[論文レビュー] Free-Space Optical Communication With Reconfigurable Intelligent Surfaces

Liang Yang, Wang Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用数 29

ひとこと要約

本稿では、大気乱流およびポイントエラーによる性能劣化を軽減するために再構成可能インテリジェントサーフェス（RIS）を活用した自由空間光（FSO）通信システムを提案する。RISの要素数が多数である場合に中心極限定理を適用することで、中止確率、平均ビット誤り率（BER）、およびチャネル容量の閉形式表現を導出しており、RISの導入が特に強い乱流および高いポイントエラー感受性下で、システムの信頼性とスペクトル効率を顕著に向上させることを示している。

ABSTRACT

Despite the promising gains, free-space optical (FSO) communication is severely influenced by atmospheric turbulence and pointing error issues, which make its practical design a bit challenging. In this paper, with the aim to increase the communication coverage and improve the system performance, reconfigurable intelligent surfaces (RISs) are considered in an FSO communication setup, in which both atmospheric turbulence and pointing errors are considered. Closed-form expressions for the outage probability, average bit error rate, and channel capacity are derived assuming large number of reflecting elements at the RIS. Specifically, according to central limit theorem (CLT), while assuming multiple reflecting elements approximate expressions are proposed. It is shown that the respective accuracies increase as the number of elements at the RIS increases. Illustrative numerical examples are shown along with insightful discussions. Finally, Monte Carlo simulations are presented to verify the correctness of the analytical results.

研究の動機と目的

• 大気乱流およびポイントエラーによって引き起こされるFSO通信の性能制限を解消すること。
• 再構成可能インテリジェントサーフェス（RIS）をFSOシステムに統合し、リンクの信頼性とカバレッジを向上させること。
• 現実的なチャネル劣化を想定した解析的性能指標（中止確率、平均BER、チャネル容量）を導出すること。
• 大規模なRIS要素数における中心極限定理を用いた近似の正確性を検証すること。
• RISのサイズ、乱流の深刻度、ポイントエラーの分散といったシステムパラメータがシステム性能に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 送信者と受信者の間に直接の視線が存在しないものと仮定し、N個の反射素子を有するRISを通じてFSOリンクをモデル化する。
• 直列チャネルゲインを、大気乱流（ガンマ・ガンマ分布）とポイントエラー（Málaga-Gモデル）の積として特徴付ける。
• 同一分布に従う複数のRIS素子からのフェージングゲインの和を近似するために中心極限定理（CLT）を適用し、閉形式解析を可能にする。
• 補完誤差関数および正規分布のQ関数を用いて、中止確率の近似閉形式表現を導出する。
• モーメント生成関数に基づく近似を用いて、BPSK変復調下での平均BERを近似し、乱流およびポイントエラーのパラメータを組み込む。
• 対数容量関数の四項指数近似を用いて、チャネル容量の解析的導出を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RISの導入は、FSOシステムにおける大気乱流とポイントエラーの併存効果をどのように軽減するか？
• RQ2 現実的なチャネル劣化を想定したRIS支援FSOシステムにおける、中止確率、平均BER、およびチャネル容量の閉形式表現は何か？
• RQ3 RIS反射素子数（N）が、解析的近似の正確性およびシステム性能に与える影響は何か？
• RQ4 ポイントエラーと大気乱流のどちらが、システムの信頼性および誤り性能により顕著な悪影響を及えるか？
• RQ5 ビーム幅（wz）、アパーチャーサイズ（a）、乱流パラメータ（α, β）といったシステムパラメータが、システムの中止およびBER性能に与える影響は何か？

主な発見

• 中止確率はRIS素子数Nの増加に伴い顕著に低下し、分散ゲインがNに比例して増加することが確認され、性能向上が裏付けられる。
• 平均BER性能はNが大きいほど向上し、RIS素子数の増加に伴いBERの近似精度も向上する。
• チャネル容量はNの増加に伴い増加し、特に高SNR領域においてRISの導入により顕著に向上する。
• ポイントエラーは大気乱流よりもシステム性能により深刻な悪影響を及ぼすことが判明し、特にσθが1 mradを超えると顕著である。
• wz/a（ビーム幅とアパーチャーサイズの比）の低減は中止性能の向上に寄与し、ビーム幅に比して大きなRISアパーチャーがシステムのロバストネスを高めることを示唆している。
• モンテカルロシミュレーションにより理論的結果が検証され、特にNが大きい場合に理論的近似とシミュレーション結果が非常に一致することが確認された。