[논문 리뷰] Mixing RIS-Assisted Sources with FSO Link

Anas M. Salhab, Liang Yang|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 11.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 기회적 소스 스케줄링을 통한 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)-보조 혼합 RF/자유공간광학(FSO) 릴레이 네트워크를 제안한다. 중단 확률과 평균 심볼 오류 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, 시스템의 다중성 차수는 가장 열악한 홉에 의해 제한되며, 반사 요소 수 N이 코딩 이득에 K(소스 수)보다 더 큰 영향을 미친다.

ABSTRACT

This letter proposes and evaluates the performance of reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted source multiuser mixed radio frequency (RF)/free space optical (FSO) relay network with opportunistic user scheduling. Closed-form analytical approximations are derived for the outage probability and average symbol error probability (ASEP) assuming Rayleigh and Gamma-Gamma fading models for the RF and FSO channels, respectively. Moreover, to gain more insight into the system behavior, the system is studied at the high signal-to-noise ratio (SNR) regime whereby the diversity order and coding gain are derived and analyzed. The results illustrate that the system performance is dominated by the worst hop and that the diversity order is equal to Gd = min(KN,alpha,beta,zeta^2), where K is the number of RF users, N is the number of reflecting elements at each user, alpha and beta are the atmospheric turbulence parameters of the FSO link, and zeta^2 is a measure for the alignment quality of the FSO link. In addition, findings show that for the same diversity order, N is more impactful on the system performance than K through the coding gain Gc.

연구 동기 및 목표

• RIS 기반 RF 소스와 FSO 백홀 링크를 융합하여 무선 네트워크의 '마지막 마일' 문제를 해결한다.
• 的大기 흐림과 경로 손실로 제한되는 FSO 시스템의 커버리지 및 신뢰성을 향상시킨다.
• 소스 측에 RIS 통합으로 인한 성능 향상을 분석하여 위상 제어를 통한 신호 빔포밍을 향상시킨다.
• 레이일 및 가우시안-가우시안(fading) 모델 하에서 분석적 성능 지표(중단 확률, ASEP)를 유도한다.
• 고 SNR 영역에서 시스템의 다중성 및 코딩 이득을 평가하며, 성능 제한 요인을 규명한다.

제안 방법

• 릴레이에서의 순간 SNR에 기반해 가장 강한 RF 소스를 선택하는 기회적 소스 스케줄링을 적용한다.
• 첫 번째 홉(RF 링크)은 레일리 fading을, 두 번째 홉(FSO 링크)은 가우시안-가우시안(fading)을 모델링한다.
• 통계적 채널 모델을 사용하여 중단 확률 및 평균 심볼 오류 확률(ASEP)에 대한 폐쇄형 근사식을 유도한다.
• 고 SNR에서의 점근적 분석을 통해 다중성 차수 $ G_d = \min(KN, \alpha, \beta, \zeta^2) $ 를 도출하며, 여기서 $ \alpha, \beta $ 는 흐림 매개변수이고 $ \zeta^2 $ 는 정렬 품질이다.
• 일반화된 감마 분포를 사용하여 FSO 채널의 SNR 분포에 대한 통계적 근사를 도입한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 정확성을 검증하였으며, 다양한 K, N 및 흐림 조건에서 일관된 결과를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소스 측에 RIS 통합이 혼합 RF/자유공간광학 릴레이 네트워크의 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 반사 요소 수(N)와 RF 소스 수(K)가 시스템의 다중성 및 코딩 이득에 미치는 영향은 각각 어떠한가?
• RQ3 RF 또는 FSO 중 어느 홉이 시스템의 중단 성능을 지배하는가? 이는 다중성 차수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 대기 흐림 매개변수(α, β)와 정렬 품질(ζ²)은 시스템의 오류 및 중단 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 폐쇄형 표현식이 현실적인 흐림 조건 하에서 중단 및 ASEP 성능을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템의 다중성 차수는 $ G_d = \min(KN, \alpha, \beta, \zeta^2) $ 로 표현되며, 성능은 가장 취약한 홉에 의해 제한됨을 시사한다.
• G_d 가 동일한 조건에서 반사 요소 수(N)를 증가시키는 것보다 소스 수(K)를 증가시키는 것이 더 큰 코딩 이득을 제공한다.
• 동일한 $ G_d $ 조건에서 단일 소스에 두 개의 반사 요소를 사용하는 것이 각각 하나의 반사 요소를 가진 두 개의 소스보다 더 높은 성능을 보이며, 더 높은 코딩 이득을 제공한다.
• RF 링크의 SNR가 FSO 링크의 SNR를 초과할 경우, FSO 링크가 지배적이 되어 더 이상 향상되지 않는 성능 노이즈 바닥이 나타난다.
• ASEP 성능은 높은 정렬 품질($ \zeta^2 $)과 증가한 흐림 매개변수($ \alpha, \beta $)에 따라 향상되며, 특히 고 SNR 영역에서 두드러진다.
• QPSK 변조는 동일한 다중성 차수를 가짐에도 불구하고 더 높은 코딩 이득 덕분에 BPSK보다 더 우수한 오류 성능을 보인다.