[논문 리뷰] Underwater Optical Communication System Relayed by $\alpha-\mu$ Fading Channel: Outage, Capacity and Asymptotic Analysis

Mohammed Amer, Yasser Al-Eryani|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 11.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 13인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 복소도파전파(DF) 릴레이를 사용하는 이중호프 수중광학통신(UWOC) 시스템을 제안하며, 광학 링크는 수중 난류를 모델링하기 위해 지수-일반화된 감마(EGG) fading을 경험하고, RF 릴레이 링크는 일반화된 α−µ fading을 따른다. 이완검출 하에서 근사 폐쇄형 표현식을 유도하여, 약한 난류 조건에서는 RF 페이딩이 고장 발생에 지배적임을 밝혀내며, 심한 조건에서는 광학 난류가 지배적임을 확인하였고, 유리한 조건에서는 고속 데이터 전송(Gbps)이 가능함을 보였다.

ABSTRACT

We investigate underwater optical communication system that is relayed by a single decode-and-forward (DF) relay through an exponential-generalized Gamma distribution (EGG) into a final destination. Specifically, a certain terminal device sends data through underwater wireless optical link (UWO) that utilizes the so-called blue laser technology into a nearby relay that in term sends a decoded (and modulated) version of the received signal into a remote destination. The RF link is assumed to follow the generalized $\alpha-\mu$ distribution; which include many distributions as a special cases, e.g., Rayleigh. In the other hand, the UWO link is presumed to follow the state-of-art Exponential-Generalized Gamma distribution (EGG) which was recently proposed to model the underwater optical turbulence. Closed-form expressions of outage probability, average error rate and ergodic capacity are derived assuming heterodyne detection technique (HD). Also, asymptotic outage expression is obtained for more performance insights. Results show that high achievable rate is obtained for high-speed underwater communication systems when turbulence conditions underwater are relatively weak. In addition, the RF link is dominating the outage performance in weak optical turbulence while UWO link is dominating the outage performance in severe optical turbulence.

연구 동기 및 목표

• 기존 UWOC 시스템이 로그노멀 페이딩을 가정하고 수중 광학 난류를 정확히 모델링하지 못하는 성능 한계를 해결하기 위해.
• 수중 기포, 염도, 온도 변화로 인한 난류를 모델링하기 위해 새로운 EGG 분포를 사용하는 혼합 UWO/RF 릴레이 시스템을 분석하기 위해.
• 이완검출 하에서 주요 성능 지표인 고장 확률, 평균 심볼 오류율(ASEP), 에르고딕 용량에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.
• 고신호대비잡음비(SNR)에서의 점 渐진 고장 행동을 분석하여 성능에 대한 깊이 있는 통찰을 얻기 위해.
• α−µ 페이딩 파rameter, 수질 유형, 기포 농도와 같은 시스템 파rameter가 전체 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 염도, 온도, 공기 기포로 인한 수중 광학 난류를 반영하기 위해 소스에서 릴레이(U→R) 링크를 지수-일반화된 감마(EGG) 분포로 모델링한다.
• 릴레이에서 수신기(R→D) 링크를 일반화된 α−µ 페이딩 분포로 모델링하며, 이는 레이일리, 나카가미-m, 웨이불을 특수 케이스로 포함한다.
• 최종 신호대잡음비(SNR)의 누적분포함수(CDF)를 사용하여 이종 고장 확률의 정확한 폐쇄형 표현식을 도출한다.
• M-ary PPM 변조를 가정하고, 이완검출 하에서 평균 심볼 오류율(ASEP)의 폐쇄형 표현식을 도출한다.
• SNR의 확률밀도함수의 메이저 G-함수 표현을 사용하여 에르고딕 용량의 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 고신호대비잡음비(SNR)에서 점 渐진 고장 분석을 수행하여 다양도 이득과 코딩 이득을 규명하고, 지배적인 페이딩 링크 행동을 파악한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 로그노멀 페이딩에 비해 EGG 페이딩 모델은 수중광학통신(UWOC) 시스템의 성능 분석 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 EGG 및 α−µ 페이딩 하에서 DF 릴레이를 사용하는 이중호프 UWOC/RF 릴레이 시스템의 정확한 고장 확률은 무엇인가?
• RQ3 α−µ 및 EGG 분포의 파rameter는 시스템의 고장 및 오류 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 고신호대비잡음비(SNR)에서 고장 확률의 점 渐진 행동은 어떠한가? 그리고 다양한 난류 조건에서 성능을 지배하는 링크(광학 또는 RF)는 무엇인가?
• RQ5 공기 기포와 수질 염도와 같은 환경 요소는 시스템의 구현 가능한 데이터 전송 속도와 신뢰성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 약한 수중 광학 난류(UOT) 조건에서는 RF 링크가 고장 성능을 지배하며, 심한 UOT 조건에서는 UWO 링크가 지배적임을 보였으며, 이는 서로 다른 다양도 차수에 기인한다.
• 약한 난류 조건에서는 낮은 코딩 손실로 고속 데이터 전송(Gbps 수준)이 가능하여 고속 수중 통신의 잠재력을 입증한다.
• 점 渐진 고장 표현식은 다양도 이득이 두 호프의 다양도 차수 중 최소값에 의해 결정되며, 코딩 이득은 페이딩 파rameter에 의존함을 드러냈다.
• 약한 UOT 및 유리한 α−µ 파arameter 조건에서 나카가미-m RF 채널은 가장 우수한 ASEP 성능를 보였고, 지수형 RF 채널은 가장 열 劣한 성능를 보였다.
• 공기 기포 농도를 감소시키면 평균 심볼 오류율(ASEP)이 크게 향상되고 에르고딕 용량이 증가함을 확인하여, 수질의 투명도가 시스템 성능에 중요한 영향을 미침을 입증하였다.
• 고장, ASEP 및 용량에 대한 유도된 폐쇄형 표현식은 수학적으로 해석 가능하며, 염수 및 담수를 포함한 다양한 UWOC 시나리오에 적용 가능하다.