[論文レビュー] Performance Analysis of RIS-Based nT-FSO Link Over G-G Turbulence With Pointing Errors

Alain R. Ndjiongue, Telex M. N. Ngatched+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2021

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 21被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、ガンマガンマ（G-G）乱流およびポイントエラーによって劣化する再構成可能知能表面（RIS）支援近地間自由空気光学（nT-FSO）リンクの性能解析を提案する。信号対雑音比（SNR）統計の正確な閉形式式を用いて、変調方式として混合検出（HD）と強度変調・直接検出（IM/DD）の両方を想定し、停電確率、エゴドリック容量、ビット誤り率を評価した。その結果、HDはIM/DDを上回り、青波長が優れた性能を示すことが明らかになった。

ABSTRACT

One of the main problems faced by communication systems is the presence of skip-zones in the targeted areas. With the deployment of the fifth-generation mobile network, solutions are proposed to solve the signal loss due to obstruction by buildings, mountains, and atmospheric or weather conditions. Among these solutions, re-configurable intelligent surfaces (RIS), which are newly proposed modules, may be exploited to reflect the incident signal in the direction of dead zones, increase communication coverage, and make the channel smarter and controllable. In this paper, we tackle the skip-zone problem in near-terrestrial free-space optical (nT-FSO) systems using RIS. We carry out a performance analysis of RIS-aided nT-FSO links affected by turbulence and pointing errors, for both heterodyne detection (HD) and intensity modulation-direct detection (IM/DD) techniques. Turbulence is modeled using the Gamma-Gamma (G-G) distribution. We analyze the model and provide exact closed-form expressions of the probability density function, cumulative distribution function, and moment generating function of the end-to-end signal-to-noise ratio, $γ$. Capitalizing on these statistics, we evaluate the system performance through the outage probability, $ P_{out} $, ergodic channel capacity, $\overline{C}$, and average bit-error-rate, $\overline{P}_b$, for selected binary modulation schemes. Numerical results obtained for different turbulence levels and pointing errors confirm that the HD technique outperforms IM/DD even in RIS-aided nT-FSO systems. These results also show that using a blue color offers better channel capacity and communication performance compared to red and green colors.

研究の動機と目的

• スイープゾーンにおける遮蔽および大気要因に起因する信号損失を是正する。
• G-G乱流およびポイントエラーといった現実的な劣化要因下でのRIS支援nT-FSOリンクの性能向上を調査する。
• RIS支援nT-FSOシステムにおける混合検出（HD）と強度変調・直接検出（IM/DD）技術の性能を比較する。
• 停電確率、エゴドリック容量、平均ビット誤り率といった主要な性能指標を評価する。
• 赤、緑、青の光学波長がRIS導入下でのシステム性能に与える影響を特定する。

提案手法

• 大気乱流をガンマガンマ（G-G）分布を用いてモデル化し、正確な統計的表現を実現する。
• エンドツーエンドのSNRの確率密度関数、累積分布関数、モーメント生成関数の正確な閉形式式を導出する。
• SNR統計を用いて、二値変調方式の停電確率、エゴドリック容量、平均ビット誤り率を評価する。
• 同一のチャネル条件下で、混合検出（HD）と強度変調・直接検出（IM/DD）の両技術を分析する。
• 乱流レベルとポイントエラー分散の変動を想定し、システムの耐障害性を評価する。
• 赤、緑、青の光学波長を用いた性能比較を通じて、最適な送信色を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RISの導入は、G-G乱流およびポイントエラー下でのnT-FSOリンク性能をどのように向上させるか？
• RQ2 RIS支援nT-FSOシステムにおいて、混合検出（HD）は強度変調・直接検出（IM/DD）に対してどの程度の相対的性能向上をもたらすか？
• RQ3 RIS支援nT-FSOシステムにおける異なる光学波長（赤、緑、青）は、エゴドリック容量およびビット誤り率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 G-G乱流とポイントエラーが併存する状況下における、RIS支援nT-FSOシステムのエンドツーエンドSNRの正確な統計的表現は何か？
• RQ5 乱流レベルとポイントエラー分散の増加が、停電確率およびシステム信頼性に与える影響は何か？

主な発見

• すべての乱流およびポイントエラーのレベルにおいて、混合検出（HD）は停電確率およびビット誤り率の観点で強度変調・直接検出（IM/DD）を上回る性能を示す。
• エゴドリック容量は青光線において赤および緑光線と比較して顕著に高く、RIS支援nT-FSOシステムにおける青光線のスペクトル効率の優位性が示された。
• SNRの確率密度関数、累積分布関数、モーメント生成関数の正確な閉形式式が導出され、モンテカルロシミュレーションを用いない正確な性能評価が可能となった。
• 停電確率は、乱流の強度およびポイントエラー分散の増加に伴い上昇するが、RISの導入によりこの劣化が効果的に緩和される。
• エゴドリック容量は低乱流および低ポイントエラー条件で最大となり、青波長が最高の容量を達成する。
• 強乱流および高ポイントエラー条件下では、RISの導入による性能向上が最も顕著であり、困難な伝搬環境におけるその価値が裏付けられた。