[論文レビュー] Asymmetric RF/FSO Relaying with HPA non-Linearities and Feedback Delay Constraints

Elyes Balti, Brian K. Johnson|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 47被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、高出力アンプ（HPA）の非線形性と古くなったチャネル状態情報（CSI）を伴う非対称RF/FSO双リンクリレーシステムを調査する。混合レイノルズおよび二重一般化ガンマフェージング下で、中止確率、ビット誤り率、エゴード的容量の閉形式表現を導出しており、深刻なFSOフェージング下では性能が劣化すること、および同一のIBO制約下でSELアンプがTWTAよりもスペクトル効率と線形性に優れることを示している。

ABSTRACT

In this work, we investigate the performance of a dual-hop multiple relays system consisting of mixed Radio-Frequency (RF)/Free Space Optical (FSO) channels. The RF channels are subject to Rayleigh fading while the optical links experience the Double Generalized Gamma including atmospheric turbulence, path loss and the misalignment between the transmitter and the receiver aperture (also known as the pointing error). The FSO model also takes into account the receiver detection technique which could be either heterodyne or intensity modulation and direct detection. Partial Relay Selection with outdated Channel State Information is assumed based on the RF channels to select a relay and we also consider fixed and variable Amplify-and-Forward relaying schemes. In addition, we assume that the relays are affected by the high power amplifier non-linearities and herein we discuss two power amplifiers called Soft Envelope Limiter and Traveling Wave Tube Amplifier. Furthermore, novel closed-forms and tight upper bounds of the outage probability, the bit error probability, and the ergodic capacity are derived. Capitalizing on these performance, we derive the high SNR asymptotic to get engineering insights about the system gains such as the diversity and the coding gains. Finally, the mathematical expressions are validated using the Monte Carlo simulation.

研究の動機と目的

• 実用的制約を伴う双リンク混合RF/FSOリレーシステムの性能を分析すること。具体的には、HPAの非線形性と古くなったCSIを含む。
• 大気乱流、経路損失、ポイントエラー効果を正確に捉えるために、FSOリンクを二重一般化ガンマ分布でモデル化すること。
• ソフトエンベロープリミッタ（SEL）とトレーリングウェーブチューブアンプ（TWTA）の2種類のHPAがシステム性能に与える影響を評価すること。
• 古くなったCSIを伴う部分的リレーセレクション下で、中止確率、ビット誤り率、エゴード的容量のタイトな閉形式表現を導出すること。
• 高SNRにおける漸近的解析を用いて、システム設計のインサイトを得るための分散ゲインとコーディングゲインを抽出すること。

提案手法

• RFリンクをレイノルズフェージングとしてモデル化し、FSOリンクを二重一般化ガンマ分布でモデル化することで、乱流、経路損失、ポイントエラーを捉える。
• 非線形歪みを考慮した2種類のHPAモデル（SELとTWTA）を導入し、リレーアンプの非線形性を表現する。
• RFリンクからの古くなったCSIに基づく部分的リレーセレクションを適用することで、フィードバックオーバーヘッドを低減する。
• メイジャーのG関数およびフォックスH関数を用いて、中止確率の正確かつタイトな上界表現を導出する。
• 統計的チャネルモデルと確率的微積分を用いて、可変利得および固定利得リレーリング下でのエゴード的容量表現を導出する。
• 高SNRにおける漸近的解析を適用し、分散ゲインとコーディングゲインを抽出することで、システムスケーラビリティおよびロバストネスに関する工学的インサイトを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HPAの非線形性（SEL対TWTA）は、非対称RF/FSOリレーシステムにおける中止確率およびエゴード的容量にどのように影響するか？
• RQ2 古くなったCSIは、特に中止確率と分散ゲインの観点から、システム性能にどのような影響を及えるか？
• RQ3 二重一般化ガンマモデルは、乱流、経路損失、ポイントエラーを併存させる条件下で、FSOフェージングをどれほど正確に表現できるか？
• RQ4 分散ゲインとコーディングゲインの観点から、高SNRにおけるシステムの漸近的挙動はどのようなものか？
• RQ5 検出技術の選択（混合変調対IM/DD）は、システムのビット誤り率および容量にどのように影響するか？

主な発見

• 深刻なFSOフェージング下では、最適なリレーセレクションおよび高SNRであっても、システム性能が著しく劣化する。
• 中止確率はチャネル状態情報（CSI）間の相関が高くなるほど低下する。これは、より正確なCSIが信頼性を向上させることを示している。
• TWTAでは、非線形歪みのため、エゴード的容量が約30 dBで飽和するが、SELアンプは高SNRでも高い容量を維持する。
• 同じIBO制約下で、HPAの非線形性はエゴード的容量にほとんど影響を及ぼさない。これは、実用的には線形リレーリングを仮定してもよいことを示唆している。
• SELアンプはTWTAよりもスペクトル効率が高く、同じIBO制約下でより優れたシステム運用が可能である。
• CSI支援リレーリングでは、IBOが高くなるほどエゴード的容量が著しく向上する。これはピーク電力制約が緩和され、信号増幅がより効率的になるためである。