[논문 리뷰] New expression on the performance of a novel multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF communication system

Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 22.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 14인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 직접적인 RF 링크가 확보되지 않는 환경에서 신뢰할 수 있는 연결성을 제공하기 위해 다중 홉 릴레이 기반 하이브리드 FSO/RF 통신 시스템을 제안한다. FSO를 다중 홉 백홀로, RF를 사용자 액세스용으로 활용함으로써, 사용자 및 릴레이 수에 대한 민감도가 최소화되고 낮은 BER과 아웃리지 확률을 달성하며, 특히 음의 지수 분포 흐린 상태에서 뛰어난 내구성을 보여, 동적인 셀룰러 환경에 적합하다.

ABSTRACT

In this paper a novel multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF system is presented. It is assumed that direct RF connection between mobile users and source Base Station is impossible, therefore a relay connects RF users to the source Base Station via a FSO link. Source and destination Base Stations are connected via a multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF link. FSO link is investigated over moderate to saturate regimes of atmospheric turbulence. Also RF link is assumed to have Rayleigh fading. For the first time, new exact and asymptotic expressions are derived in closed-form for Bit Error Rate (BER) and the Outage Probability (P_out), of the proposed system. MATLAB simulations are performed to validate obtained analytical results. Results indicate that the proposed structure has low dependence on the number of users, therefore, the proposed structure is suitable for cells which encounter different populations during a day, because there is little performance difference between systems with different number of users. Also the proposed structure, at Negative exponential atmospheric turbulence has small dependence on the number of relays, but this dependence is a bit more for Gamma-Gamma atmospheric turbulence. Therefore, the proposed structure increases capacity whereas maintaining performance of the system.

연구 동기 및 목표

• 도시나 원거리 환경과 같이 직접적인 RF 연결이 불안정한 모바일 사용자와 기지국 간의 문제를 해결한다.
• 다양한 사용자 부하 및 대기 조건에도 불구하고 성능을 유지하는 하이브리드 FSO/RF 시스템을 설계한다.
• 실제 흐림 및 난류 모델 하에서 주요 성능 지표인 BER과 아웃리지 확률에 대한 정확한 및 점 渐차 폐쇄형 표현을 유도한다.
• 다양한 사용자 및 릴레이 수 변화에 대한 시스템의 내구성, 특히 다양한 대기 난류 제도에서의 성능을 평가한다.
• 변동하는 사용자 인구가 있는 셀룰러 네트워크에 적합함을 분석적 및 시뮬레이션 검증을 통해 입증한다.

제안 방법

• RF 사용자가 FSO 기반 릴레이를 통해 기지국에 연결되는 다중 홉 릴레이 기반 하이브리드 FSO/RF 아키텍처를 제안한다.
• 중간 정도에서 강한 대기 흐림을 표현하기 위해 FSO 링크를 감안하여 감마-감마 및 음의 지수 분포 난류 분포를 사용한다.
• 풍부한 산란 환경을 반영하기 위해 사용자와 릴레이 간의 RF 링크에 레이일레이 흐림을 가정한다.
• 통계적 채널 모델링과 특수 함수를 활용하여 비트 오류율(BER)과 아웃리지 확률(P_out)에 대한 새로운 폐쇄형 표현을 유도한다.
• 고 SNR 조건에서 성능 표현을 단순화하기 위해 점 渐차 분석을 사용하여 효율적인 시스템 설계 및 최적화를 가능하게 한다.
• 다양한 사용자 수와 릴레이 수 조건에서 광범위한 MATLAB 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 셀 내 사용자 수 증가에 따라 BER 및 아웃리지 확률 성능이 어떻게 변화하는가?
• RQ2 다양한 대기 난류 모델 하에서 릴레이 수가 시스템 신뢰성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 감마-감마 및 음의 지수 분포 난류가 시스템의 오류 및 아웃리지 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 기존 시스템에 비해 하이브리드 FSO/RF 다중 홉 릴레이 아키텍처는 사용자 인구 변화에 대해 얼마나 민감도를 감소시키는가?
• RQ5 실제 흐림 및 난류 조건 하에서 이 새로운 하이브리드 시스템에 대해 BER 및 아웃리지 확률에 대한 폐쇄형 표현을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 사용자 수에 대한 의존성이 낮아 다양한 사용자 부하에서도 일관된 성능을 유지하며, 동적인 셀룰러 환경에 매우 적합하다.
• 음의 지수 대기 난류 조건에서는 릴레이 수에 대한 민감도가 매우 낮아, 이러한 조건에서 매우 높은 내구성을 보인다.
• 감마-감마 난류 조건에서는 릴레이 수에 대한 의존성이 略로 높아지지만, 다양한 릴레이 구성에서도 성능이 안정적이고 확장 가능하다.
• 유도된 BER 및 아웃리지 확률 폐쇄형 표현은 정확하며 점 渐차적으로도 정확하여 효율적인 시스템 평가 및 최적화를 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과는 분석 결과를 확인하며, 이론과 실무 간의 높은 일치를 보여 모든 테스트 시나리오에서 강력한 일致성을 입증한다.
• 이 시스템은 성능을 유지하면서 네트워크 용량을 향상시켜 향후 고용량, 내구성 있는 무선 백홀 솔루션에 적합하다.