[論文レビュー] Performance analysis of hybrid FSO/RF communication systems with Alamouti Coding or Antenna Selection

Sayehvand, Javad, Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2018

Optical Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、大気のフェージングおよびポイントエラーを考慮した条件下で性能を向上させるために、送信機でアラムーティ符号化（AC）またはアンテナ選択（AS）を用いた二ホップハイブリッド FSO/RFリレーシステムを提案する。誤りビット率（BER）およびアウトージ確率の閉形式表現を導出しており、ACとASの間で性能差が最小限であることが示され、長距離、移動体、電力制約のある応用分野において、複雑さと消費電力が低いことからASの採用を推奨する。

ABSTRACT

In this work a novel dual-hop relay-assisted hybrid Free Space Optical / Radio Frequency (FSO / RF) communication system is presented. In this system, RF signal is transmitted from two antennas, and then forwarded by a single antenna relay through FSO channel. This is the first time that performance of using Alamouti Coding (AC) or Antenna Selection (AS) at the transmitter of a hybrid FSO / RF system is investigated. FSO link has Gamma-Gamma atmospheric turbulence, and in order to get closer to the actual results, the effect of pointing error is also considered. For the first time closed-form expressions are derived for Bit Error Rate (BER) and Outage Probability of the proposed system and validated through MATLAB simulations. Results indicate that in this structure, there is slight performance difference between AC and AS schemes. Hence due to more complexity, power consumption and latency of AC, AS is recommended. Dual-hop, hybrid FSO / RF system significantly improves performance and reliability of the system, and is particularly suitable for long-range applications that direct RF communication between source and destination is not possible. Considering these advantages this structure is particularly suitable for mobile communications which has power and processing limitations.

研究の動機と目的

• 移動通信における信頼性の低い長距離 RF および FSO リンクの課題に対処するため、ハイブリッド FSO/RF 二ホップリレーシステムを提案すること。
• 現実的なチャネル条件下でのハイブリッド FSO/RF システムにおけるアラムーティ符号化（AC）およびアンテナ選択（AS）技術の性能を調査すること。
• ガンマ・ガンマ分布を用いた大気乱流およびポイントエラーの影響を受ける条件下で、誤りビット率（BER）およびアウトージ確率といった主要な性能指標の閉形式表現を導出すること。
• AC と AS の性能、複雑さ、消費電力、遅延の観点から比較し、最適な送信戦略を特定すること。

提案手法

• 送信機が2つのRFアンテナを介して単一アンテナリレ−に信号を送信し、その後リレ−がFSOリンクを通じて受信機に信号を中継する二ホップリレーシステムを設計する。
• FSOリンクは大気乱流を表現するためガンマ・ガンマ分布でモデル化され、実用的な性能評価のためポイントエラーの影響も含む。
• 空間的ダイバーシティゲインを実現するため、送信機でアラムーティ符号化（AC）を適用する。
• 複雑さが低い代替手法として、チャネル状態情報に基づき最良のRFアンテナを選択するアンテナ選択（AS）を採用する。
• モーメント生成関数（MGF）アプローチを用いて、統計的チャネルモデルからBERおよびアウトージ確率の閉形式表現を導出する。
• 解析結果の妥当性を検証し、同一のシステム条件下でのACとASの性能を比較するためにMATLABシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ・ガンマフェージングおよびポイントエラーの影響を受ける状況下で、二ホップハイブリッド FSO/RF システムにおけるアラムーティ符号化の性能はアンテナ選択と比べてどの程度異なるか？
• RQ2 提案されたハイブリッド FSO/RF システムにおける誤りビット率（BER）およびアウトージ確率の閉形式表現は何か？（ACまたはASを用いた場合）
• RQ3 二ホップリレーアーキテクチャの導入は、長距離または遮断されたラインオブサイトリンクにおいて、直接伝送と比較して顕著にシステムの信頼性と性能を向上させるか？
• RQ4 このハイブリッドシステムにおいて、ACとASの間で性能向上と複雑さ、消費電力、遅延のトレードオフはどのように異なるか？
• RQ5 移動体および電力制約のある通信システムにおいて、アンテナ選択はアラムーティ符号化の代替として実用的かつ好ましいか？

主な発見

• 同じシステム条件下で、誤りビット率（BER）およびアウトージ確率の観点から、アラムーティ符号化とアンテナ選択の性能差は最小限である。
• BERおよびアウトージ確率の閉形式表現が成功裏に導出され、シミュレーションによる検証が行われ、正確な性能予測が可能となった。
• ハイブリッド FSO/RF 二ホップシステムは、特に長距離または遮断されたラインオブサイト環境において、信頼性およびシステム性能を顕著に向上させる。
• 複雑さが低く、消費電力が少なく、遅延も小さいことから、性能がほぼ同等であるにもかかわらず、アンテナ選択はアラムーティ符号化よりも推奨される。
• FSOリンクモデルにポイントエラーを組み込むことで、実用的な劣化要因を考慮したより現実的な性能評価が可能となり、提案手法の実用的劣化要因に対するロバスト性が確認された。
• エネルギー効率と処理遅延が重要な制約となる移動体通信において、本システムは特に適している。