[논문 리뷰] Asymmetric RF/FSO Relaying with HPA non-Linearities and Feedback Delay Constraints

Elyes Balti, Brian K. Johnson|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 14.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 47인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 고출력 증폭기(HPA) 비선형성과 오래된 채널 상태 정보(CSI)를 고려한 비대칭 RF/FSO 이중호 중계 시스템을 연구한다. 혼합된 레이일리 및 더블 일반화된 가우시안(fading) 조건 하에서 중단 확률, 비트 오류율, 에르고딕 용량에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, 심한 FSO 페이딩 하에서는 성능이 악화되며, 동일한 IBO 제약 조건 하에서 SEL 증폭기가 TWTA보다 스펙트럼 효율성과 선형성 면에서 뛰어나다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

In this work, we investigate the performance of a dual-hop multiple relays system consisting of mixed Radio-Frequency (RF)/Free Space Optical (FSO) channels. The RF channels are subject to Rayleigh fading while the optical links experience the Double Generalized Gamma including atmospheric turbulence, path loss and the misalignment between the transmitter and the receiver aperture (also known as the pointing error). The FSO model also takes into account the receiver detection technique which could be either heterodyne or intensity modulation and direct detection. Partial Relay Selection with outdated Channel State Information is assumed based on the RF channels to select a relay and we also consider fixed and variable Amplify-and-Forward relaying schemes. In addition, we assume that the relays are affected by the high power amplifier non-linearities and herein we discuss two power amplifiers called Soft Envelope Limiter and Traveling Wave Tube Amplifier. Furthermore, novel closed-forms and tight upper bounds of the outage probability, the bit error probability, and the ergodic capacity are derived. Capitalizing on these performance, we derive the high SNR asymptotic to get engineering insights about the system gains such as the diversity and the coding gains. Finally, the mathematical expressions are validated using the Monte Carlo simulation.

연구 동기 및 목표

• 실제 손상 요인인 HPA 비선형성과 오래된 CSI를 고려한 이중호 혼합 RF/FSO 중계 시스템의 성능을 분석하기 위해.
• 대기 흐릿함, 경로 손실, 포인터 오차 영향을 정확히 반영하기 위해 FSO 링크를 더블 일반화된 가우시안 분포로 모델링하기 위해.
• 소프트 엔벨롭 리미터(SEL)와 트래벨링 웨이브 트럽 앰프리파이어(TWTA) 두 종류의 HPA가 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 오래된 CSI 하에서 부분적 중계 선택 조건 하에서 중단 확률, 비트 오류율, 에르고딕 용량에 대한 정확한 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.
• 시스템 설계에 대한 통찰을 제공하기 위해 고신호 대 잡음비 조건에서의 점 渐진 분석을 통해 다양도 및 코딩 이득을 추출하기 위해.

제안 방법

• RF 링크를 레이일리 페이딩으로 모델링하고, FSO 링크를 대기 흐릿함, 경로 손실, 포인터 오차 영향을 반영하기 위해 더블 일반화된 가우시안 분포로 설정한다.
• 비선형 왜곡을 고려하기 위해 SEL과 TWTA 두 가지 HPA 모델을 통합한다.
• 피드백 오버헤드를 줄이기 위해 RF 링크의 오래된 CSI 기반 부분적 중계 선택을 적용한다.
• 메이저의-G 함수와 포크-H 함수를 사용하여 중단 확률에 대한 정확하고 타이트한 상한 표현식을 유도한다.
• 통계적 채널 모델과 확률적 미적분을 활용하여 가변 이득 및 고정 이득 중계 조건 하에서 에르고딕 용량 표현식을 유도한다.
• 고신호 대 잡음비 조건에서의 점 渐진 분석을 적용하여 다양도 및 코딩 이득을 추출하고, 시스템의 확장성과 내성에 대한 공 ing 조건을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HPA 비선형성(SEL 대비 TWTA)은 비대칭 RF/FSO 중계 시스템에서 중단 확률과 에르고딕 용량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 오래된 CSI는 중단 확률과 다양도 이득 측면에서 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 혼합된 흐릿함, 경로 손실, 포인터 오차 조건 하에서 더블 일반화된 가우시안 모델은 FSO 페이딩을 얼마나 정확하게 표현하는가?
• RQ4 고신호 대 잡음비 조건에서 시스템의 다양도 및 코딩 이득 측면에서의 점 渐진 행동은 어떠한가?
• RQ5 검출 기술 선택(Heterodyne 대비 IM/DD)은 시스템의 비트 오류율과 용량에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 심한 FSO 페이딩 조건에서는 최적의 중계 선택과 고신호 대 잡음비 조건임에도 불구하고 시스템 성능이 크게 악화된다.
• 채널 상태 정보(CSI) 간의 상관관계가 높을수록 중단 확률이 감소함을 확인하여, 더 정확한 CSI는 신뢰성을 향상시킨다.
• TWTA의 경우 비선형 왜곡으로 인해 약 30 dB에서 에르고딕 용량이 포화되지만, SEL 증폭기는 고신호 대 잡음비 조건에서도 더 높은 용량을 유지한다.
• 주어진 백오프(IBO) 조건 하에서 HPA 비선형성은 에르고딕 용량에 거의 영향을 주지 않으며, 실질적으로 선형 중계를 가정해도 무방함을 시사한다.
• 동일한 IBO 제약 조건 하에서 SEL 증폭기는 TWTA보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 보이며, 더 나은 시스템 운영이 가능하다.
• CSI 보조 중계 조건 하에서 IBO가 증가할수록 에르고딕 용량이 크게 향상되며, 이는 피크 전력 제약이 완화되고 신호 증폭이 더 효율적이기 때문이다.