[논문 리뷰] Performance Analysis of FSO System with Spatial Diversity and Relays for M-QAM over Log-Normal Channel

Pranav Kumar Jha, Nitin Kachare외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 16.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 15인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 로그노멀 fading 채널에서 M-QAM 변조를 사용하는 다중 히프(MISO) FSO 시스템을 제안하며, 디코딩 앤 포워딩(relay) 및 공간 다중성을 통합한다. 정확한 BER 표현식을 분석적으로 유도하여, M-QAM와 다중 히프 MISO 리레이팅이 같은 스펙트럼 효율에서 SISO-OOK 대비 경운우에 최대 47.5 dB의 SNR 이득을 달성함을 보여주며, 다른 구성보다 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

The performance analysis of free space optical communication (FSO) systems using relays and spatial diversity at the transmitter end is presented in this paper. The impact of atmospheric turbulence and attenuation caused by different weather conditions and geometric losses has also been taken into account. The effect of turbulence is modeled over a log-normal probability density function. We present the exact closed form expressions of bit-error rate (BER) for M-ary quadrature amplitude modulation (M-QAM). The FSO system link performance is compared for on-off keying, M-ary pulse amplitude modulation and M-QAM modulation techniques. For relay based free space optical communication systems, M-QAM is proved to be superior than other systems considering the same spectral efficiency for each system. A significant performance enhancement in terms of BER analysis and SNR gains is shown for multi-hop MISO FSO system.

연구 동기 및 목표

• 대기 흐림, 기상에 의한 감쇠 및 기하학적 손실을 고려한 로그노멀 페이딩 모델을 사용하여 FSO 시스템의 성능을 분석한다.
• M-QAM 변조에 대해 공간 다중성(MISO)과 리레이팅 기반 다중 히프 전송이 BER 성능에 미치는 영향을 평가한다.
• 동일한 시스템 조건에서 M-QAM, OOK 및 M-PAM의 스펙트럼 효율성과 BER 성능을 비교한다.
• 클리어 및 안개 낀 날씨 조건에서 SISO 및 MISO 시스템과 OOK/RCs를 사용한 다중 히프 MISO FSO 시스템의 SNR 이득을 정량화한다.
• 현실적인 대기 손상 조건 하에서 다중 히프 MISO FSO 시스템에서 M-QAM의 우수성을 검증한다.

제안 방법

• 광선 강도 변동을 위한 로그노멀 확률밀도함수를 사용하여 대기 흐림을 모델링한다.
• 기하학적 확산, 흡수 및 산산이 흩트림을 고려한 경로 손실을 정규화된 경로 손실 계수 β를 사용해 통합한다.
• 통계적 채널 모델링을 활용하여 로그노멀 채널에서 M-QAM의 정확한 폐쇄형 BER 표현식을 유도한다.
• 신뢰성 향상과 통신 범위 연장 목적으로 다중 히프 FSO 링크에서 디코딩 앤 포워딩(DF) 리레이팅을 적용한다.
• M-QAM 신호 검출을 위해 수신단에서 최대우도(ML) 디코딩을 사용한다.
• 동일한 스펙트럼 효율을 유지하면서 구성 간 시스템 성능을 비교한다: SISO-OOK, MISO-OOK/RCs, 다중 히프 SISO/MISO 및 M-PAM, M-QAM

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간 다중성과 리레이팅이 있는 FSO 시스템에서 M-QAM 성능이 로그노멀 페이딩 조건 하에서 OOK 및 M-PAM에 비해 어떻게 다를까?
• RQ2 클리어 날씨와 경운우와 같은 대기 조건이 다중 히프 FSO 시스템의 BER 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 히프 시스템 대비 다중 히프 리레이팅과 MISO 다중성은 BER 감소와 SNR 이득을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 송신기 수 증가가 MISO 및 다중 히프 FSO 시스템의 BER 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 동일한 스펙트럼 효율 조건에서 다중 히프 MISO 시스템이 OOK 및 RCs를 사용한 SISO 및 MISO 시스템 대비 SNR 이득은 얼마인가?

주요 결과

• 일반적인 날씨 조건에서 중간 정도의 흐림이 있는 상황에서, M-QAM을 사용하는 다중 히프 MISO FSO 시스템은 SISO-OOK 대비 22 dB의 SNR 이득을 확보한다.
• 경운우 조건에서는 다중 히프 SISO 시스템이 SISO-OOK 대비 37 dB의 SNR 이득을 얻고, 다중 히프 MISO 시스템은 MISO-OOK 및 RCs 대비 33 dB의 SNR 이득을 얻는다.
• 2개의 리레이터를 갖는 다중 히프 시스템에서 8-QAM을 사용할 경우, 단일 송신기 조건에서 MISO-OOK 및 RCs 대비 13 dB의 SNR 이득을 확보하며, 다중 히프 SISO 시스템을 1.2 dB 초월한다.
• 3개의 송신기와 8-PAM 변조를 사용할 경우, 다중 히프 MISO 시스템은 MISO-OOK 및 RCs 대비 19.5 dB의 SNR 이득을 얻고, 다중 히프 SISO 시스템을 2.8 dB 초월한다.
• 경운우 조건에서 2개의 리레이터를 갖는 다중 히프 시스템은 단일 히프 시스템 대비 10 dB의 성능 향상을 보이며, SISO-OOK 및 MISO-OOK/RCs 대비 다중 히프 SISO 및 MISO 시스템에서 각각 47.5 dB 및 42.8 dB의 SNR 이득을 기록한다.
• M-QAM 기반의 다중 히프 MISO FSO 시스템은 OOK 및 RCs를 사용하는 SISO 및 MISO 시스템을 항상 능가하며, 난류 및 기상에 의한 감쇠 조건에서도 뛰어난 스펙트럼 효율성과 강건성을 입증한다.