKおよびRCsを用いた場合にどの程度SNRゲインを得られるか？

主な発見

• 中程度の乱流下の晴天条件下では、M-QAMを用いたマルチホップMISO FSOシステムは、OOKおよびRCsを用いたMISOシステムと比較して、ターゲットBERにおいて22 dBのSNRゲインを達成する。
• 軽霧条件下では、マルチホップSISOシステムはSISO-OOKと比較して37 dBのSNRゲインを示し、マルチホップMISOシステムはMISO-OOKおよびRCsを用いたMISOシステムと比較して33 dBのSNRゲインを達成する。
• 2リレーマルチホップシステムに8-QAMを適用した場合、単一送信機を用いたMISO構成は、OOKおよびRCsを用いたMISOと比較して13 dBのSNRゲインを達成し、マルチホップSISOシステムを1.2 dB上回る。
• 3送信機および8-PAM変調を用いた場合、マルチホップMISOシステムは、OOKおよびRCsを用いたMISOと比較して19.5 dBのSNRゲインを達成し、マルチホップSISOシステムを2.8 dB上回る。
• 軽霧条件下では、2リレーマルチホップシステムは単ホップシステムと比較して10 dBの性能向上を示し、マルチホップSISOおよびMISOシステムは、それぞれSISO-OOKおよびMISO-OOK/RCsと比較して47.5 dBおよび42.8 dBのSNRゲインを達成する。
• M-QAMを用いたマルチホップMISO FSOシステムは、OOKおよびRCsを用いたSISOおよびMISOシステムを一貫して上回り、乱流および天候に起因するフェージングに対して優れたスペクトル効率と耐障害性を示す。