[논문 리뷰] Performance analysis of hybrid FSO/RF communication systems with Alamouti Coding or Antenna Selection

Sayehvand, Javad, Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 19.

Optical Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 대기 흐릿함과 조준 오차 하에서 성능을 향상시키기 위해 송신부에서 알라무티 코드(AC) 또는 안테나 선택(AS)을 사용하는 이중 홉 히브리드 FSO/RF 릴레이 시스템을 제안한다. 비트 오류율(BER)과 장애 발생 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하여, AC와 AS 간 성능 차이가 미미함을 보이며, 장거리, 이동성, 전력 제약이 있는 응용 분야에서 더 낮은 복잡성과 전력 소비로 인해 AS를 권장한다.

ABSTRACT

In this work a novel dual-hop relay-assisted hybrid Free Space Optical / Radio Frequency (FSO / RF) communication system is presented. In this system, RF signal is transmitted from two antennas, and then forwarded by a single antenna relay through FSO channel. This is the first time that performance of using Alamouti Coding (AC) or Antenna Selection (AS) at the transmitter of a hybrid FSO / RF system is investigated. FSO link has Gamma-Gamma atmospheric turbulence, and in order to get closer to the actual results, the effect of pointing error is also considered. For the first time closed-form expressions are derived for Bit Error Rate (BER) and Outage Probability of the proposed system and validated through MATLAB simulations. Results indicate that in this structure, there is slight performance difference between AC and AS schemes. Hence due to more complexity, power consumption and latency of AC, AS is recommended. Dual-hop, hybrid FSO / RF system significantly improves performance and reliability of the system, and is particularly suitable for long-range applications that direct RF communication between source and destination is not possible. Considering these advantages this structure is particularly suitable for mobile communications which has power and processing limitations.

연구 동기 및 목표

• 장거리 RF 및 FSO 링크의 신뢰성 문제를 해결하기 위해 이중 홉 히브리드 FSO/RF 릴레이 시스템을 제안함으로써 이동 통신 환경에서의 성능 향상을 도모한다.
• 실제 채널 조건 하에서 알라무티 코드(AC) 및 안테나 선택(AS) 기법의 성능을 조사한다.
• 감마-감마 분포 및 조준 오차 영향을 고려한 비트 오류율(BER)과 장애 발생 확률의 주요 성능 지표에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 성능, 복잡성, 전력 소비, 지연 시간 측면에서 AC와 AS를 비교하여 최적의 전송 전략을 도출한다.

제안 방법

• 원천이 두 개의 RF 안테나를 통해 단일 안테나 릴레이로 신호를 전송하고, 릴레이가 FSO 링크를 통해 목적지로 신호를 재전송하는 이중 홉 릴레이 시스템을 설계한다.
• 대기 흐릿함을 나타내기 위해 FSO 링크를 감마-감마 분포로 모델링하고, 실제 성능 평가를 위해 조준 오차 영향을 포함시킨다.
• 공간-시간 블록 코딩을 통해 공간 다양성 이득을 제공하기 위해 송신부에서 알라무티 코드(AC)를 적용한다.
• 복잡성이 낮은 대안으로서 안테나 선택(AS)을 도입하여 채널 상태 정보에 기반해 최적의 RF 안테나를 선택한다.
• 모멘트 생성 함수(MGF) 기반 접근을 사용하여 통계적 채널 모델을 활용해 BER 및 장애 발생 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 동일한 시스템 조건에서 AC 및 AS의 성능을 비교하기 위해 MATLAB 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 감마-감마 분포 및 조준 오차 조건 하에서 이중 홉 히브리드 FSO/RF 시스템에서 알라무티 코드의 성능가 안테나 선택의 성능를 비교하면 어떻게 되는가?
• RQ2 제안된 히브리드 FSO/RF 시스템에서 AC 또는 AS를 적용했을 경우 비트 오류율(BER)과 장애 발생 확률의 폐쇄형 표현식은 무엇인가?
• RQ3 이중 홉 릴레이 아키텍처는 장거리 또는 장애물이 있는 링크에서 직접 전송 대비 시스템 신뢰성과 성능을 크게 향상시키는가?
• RQ4 이 히브리드 시스템에서 AC와 AS 간 성능 향상과 시스템 복잡성, 전력 소비, 지연 시간의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ5 이동성 및 전력 제약이 있는 통신 시스템에서 안테나 선택은 알라무티 코드의 실현 가능하고 바람직한 대안인가?

주요 결과

• 동일한 시스템 조건 하에서 알라무티 코드와 안테나 선택 간 BER 및 장애 발생 확률에서 성능 차이는 미미하다.
• BER 및 장애 발생 확률에 대한 폐쇄형 표현식이 성공적으로 유도되었으며, 시뮬레이션을 통해 검증되어 정확한 성능 예측이 가능해졌다.
• 히브리드 FSO/RF 이중 홉 시스템은 특히 장거리 또는 장애물이 있는 LOS 시나리오에서 신뢰성과 시스템 성능을 크게 향상시킨다.
• 낮은 복잡성, 낮은 전력 소비, 낮은 지연 시간으로 인해 유사한 성능를 보이지만 알라무티 코드보다 안테나 선택이 권장된다.
• FSO 링크 모델에 조준 오차를 포함시킴으로써 보다 현실적인 성능 평가가 가능해졌으며, 실질적인 손상 요인 하에서도 제안된 기법의 강건성을 확인하였다.
• 에너지 효율성과 처리 지연 시간이 핵심 제약 조건인 이동 통신 환경에서 이 시스템은 특히 적합하다.