[논문 리뷰] On the Performance of a Relay-Assisted Multi-Hop Asymmetric FSO/RF Communication System over Negative Exponential atmospheric turbulence with the effect of pointing error

Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 26.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 극한의 대기 난류와 조준 오차 조건 하에서 장거리 고신뢰성 링크를 향상시키기 위해 릴레이 기반의 다중 홉 비대칭 FSO/RF 통신 시스템을 제안한다. 짧은 거리의 RF 릴레이와 장거리 FSO 링크를 조합하고, 수용자 선택 기반의 증폭 및 전달(relaying) 기법을 적용함으로써, 낮은 전력 소모와 복잡성으로 낮은 BER 및 아웃리지 확률을 달성하며, 사용자 수 및 릴레이 수의 변동에 대해 민감하지 않음을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, a multi-user multi-hop hybrid FSO / RF system is presented. This structure is consisted of two main parts. The main motivation of presenting this structure is communication in long-range impassable links or some specific atmospheric conditions under which RF connection becomes easily disrupted. Although these effects could be mitigated by consuming more power or adding processing complexity, but a small user mobile phone cannot deserve more complexity or power supply. The fact that FSO and RF links are complementary of each other brings a new solution in mind; an access point that amplifies received signal via short-range RF link and forwards it to via long-range FSO link, could solve the mentioned problem. This scenario is exactly implemented at the first part of the proposed structure. At the second part, a multi-hop hybrid parallel FSO / RF link is implemented to connect source and destination Base Stations. It is the first time that in a multi-hop FSO / RF system, multi-user scheme, signal selection at each hop, known and un-known CSI in amplify and forward relaying, and saturate atmospheric turbulence with the effect of pointing error are considered. New expressions are derived in closed-form for Bit Error Rate (BER) and Outage Probability of the proposed structure and verified by MATLAB simulations. The proposed structure has advantages of FSO, RF, relay-assisted, and multi-user systems at the same time. Results indicate that it has low dependence on number of users and number of relays. Therefore, it is suitable for areas with varying population and long-range links. This structure offers independent performance without additional power consumption, processing latency, and complexity.

연구 동기 및 목표

• RF 링크가 차단되는 극한의 대기 조건에서 신뢰할 수 있는 장거리 통신을 유지하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 단독 FSO 및 RF 시스템의 한계를 극복하기 위해 상호 보완적인 강점을 활용한다.
• 이동 가능한 사용자 및 동적인 사용자 인구에 적합한 확장 가능하고 저전력, 저지연 통신 시스템을 설계한다.
• 다중 홉 릴레이 환경에서 음의 지수 분포로 모델링된 대기 난류와 조준 오차가 시스템 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• 효율적인 시스템 설계 및 최적화를 가능하게 하기 위해 주요 성능 지표에 대한 폐쇄형 표현식을 도출한다.

제안 방법

• 사용자에서 릴레이로의 통신을 위한 단거리 RF 링크와 릴레이에서 목적지로의 전송을 위한 장거리 FSO 링크를 조합한 하이브리드 아키텍처를 적용한다.
• 각 릴레이에서 다중 사용자 선택 다중성(diversity)을 구현하여 시스템 신뢰성과 스펙트럼 효율을 향상시킨다.
• 실제 시스템 조건을 모델링하기 위해 완벽한 및 불완전한 채널 상태 정보(Channel State Information, CSI)를 모두 고려한 증폭 및 전달(Amplify-and-Forward, AF) 릴레이 기법을 사용한다.
• 대기 난류를 음의 지수 분포로 모델링하고, 조준 오차 효과는 감마-감마 페이딩 근사법을 통해 포함시킨다.
• 통계적 채널 모델과 모멘트 생성 함수를 사용하여 비트 오류율(Bit Error Rate, BER)과 아웃리지 확률의 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 다양한 사용자 수, 릴레이 수, 난류 수준에서의 광범위한 MATLAB 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FSO와 RF 링크의 조합은 조준 오차가 존재하는 장거리 고난류 환경에서 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 다중 홉 FSO/RF 릴레이 시스템에서 사용자 선택 다중성이 BER과 아웃리지 확률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 불완전한 CSI는 이 비대칭 하이브리드 시스템에서 증폭 및 전달 릴레이의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 시스템 성능이 사용자 수 및 릴레이 수에 따라 얼마나 의존하는가?
• RQ5 음의 지수 분포 난류와 조준 오차 조건 하에서 BER과 아웃리지 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 강한 음의 지수 분포 대기 난류와 조준 오차 조건 하에서도 낮은 비트 오류율(Bit Error Rate, BER)과 아웃리지 확률을 달성한다.
• 성능은 사용자 수 및 릴레이 수의 변동에 거의 영향을 받지 않으며, 이는 높은 확장성과 강건성을 시사한다.
• 시스템은 낮은 복잡성과 전력 소모를 유지하므로 이동성 및 자원 제약이 있는 장치에 적합하다.
• BER 및 아웃리지 확률에 대한 분석적 표현식이 폐쇄형으로 도출되었으며, 이는 빠른 성능 평가 및 시스템 최적화를 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과는 유도된 표현식이 다양한 난류 및 조준 오차 조건에서 정확함을 확인한다.
• 각 릴레이에서 사용자 선택을 적용함으로써 하드웨어나 처리 부담을 증가시키지 않고도 다중성 이득과 시스템 신뢰성이 크게 향상된다.