[论文解读] New expression on the performance of a novel multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF communication system

Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|May 22, 2018

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用 9

一句话总结

本文提出了一种多跳中继辅助的混合自由空间光/射频（FSO/RF）通信系统，以在直接RF链路不可用的环境中实现可靠的连接。通过利用FSO进行多跳回传，RF用于用户接入，该系统在用户数和中继数变化时表现出极低的误码率（BER）和中断概率，尤其在负指数湍流条件下表现稳健，适用于动态蜂窝网络环境。

ABSTRACT

In this paper a novel multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF system is presented. It is assumed that direct RF connection between mobile users and source Base Station is impossible, therefore a relay connects RF users to the source Base Station via a FSO link. Source and destination Base Stations are connected via a multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF link. FSO link is investigated over moderate to saturate regimes of atmospheric turbulence. Also RF link is assumed to have Rayleigh fading. For the first time, new exact and asymptotic expressions are derived in closed-form for Bit Error Rate (BER) and the Outage Probability (P_out), of the proposed system. MATLAB simulations are performed to validate obtained analytical results. Results indicate that the proposed structure has low dependence on the number of users, therefore, the proposed structure is suitable for cells which encounter different populations during a day, because there is little performance difference between systems with different number of users. Also the proposed structure, at Negative exponential atmospheric turbulence has small dependence on the number of relays, but this dependence is a bit more for Gamma-Gamma atmospheric turbulence. Therefore, the proposed structure increases capacity whereas maintaining performance of the system.

研究动机与目标

• 解决在动态城市或偏远环境中移动用户与基站之间直接RF连接不可靠的问题。
• 设计一种混合FSO/RF系统，即使在用户负载和大气条件变化时也能保持性能稳定。
• 在真实的衰落和湍流模型下，推导误码率（BER）和中断概率的关键性能指标的精确和渐近闭式表达式。
• 评估系统对用户数和中继数变化的鲁棒性，特别是在不同大气湍流模式下的表现。
• 通过分析和仿真验证，证明该系统适用于用户数量波动的蜂窝网络。

提出的方法

• 提出一种多跳中继辅助的混合FSO/RF架构，其中RF用户通过FSO中继连接到基站。
• 采用Gamma-Gamma和负指数湍流分布对FSO链路进行建模，以表征中等到强的大气衰落。
• 假设用户与中继之间的RF链路为瑞利衰落，以反映丰富的散射环境。
• 利用统计信道建模和特殊函数，推导出误码率（BER）和中断概率（P_out）的新闭式表达式。
• 通过渐近分析，在高信噪比（SNR）下简化性能表达式，从而实现高效的系统设计与优化。
• 通过在不同用户数和中继数下进行广泛的MATLAB仿真，验证分析结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在小区内用户数变化时，系统在误码率和中断概率方面的性能如何变化？
• RQ2 在不同大气湍流模型下，中继数量对系统可靠性有何影响？
• RQ3 Gamma-Gamma和负指数湍流分布如何影响系统的误码和中断性能？
• RQ4 与传统系统相比，该混合FSO/RF多跳中继架构在多用户环境下对用户数量变化的敏感性降低了多少？
• RQ5 能否为该新型混合系统在真实衰落和湍流条件下的误码率和中断概率推导出闭式表达式？

主要发现

• 所提出的系统对用户数的依赖性极低，在不同用户负载下均能保持一致的性能，非常适合动态蜂窝网络环境。
• 在负指数大气湍流条件下，系统对中继数量的敏感性极低，表明在该条件下具有高度鲁棒性。
• 在Gamma-Gamma湍流条件下，对中继数量的依赖性略有增加，但性能在不同中继配置下仍保持稳定且可扩展。
• 推导出的BER和中断概率的闭式表达式具有精确性和渐近准确性，可实现高效的系统评估与优化。
• 仿真结果验证了分析结果，理论与实践在所有测试场景下均表现出高度一致。
• 该系统在保持性能的同时提升了网络容量，适用于未来高容量、高鲁棒性的无线回传解决方案。