[論文レビュー] Performance of Wireless Optical Communication With Reconfigurable Intelligent Surfaces and Random Obstacles

Haibo Wang, Zaichen Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 33被引用数 41

ひとこと要約

論文は、光RIS（ICRN）を用いた多分岐光無線システムを提案し、複数の人工チャンネルを作成、指向誤差と遮蔽の確率密度関数を導出し、単一・多分岐構成でのBERとアウトageの漸近解析を行い、衝撃成分による性能向上とフロアを示す。

ABSTRACT

It is difficult for free space optical communication to be applied in mobile communication due to the obstruction of obstacles in the environment, which is expected to be solved by reconfigurable intelligent surface technology. The reconfigurable intelligent surface is a new type of digital coding meta-materials, which can reflect, compute and program electromagnetic and optical waves in real time. We purpose a controllable multi-branch wireless optical communication system based on the optical reconfigurable intelligent surface technology. By setting up multiple optical reconfigurable intelligent surface in the environment, multiple artificial channels are built to improve system performance and to reduce the outage probability. Three factors affecting channel coefficients are investigated in this paper, which are beam jitter, jitter of the reconfigurable intelligent surface and the probability of obstruction. Based on the model, we derive the closed-form probability density function of channel coefficients, the asymptotic system's average bit error rate and outage probability for systems with single and multiple branches. It is revealed that the probability density function contains an impulse function, which causes irreducible error rate and outage probability floors. Numerical results indicate that compared with free-space optical communication systems with single direct path, the performance of the multi-branch system is improved and the outage probability is reduced.

研究の動機と目的

• 光 RIS 技術を用いて障害物が多い環境で安定した光通信を動機づける。
• ビームジッター、RISジッター、遮蔽といった主要な劣化要因を特定し、マルチブランチ光 RIS システムをモデル化する。
• チャネルフェージングの閉形式PDFを導出し、単一および多分岐システムの漸近BERとアウトageを分析する。
• 知的チャンネル数を増やすことで性能への影響を示し、高SNR時の電力配分を提案する。
• 解析モデルを検証する数値結果を提供し、衝撃成分による性能フロアを強調する。

提案手法

• 複数のICRNノードが信号を中央受信機へ反射する光学的インテリジェントチャネル系をモデル化する。
• ビームジッターとICRNジッターを組み込んだ指向誤差のPDFを導出し、Rayleigh分布に従う重畳指向誤差を得る。
• h_o の二点フェージングモデルによる遮蔽確率を組み込み、結果としてのチャネルPDF h_k を導出する。
• 全体のチャネルを h_k = h_p_k h_o_k と表現し、そのCDF/PDFを導出する。
• 漸近解析（MGFとテイラー展開）を用いて、IM/DDとOOK下の単一および多分岐システムのBERとアウトageの式を得る。
• 多分岐系に対して最大比合成（MRC）を適用し、SNR γ = ∑ α_k^2 γ_k と高SNR時の電力配分の洞察を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビームジッター、RIS表面ジッター、および障害確率が光チャネルのフェージングと受信機性能にどう影響するか？
• RQ2 単一および多分岐RIS支援OWCシステムにおけるチャネル係数のPDF、 BER、アウトage の閉形式表現は何か？
• RQ3 知的チャンネルを増やすとアウトage確率とBERにどのような影響があり、収益逓減はあるか？
• RQ4 マルチブランチ構成で高SNR時に性能を最適化する電力配分戦略は何か？

主な発見

• 本研究は衝撃成分を含むチャネルフェージングの閉形式PDFを導出し、不可避な誤り率とアウトageフロアをもたらす。
• 光RIS（ICRN）を用いたマルチブランチ構成は、単一の直接経路と比較して性能を改善しアウトageを低減する。
• 知的チャンネル数を増やすと性能は向上するが、チャンネルを追加するにつれて限界利益が小さくなる。
• 高SNRでのマルチブランチ系向けに最適化された電力配分スキームを提案。
• 数値結果は、考慮した劣化下で解析的PDF、BER、アウトage式を検証する。