[논문 리뷰] Performance Analysis of RIS-Based nT-FSO Link Over G-G Turbulence With Pointing Errors

Alain R. Ndjiongue, Telex M. N. Ngatched외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 06.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 21인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 감마-감마(G-G) 난류와 포인터 오차로 인해 영향을 받는 재구성 가능한 지능형 표면(RIS) 지원 near-terrestrial 자유공간 광학(nT-FSO) 링크의 성능 분석을 제안한다. 신호 대 잡음비(SNR) 통계에 대한 정확한 폐형 표현을 사용하여, 이방성 검출(HD) 및 강도 변조-직접 검출(IM/DD) 모두에서 극복 확률, 에르고딕 용량, 비트 오류율을 평가하며, HD가 IM/DD보다 우수하고 파란 빛이 더 뛰어난 성능을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

One of the main problems faced by communication systems is the presence of skip-zones in the targeted areas. With the deployment of the fifth-generation mobile network, solutions are proposed to solve the signal loss due to obstruction by buildings, mountains, and atmospheric or weather conditions. Among these solutions, re-configurable intelligent surfaces (RIS), which are newly proposed modules, may be exploited to reflect the incident signal in the direction of dead zones, increase communication coverage, and make the channel smarter and controllable. In this paper, we tackle the skip-zone problem in near-terrestrial free-space optical (nT-FSO) systems using RIS. We carry out a performance analysis of RIS-aided nT-FSO links affected by turbulence and pointing errors, for both heterodyne detection (HD) and intensity modulation-direct detection (IM/DD) techniques. Turbulence is modeled using the Gamma-Gamma (G-G) distribution. We analyze the model and provide exact closed-form expressions of the probability density function, cumulative distribution function, and moment generating function of the end-to-end signal-to-noise ratio, $γ$. Capitalizing on these statistics, we evaluate the system performance through the outage probability, $ P_{out} $, ergodic channel capacity, $\overline{C}$, and average bit-error-rate, $\overline{P}_b$, for selected binary modulation schemes. Numerical results obtained for different turbulence levels and pointing errors confirm that the HD technique outperforms IM/DD even in RIS-aided nT-FSO systems. These results also show that using a blue color offers better channel capacity and communication performance compared to red and green colors.

연구 동기 및 목표

• 스킵 존 내에서 장애물과 대기 영향으로 인한 신호 손실을 해결하기 위해.
• 실제 손상 요인인 G-G 난류와 포인터 오차 하에서 RIS 지원 nT-FSO 링크의 성능 향상을 조사하기 위해.
• RIS 지원 nT-FSO 시스템에서 이방성 검출(HD)과 강도 변조-직접 검출(IM/DD) 기술 간의 성능을 비교하기 위해.
• 극복 확률, 에르고딕 용량, 평균 비트 오류율과 같은 핵심 성능 지표를 평가하기 위해.
• RIS 배치 하에서 광학 파장(빨강, 초록, 파랑)이 시스템 성능에 미치는 영향을 규명하기 위해.

제안 방법

• 정확한 통계적 표현을 위해 대기 난류를 감마-감마(G-G) 분포로 모델링하기 위해.
• 최종 수신 신호 대 잡음비(end-to-end SNR)의 확률 밀도 함수, 누적 분포 함수, 모멘트 생성 함수에 대한 정확한 폐형 표현 유도하기 위해.
• SNR 통계를 활용하여 양자 조절 방식의 극복 확률, 에르고딕 용량, 평균 비트 오류율 평가하기 위해.
• 동일한 채널 조건 하에서 이방성 검출(HD) 및 강도 변조-직접 검출(IM/DD) 기술 모두 분석하기 위해.
• 다양한 난류 수준과 포인터 오차 분산을 고려하여 시스템의 강건성 평가하기 위해.
• 최적의 전송 색상을 규명하기 위해 다양한 광학 파장(빨강, 초록, 파랑)에 대한 시스템 성능 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 배치는 G-G 난류와 포인터 오차 하에서 nT-FSO 링크 성능에 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 RIS 지원 nT-FSO 시스템에서 이방성 검출(HD)이 강도 변조-직접 검출(IM/DD)보다 상대적으로 얼마나 높은 성능을 보이는가?
• RQ3 다른 광학 파장(빨강, 초록, 파랑)은 RIS 지원 nT-FSO 시스템에서 에르고딕 용량과 비트 오류율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 결합된 난류와 포인터 오차 하에서 RIS 지원 nT-FSO 시스템의 최종 수신 신호 대 잡음비(SNR)에 대한 정확한 통계 표현은 무엇인가?
• RQ5 증가하는 난류 수준과 포인터 오차 분산은 극복 확률과 시스템 신뢰성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 난류 수준과 포인터 오차 수준에서 이방성 검출(HD)이 극복 확률과 비트 오류율 측면에서 강도 변조-직접 검출(IM/DD)보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 파란 빛은 빨강 및 초록 빛보다 상당히 높은 에르고딕 용량을 보이며, RIS 지원 nT-FSO 시스템에서 파란 빛이 더 뛰어난 스펙트럼 효율성을 제공함을 시사한다.
• SNR의 PDF, CDF, MGF에 대한 정확한 폐형 표현이 유도되어 몬테카를로 시뮬레이션 없이도 정밀한 성능 평가가 가능해졌다.
• 극복 확률은 난류 수준과 포인터 오차 분산이 높아질수록 증가하지만, RIS 배치로 인해 이 열화가 효과적으로 완화된다.
• 저난류 및 저포인터 오차 조건에서 에르고딕 용량이 최대가 되며, 이때 파란 빛이 가장 높은 용량을 제공한다.
• 강한 난류와 높은 포인터 오차 조건에서 RIS의 성능 향상 효과가 가장 두드러지며, 도전적인 전파 환경에서의 가치를 입증한다.