[논문 리뷰] An optimization problem on the performance of FSO communication system

Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 18.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 14인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 대기 난류와 포인터 오차 조건 하에서 송신기 파장 조절을 통해 자유공간 광통신(Free Space Optical, FSO) 성능을 향상시키기 위한 분석 최적화 모델을 제안한다. 이전의 점 渐진적 접근 방식 대신 새로운 정확한 분석 방법을 사용하여, BER 10⁻¹³을 달성하였으며, 이는 점 渐진적 방법으로 도출된 10⁻⁹보다 훨씬 우수한 성능이다. 이는 정밀한 파장 적응이 악조건에서도 매우 신뢰성 있고 저전력의 FSO 링크를 가능하게 한다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Performance of Free Space Optical (FSO) communication system is affected by atmospheric turbulences and pointing errors. These effects can easily be mitigated by adapting natural system parameters such as wavelength. In this paper, considering effects of pointing error and atmospheric turbulence, two optimization models are presented on FSO communication system. In Model 1, the normalized transmitter power is objective function, Bit Error Rate (BER) is equality subjective. In Model 2 normalized transmitter power is equality subjective, the BER is objective function. In both of them the normalized wavelength is variable parameter. These models were previously investigated using numerical methods; in the sense that they were solved asymptotically. From this point of view, this paper regenerated these models and solved them by a completely different analytical method, and derived a new exact solution. Comparing exact and asymptotic methods shows some interesting results; the asymptotic method achieves BER=10^(-9), but the presented new exact method achieves BER=10^(-13), which is a significant difference. It means that even at the worst case scenario such as pointing error, it is possible to have a very good performance by only the transmitting wavelength a bit. Proposed models are practical and obtained results show that this system is cost and power effective.

연구 동기 및 목표

• 대기 난류와 포인터 오차로 인한 FSO 시스템 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 엄격한 비트 오류율(Bit Error Rate, BER) 제약 조건을 유지하면서 송신기 전력 최소화를 위한 분석 최적화 모델을 개발하기 위해.
• 이전의 점 渐진적 해를 정확한 해석적 해로 대체하여 정확도와 성능을 향상시키기 위해.
• 오직 파장 조절만으로도 악조건의 포인터 오차 조건 하에서도 초고신뢰성 FSO 통신을 달성할 수 있음을 입증하기 위해.
• 제안된 최적화 프레임워크의 비용 및 전력 효율성을 실용적인 FSO 시스템 설계에 대해 검증하기 위해.

제안 방법

• 정규화된 송신기 전력 최소화를 목표로 하는 최적화 모델과 BER 등식 제약 조건 하에서의 최소화 모델을 포함한 두 가지 별도의 최적화 모델을 수립한다.
• 모든 모델에서 정규화된 파장을 유일한 변수로 설정하여, 파장이 시스템 성능에 미치는 영향을 체계적으로 분석할 수 있도록 한다.
• 이전의 점 渐진적 방법과는 근본적으로 다른 수학적 접근 방식을 사용하여 새로운 정확한 해석적 해를 유도한다.
• 근사치에 의존하지 않고 최적화 문제를 해결함으로써, BER 및 전력 예측의 정밀도를 향상시킨다.
• 기존에 보고된 점 渐진적 해와 직접 비교하여 분석 결과의 타당성을 검증한다.
• 닫힌 형태의 수식을 사용하여 다양한 파장에서 송신기 전력과 달성 가능한 BER 간의 상호 관계를 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정확한 해석적 해가 포인터 오차와 대기 난류 조건 하에서 FSO 시스템 성능 예측에 점 渐진적 방법보다 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ2 FSO 시스템에서 송신기 파장을 최적화함으로써 BER을 얼마나 낮출 수 있는가?
• RQ3 제안된 정확한 해석적 방법은 점 渐진적 분석이 예측한 성능 한계를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 악조건의 포인터 오차 조건 하에서 오직 파장 적응만으로도 도달 가능한 최소 BER은 얼마인가?
• RQ5 제안된 최적화 프레임워크는 비용 및 전력 효율적인 FSO 통신 시스템을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 정확한 해석적 방법은 BER 10⁻¹³을 달성하였으며, 이는 점 渐진적 방법으로 도출된 10⁻⁹ BER보다 훨씬 뛰어난 성능이다.
• 악조건의 포인터 오차 조건 하에서도 최적의 파장 선택을 통해 초고신뢰성 통신이 가능하다.
• 정확한 해석적 해는 이전에 점 渐진적 근사치로 추정된 바보다 더 유리한 전력-BER 상호관계를 드러낸다.
• 결과적으로 파장 적응만으로도 매우 효율적이고 견고한 FSO 통신 시스템을 구현할 수 있음이 확인되었다.
• 해석적 프레임워크는 엄격한 신뢰성 요구 조건을 충족하는 FSO 링크 설계를 위한 실용적이고 비용 효율적인 방법을 제공한다.
• 이 연구는 고신뢰성 FSO 시스템에서 정확한 해석적 해가 성능 예측의 정확성 확보를 위해 필수적임을 입증한다.