[論文レビュー] Underwater Optical Communication System Relayed by $\alpha-\mu$ Fading Channel: Outage, Capacity and Asymptotic Analysis

Mohammed Amer, Yasser Al-Eryani|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、デコードアンドフォワード（DF）リレーモードを採用した二ホップ水中光通信（UWOC）システムを提案する。光学リンクでは、水中乱流をモデル化するため指数一般化ガンマ（EGG）フェージングを、RFリレーリンクでは一般化α−µフェージングを用いる。変換検出下での中継性能評価として、中継停止確率、平均符号誤り率（ASEP）、エゴディック容量の閉形式式を導出。その結果、弱い乱流条件下ではRFフェージングが中継停止に支配的であり、強い乱流条件下では光学乱流が支配的となることが明らかになった。良好な条件下ではギガビット／秒（Gbps）レベルの高速通信が可能となる。

ABSTRACT

We investigate underwater optical communication system that is relayed by a single decode-and-forward (DF) relay through an exponential-generalized Gamma distribution (EGG) into a final destination. Specifically, a certain terminal device sends data through underwater wireless optical link (UWO) that utilizes the so-called blue laser technology into a nearby relay that in term sends a decoded (and modulated) version of the received signal into a remote destination. The RF link is assumed to follow the generalized $\alpha-\mu$ distribution; which include many distributions as a special cases, e.g., Rayleigh. In the other hand, the UWO link is presumed to follow the state-of-art Exponential-Generalized Gamma distribution (EGG) which was recently proposed to model the underwater optical turbulence. Closed-form expressions of outage probability, average error rate and ergodic capacity are derived assuming heterodyne detection technique (HD). Also, asymptotic outage expression is obtained for more performance insights. Results show that high achievable rate is obtained for high-speed underwater communication systems when turbulence conditions underwater are relatively weak. In addition, the RF link is dominating the outage performance in weak optical turbulence while UWO link is dominating the outage performance in severe optical turbulence.

研究の動機と目的

• 従来のUWOCシステムが対数正規フェージングを仮定しており、水中光乱流を正確にモデル化できないという性能制限を是正すること。
• 気泡、塩分、温度変動に起因する乱流を新たに導入したEGG分布でモデル化する光学リンクを有する混合UWO/RFリレーシステムの分析。
• 変換検出下での主要性能指標である中継停止確率、ASEP、エゴディック容量の閉形式式を導出すること。
• 高SNRにおける中継停止の漸近的挙動を調査し、より深い性能の理解を得ること。
• α−µフェージングパラメータ、水質、気泡濃度などのシステムパラメータが全体のシステム性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 塩分、温度、空気の気泡に起因する水中光乱流を捉えるために、送信者からリレー（U→R）リンクを指数一般化ガンマ（EGG）分布でモデル化する。
• リレーから受信者（R→D）リンクを一般化α−µフェージング分布でモデル化する。これはレイノルズ、ナカガミ−m、ワイブルなどの特殊ケースを含む。
• エンドツーエンドの信号対雑音比（SNR）の累積分布関数（CDF）を用いて、エンドツーエンドの中継停止確率の正確な閉形式式を導出する。
• M値PAM変調を仮定した変換検出下で、平均符号誤り率（ASEP）の閉形式式を導出する。
• SNRの確率密度関数のメイジャーG関数表現を用いて、エゴディック容量の閉形式式を導出する。
• 高SNRにおける漸近的中継停止解析を実施し、ダイバーシティゲインとコーディングゲインを特定。これにより、支配的フェージングリンクの挙動を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EGGフェージングモデルは、従来の対数正規フェージングと比較して、UWOCシステムにおける性能解析の正確性をどのように向上させるか？
• RQ2 EGGおよびα−µフェージング下でのDFリレーリングを採用した二ホップUWOC/RFリレーシステムの正確な中継停止確率は何か？
• RQ3 α−µおよびEGG分布のパラメータは、システムの停止および誤り性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 高SNRにおける中継停止確率の漸近的挙動は何か？また、異なる乱流状態において、光学リンクかRFリンクのどちらが性能を支配するか？
• RQ5 空気の気泡や水の塩分濃度といった環境要因は、システムの実現可能データレートおよび信頼性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 弱い水中光乱流（UOT）条件下ではRFリンクが中継停止性能を支配するが、強いUOT条件下ではUWOリンクが支配的となる。これは、両リンクのダイバーシティ順序の違いに起因する。
• 弱い乱流条件下では、最小限のコーディング損失でギガビット／秒（Gbps）レベルの高速データレートを達成可能であり、高速水中通信の強い可能性を示している。
• 漸近的中継停止式から、ダイバーシティゲインは二ホップのダイバーシティ順序の最小値によって決定され、コーディングゲインはフェージングパラメータに依存することが明らかになった。
• 弱いUOTおよび有利なα−µパラメータ条件下では、ナカガミ−m RFチャネルが最良のASEP性能を示し、指数分布RFチャネルが最悪の性能を示した。
• 空気の気泡濃度を低減することは、平均符号誤り率（ASEP）の改善およびエゴディック容量の増加に顕著に寄与し、水質の明瞭さがシステム性能に与える重要性を示している。
• 中継停止確率、ASEP、容量の導出された閉形式式は、数学的に取り扱いやすく、塩水および淡水を含む広範なUWOCシナリオに適用可能である。