[論文レビュー] Protocols for Relay-Assisted Free-Space Optical Systems

Nestor D. Chatzidiamantis, Diomidis S. Michalopoulos+3 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2011

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、リレーサイクリックが不要なリレーアシスト型自由空気光学（FSO）システムにおける隣接性能を向上させるリレー選択プロトコルを提案する。チャネル状態情報（CSI）に基づいて1つのリレーを選択することで、正確なタイミングの必要がなくなり、ガンマ・ガンマフェージングモデル下での閉形式のアウトージェ確率式が導出される。最適化されたパワー割り当てにより、アウトージェ確率が顕著に低減される。

ABSTRACT

We investigate transmission protocols for relay-assisted free-space optical (FSO) systems, when multiple parallel relays are employed and there is no direct link between the source and the destination. As alternatives to all-active FSO relaying, where all the available relays transmit concurrently, we propose schemes that select only a single relay to participate in the communication between the source and the destination in each transmission slot. This selection is based on the channel state information (CSI) obtained either from all or from some of the FSO links. Thus, the need for synchronizing the relays' transmissions is avoided and the slowly varying nature of the atmospheric channel is exploited. For both relay selection and all-active relaying, novel closed-form expressions for their outage performance are derived, assuming the versatile Gamma-Gamma channel model. Furthermore, based on the derived analytical results, the problem of allocating the optical power resources to the FSO links is addressed, and optimum and suboptimum solutions are proposed. Numerical results are provided for equal and non-equal length FSO links, which illustrate the outage behavior of the considered relaying protocols and demonstrate the significant performance gains offered by the proposed power allocation schemes.

研究の動機と目的

• 直接的なソース・ドメインリンクのないマルチリレー FSO システムにおけるリレー同期の課題に対処すること。
• 大気乱流によって劣化する FSO 通信におけるシステムの信頼性とスペクトル効率を向上させること。
• ガンマ・ガンマチャネルモデル下でのリレー選択およびすべてのリレーがアクティブな状態の下で、閉形式のアウトージェ確率式を導出すること。
• アウトージェ確率を最小化する最適および準最適なパワー割り当てスキームを設計すること。
• 現実的なフェージング条件下で、等長および非等長の FSO リンクの両方において性能を評価すること。

提案手法

• 2つのリレー選択プロトコルを提案：選択最大（すべてのリンクのCSIを用いる）および分散型スイッチアンドステイ（DSSC、直前のスロットのCSIのみを用いる）。
• 大気乱流を正確に捉えるために、FSOチャネルにおけるガンマ・ガンマ分布を用いてモデル化する。
• ガンマ・ガンマ確率密度関数の無限級数表現とラプラス変換を用いて、アウトージェ確率の新規な閉形式式を導出する。
• 多リレー環境におけるエンド・トゥ・エンドチャネルゲインをモデル化するために、モーメント生成関数（MGF）分析を適用する。
• アウトージェを最小化するための FSO リンク間のパワー割り当ての最適化フレームワークを構築し、正確および準最適な解を提示する。
• 高SNRにおけるアウトージェ近似を導出するための漸近的解析を実施し、解析的結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CSIに基づくリレー選択は、すべてのリレーがアクティブな状態のときと比較して、マルチリレー FSO システムにおけるアウトージェ性能をどのように改善するか？
• RQ2 部分的なCSI（例：直前の伝送からのみ）を用いる場合、システム性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 パワー割り当て戦略は、リレー支援型 FSO システムにおけるアウトージェ確率にどのように影響するか？
• RQ4 ガンマ・ガンマフェージングモデル下で、さまざまなリレー方式に対して解析的なアウトージェ性能の限界は何か？
• RQ5 リンク長の違い（等長対非等長）は、提案されたプロトコルの性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 提案されたリレー選択プロトコルは、特に高乱流環境下で、すべてのリレーがアクティブな状態のときと比較して顕著なアウトージェ性能の向上を達成する。
• 完全なCSIが利用可能な状況では、選択最大プロトコルが DSSC を上回る性能を示すが、DSSC は僅かな性能劣化で済み、フィードバックオーバーヘッドが著しく低い。
• 非等長リンクにおいて、最適パワー割り当ては均一なパワー割り当てと比較して、システムのアウトージェ確率を最大50％まで低減する。
• ガンマ・ガンマモデルを用いて導出された漸近的アウトージェ式は、シミュレーション結果とよく一致し、解析フレームワークの妥当性が裏付けられる。
• パワー割り当ての効果は、パスロスの変動が著しい長距離または非対称リンクを持つシステムでより顕著に現れる。
• 導出された閉形式のアウトージェ式は、現実的大気条件下で短距離および長距離 FSO システムの両方に対して正確かつ適用可能である。