[논문 리뷰] Temporal CSI Correlation in Mixed RF/FSO Cooperative Relaying Systems Under Joint Effects of HPA Nonlinearities and IQ Imbalance

Elyes Balti, Neji Mensi외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 01.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 28인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고출력 증폭기(HPA) 비선형성(SEL 및 TWTA)과 IQ 불균형이 동시에 존재하는 환경에서 혼합 RF/자유공간 광학(FSO) 협동 중계 시스템의 시간적 채널 상태 정보(CSI) 상관관계를 분석한다. 기존 CSI를 사용할 경우의 중단 확률 및 에르고딕 용량 수식을 유도하며, 고신호대역비(SNR)에서 비선형성으로 인해 더 이상 줄일 수 없는 중단 플로어와 용량 상한선이 발생하지만, 다수의 중계기를 갖춘 혼합 RF/FSO 시스템은 더 높은 다양성 이득과 더 나은 내성으로 인해 기존 RF 시스템보다 우수한 성능을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we present the performance analysis of mixed RF/FSO system with multiple relays. To select the best relay, we adopt partial relay selection with outdated CSI wherein we investigate the effect of the temporal correlation of the channels. Unlike the vast majority of work, we introduce the impairments to the relays and the destination and we compare the performance against conventional RF relaying systems. We further derive the expressions of the outage probability and the ergodic capacity as well as the bounds to unpack engineering insights into the system robustness.

연구 동기 및 목표

• 기존 CSI의 시간적 상관관계가 혼합 RF/FSO 협동 중계 시스템에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 중계기에서의 HPA 비선형성(SEL 및 TWTA)과 수신단에서의 IQ 불균형이 시스템 성능에 미치는 병합 영향을 조사하는 것.
• 하드웨어 손상이 존재하는 조건에서 제안된 혼합 RF/FSO 시스템과 기존 RF 중계 시스템의 성능을 비교하는 것.
• 중단 확률과 에르고딕 용량에 대한 폐쇄형 수식을 유도하여 시스템의 내성과 성능 한계를 정량화하는 것.
• 시간적 상관관계와 중계기 선택 순위가 불완전한 CSI 하에서 스펙트럼 효율성과 신뢰성에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 기존 CSI를 기반으로 한 부분 중계기 선택(PRS) 방식을 적용한 N개의 수신-증폭-전송(AF) 중계기를 갖춘 혼합 RF/FSO 협동 중계 시스템을 사용한다.
• 중계기 HPA 손상을 두 가지 비선형 증폭기 모델(부드러운 에너지 한계기(SEL) 및 전파파관 증폭기(TWTA))를 사용해 모델링한다.
• 수신단의 IQ 불균형을 FSO 링크에서 위상 및 진폭 왜곡의 원천으로 모델링한다.
• 일반화된 메이저 G-함수 표현과 통계적 채널 모델(Gamma-Gamma 편미분을 FSO에 적용)을 사용하여 중단 확률 및 에르고딕 용량을 유도한다.
• 선택 시점과 전송 시점의 CSI 간 시간적 상관관계를 상관계수 ρ를 통해 통합한다.
• 순서 통계 및 기대값 연산을 사용한 수학적 분석을 통해 성능 지표에 대한 폐쇄형 수식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HPA 비선형성(SEL 대비 TWTA)은 기존 CSI를 사용하는 혼합 RF/FSO 협동 시스템의 중단 확률과 에르고딕 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 수신단의 IQ 불균형은 시스템의 스펙트럼 효율성과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 중계기 선택 시점과 전송 시점의 CSI 간 시간적 상관관계(ρ)는 부분 중계기 선택에서 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 혼합 RF/FSO 시스템이 다수의 중계기를 갖추고 있을 경우, 하드웨어 손상이 존재하는 조건에서 기존 RF 중계 시스템보다 얼마나 더 뛰어난 성능을 보이는가?
• RQ5 고신호대역비에서 하드웨어 손상으로 인해 발생하는 성능 한계(중단 플로어 및 용량 상한선)는 어느 정도인가?

주요 결과

• HPA 비선형성은 고신호대역비에서 더 이상 줄일 수 없는 중단 플로어를 유도하며, TWTA 모델은 SEL 모델보다 훨씬 심각한 성능 저하를 초래한다.
• 하드웨어 손상으로 인해 고신호대역비에서 에르고딕 용량이 제한되며, 스펙트럼 효율 향상의 '용량 상한선'이 형성된다.
• 시간적 상관관계(ρ ≈ 1)가 높을 경우, 더 높은 중계기 선택 순위(m)가 성능 향상에 기여한다. 왜냐하면 기존 CSI가 유지되기 때문이다. 반면 ρ ≈ 0일 경우, 높은 m는 신뢰할 수 없는 CSI로 인해 성능 저하를 초래한다.
• 다수의 중계기를 갖춘 혼합 RF/FSO 시스템은 더 높은 다양성 이득 덕분에 기존 RF 중계 시스템보다 중단 확률이 낮고 스펙트럼 효율성이 높으며, 특히 저신호대역비에서 두드러진 성능 향상을 보인다.
• 중단 확률 및 에르고딕 용량에 대한 유도된 수식은 10⁶회의 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 분석 결과와 밀도 있는 일치를 보였다.
• FSO 다양성과 다수의 중계기 덕분에 시스템의 내성은 향상되며, 기존 RF 단독 시스템 대비 하드웨어 손상의 영향을 효과적으로 완화한다.