[논문 리뷰] Performance of Wireless Optical Communication With Reconfigurable Intelligent Surfaces and Random Obstacles

Haibo Wang, Zaichen Zhang외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 16.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 33인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 Optical RIS(ICRN)를 이용한 다분기 광무선 시스템을 제안하고, 포인팅 오차와 차단에 대한 PDFs를 도출하며, 단일 및 다중 분기 구성에서 점근적 BER 및 outage를 해석하고, impulse 성분으로 인한 성능 바닥과 이득을 보인다.

ABSTRACT

It is difficult for free space optical communication to be applied in mobile communication due to the obstruction of obstacles in the environment, which is expected to be solved by reconfigurable intelligent surface technology. The reconfigurable intelligent surface is a new type of digital coding meta-materials, which can reflect, compute and program electromagnetic and optical waves in real time. We purpose a controllable multi-branch wireless optical communication system based on the optical reconfigurable intelligent surface technology. By setting up multiple optical reconfigurable intelligent surface in the environment, multiple artificial channels are built to improve system performance and to reduce the outage probability. Three factors affecting channel coefficients are investigated in this paper, which are beam jitter, jitter of the reconfigurable intelligent surface and the probability of obstruction. Based on the model, we derive the closed-form probability density function of channel coefficients, the asymptotic system's average bit error rate and outage probability for systems with single and multiple branches. It is revealed that the probability density function contains an impulse function, which causes irreducible error rate and outage probability floors. Numerical results indicate that compared with free-space optical communication systems with single direct path, the performance of the multi-branch system is improved and the outage probability is reduced.

연구 동기 및 목표

• 장애물이 풍부한 환경에서 광학 RIS 기술을 활용하여 안정적인 광통신을 유도한다.
• 다중 분기 광학 RIS 시스템을 모델링하고 주요 열화 요인(빔 지터, RIS 지터, 차단)을 식별한다.
• 채널 페이딩에 대한 닫힌 형식의 PDF를 도출하고 단일 및 다중 분기 시스템에 대한 점근적 BER 및 outage를 해석한다.
• 지능 채널 수를 늘리면 성능에 어떤 영향을 미치는지 보여주고 고신호대에서의 전력 배분을 제안한다.
• 해석 모델을 검증하는 수치 결과를 제공하고 impulse 성분으로 인한 성능 바닥을 강조한다.

제안 방법

• 복수의 ICRN 노드가 신호를 중앙 수신기로 반사하는 광학 지능 채널 시스템을 모델링한다.
• 빔 지터와 ICRN 지터를 포함하는 포인팅 오차 PDF를 도출하여 Rayleigh 분포를 갖는 중첩 포인팅 오차를 얻는다.
• 차단 확률을 h_o에 대한 이점 두 점 페이딩 모델로 포함시키고 결과 채널 PDF h_k를 도출한다.
• 전체 채널을 h_k = h_p_k h_o_k로 표현하고 그 CDF/PDF를 도출한다.
• MGF 및 테일러 전개를 사용하는 점근 분석을 통해 IM/DD와 OOK 하의 단일 및 다중 분기 시스템에 대한 BER 및 outage 식을 얻는다.
• 다중 분기 SNR γ = ∑ α_k^2 γ_k에 대해 최대비합성(MRC)을 적용하고 고신호대 전력배분 인사이트를 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빔 지터, RIS 표면 지터, 차단 확률이 광 채널 페이딩 및 수신기 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 단일 및 다중 분기 RIS-보조 OWC 시스템에서 채널 계수의 PDF, BER 및 outage의 닫힌 형식 표현은 무엇인가?
• RQ3 지능 채널을 추가하는 것이 outage 확률과 BER에 미치는 영향과 수익 감소가 있는가?
• RQ4 다중 분기 구성에서 고SNR에서 성능을 최적화하는 전력배분 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 연구는 임펄스 구성요소를 포함하는 채널 페이딩의 닫힌 형식 PDF를 도출하여 불가피한 오류율 및 outage 바닥을 초래한다.
• 광학 RIS(ICRN)를 이용한 다중 분기 구성은 단일 직접 경로에 비해 성능을 향상시키고 outage를 감소시킨다.
• 지능 채널의 수를 늘리면 성능이 향상되지만 채널이 더 많아질수록 수익 감소가 나타난다.
• 고SNR에서 다중 분기 시스템에 대해 최적화된 전력배분 스킴이 제안된다.
• 고려된 열화 하에서 제시된 분석적 PDF, BER 및 outage 식을 수치 결과로 검증한다.