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

Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2018

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 21被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新颖的多跳中继辅助混合自由空间光/射频（FSO/RF）系统，采用接收分集技术以提升移动通信中的可靠性。通过使用多个中继和接收天线，系统在对接收天线数量依赖性极低的情况下，实现了低误比特率和低中断概率，因而具有成本效益且在大气湍流变化较大的城市环境中表现出强鲁棒性。

ABSTRACT

In this paper a novel multi-hop relay-assisted hybrid Free Space Optical / Radio Frequency (FSO / RF) communication system is presented, in which a mobile user is connected to the Base Station via a multi-hop relay-assisted hybrid FSO / RF link with receive diversity. In this structure, received signal at each relay is demodulated and forwarded. This is the first time that in a multi-hop hybrid FSO / RF system, receive diversity is used. Bit Error Rate (BER) and Outage Probability (P_out) are investigated as system performance criteria. New exact and asymptotic expressions are derived for these criteria, and MATLAB simulations are provided to verify the obtained results. For the first time impact of number of receive antennas and number of relays on the performance of such a structure is investigated. Results indicate that proposed structure has low dependence on number of receive antennas; therefore, in the proposed structure use of single receive antenna has the same performance as the multi-antenna, while low complexity and power consumption. The proposed structure shows independent performance at moderate and strong atmospheric turbulence regimes. Hence, it does not require adaptive processing to match itself according to atmospheric turbulence condition, therefore is cost effective and particularly suitable for urban areas that encounter frequent changes in atmospheric turbulence.

研究动机与目标

• 通过将混合自由空间光/射频中继技术与接收分集相结合，解决自由空间光通信中的大气湍流挑战。
• 在保持移动用户场景下高性能的同时，降低系统复杂度和功耗。
• 研究中继数量和接收天线数量对系统可靠性的影响。
• 推导多跳混合自由空间光/射频系统中误比特率（BER）和中断概率的精确与渐近表达式。
• 评估系统在中等到强湍流条件下的鲁棒性，且无需自适应处理。

提出的方法

• 设计一种多跳中继辅助的混合自由空间光/射频架构，其中每个中继负责解调并转发信号。
• 在每个中继处引入多天线接收分集技术，以提升链路可靠性。
• 推导在混合自由空间光/射频衰落信道下误比特率（BER）和中断概率（P_out）的新精确与渐近表达式。
• 采用统计信道模型描述自由空间光链路中的大气湍变，射频链路则采用瑞利衰落模型。
• 通过MATLAB仿真验证分析结果，涵盖多种湍流和中继配置。
• 分析不同中继数量和接收天线数量下的系统性能，以评估其可扩展性和鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在采用接收分集的多跳混合自由空间光/射频系统中，中继数量如何影响误比特率（BER）和中断概率？
• RQ2 在该混合架构中，增加接收天线数量对系统性能有何影响？
• RQ3 系统在中等到强大气湍流条件下的表现如何？
• RQ4 系统在不同湍流水平下是否无需自适应处理即可保持稳定性能？
• RQ5 系统能否在保持高可靠性的同时实现低复杂度和低功耗？

主要发现

• 随着接收天线数量增加，系统性能退化极小，表明单天线接收机的性能几乎与多天线系统相当。
• 在中等到强大气湍流条件下，中断概率和误比特率保持稳定，表明系统对湍流变化不敏感。
• 系统无需自适应处理即可适应大气条件变化，从而降低了复杂度和成本。
• MATLAB仿真验证了所推导的误比特率和中断概率精确与渐近表达式的准确性。
• 所提出的架构特别适用于城市环境，因其具备强鲁棒性和低功耗特性。
• 系统性能基本不受接收天线数量影响，因此单天线部署在可行性和成本效益方面具有显著优势。