[论文解读] Performance Analysis of RIS-Based nT-FSO Link Over G-G Turbulence With Pointing Errors

Alain R. Ndjiongue, Telex M. N. Ngatched+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2021

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 21被引用 15

一句话总结

本文提出了一项关于受Gamma-Gamma (G-G)湍流和指向误差影响的可重构智能表面 (RIS) 辅助近地空自由空间光 (nT-FSO) 链路的性能分析。通过使用信噪比 (SNR) 统计特性的精确闭式表达式，评估了在外差检测 (HD) 和强度调制-直接检测 (IM/DD) 下的中断概率、遍历容量和误比特率，结果表明 HD 性能优于 IM/DD，且蓝色波长表现出更优的性能。

ABSTRACT

One of the main problems faced by communication systems is the presence of skip-zones in the targeted areas. With the deployment of the fifth-generation mobile network, solutions are proposed to solve the signal loss due to obstruction by buildings, mountains, and atmospheric or weather conditions. Among these solutions, re-configurable intelligent surfaces (RIS), which are newly proposed modules, may be exploited to reflect the incident signal in the direction of dead zones, increase communication coverage, and make the channel smarter and controllable. In this paper, we tackle the skip-zone problem in near-terrestrial free-space optical (nT-FSO) systems using RIS. We carry out a performance analysis of RIS-aided nT-FSO links affected by turbulence and pointing errors, for both heterodyne detection (HD) and intensity modulation-direct detection (IM/DD) techniques. Turbulence is modeled using the Gamma-Gamma (G-G) distribution. We analyze the model and provide exact closed-form expressions of the probability density function, cumulative distribution function, and moment generating function of the end-to-end signal-to-noise ratio, $γ$. Capitalizing on these statistics, we evaluate the system performance through the outage probability, $ P_{out} $, ergodic channel capacity, $\overline{C}$, and average bit-error-rate, $\overline{P}_b$, for selected binary modulation schemes. Numerical results obtained for different turbulence levels and pointing errors confirm that the HD technique outperforms IM/DD even in RIS-aided nT-FSO systems. These results also show that using a blue color offers better channel capacity and communication performance compared to red and green colors.

研究动机与目标

• 为解决因遮挡和大气效应（特别是在跳越区）导致的 nT-FSO 系统信号衰落问题。
• 研究在 G-G 湍流和指向误差等实际损伤影响下，RIS 辅助 nT-FSO 链路的性能提升。
• 比较 RIS 辅助 nT-FSO 系统中外差检测 (HD) 与强度调制-直接检测 (IM/DD) 技术的性能表现。
• 评估中断概率、遍历容量和平均误比特率等关键性能指标。
• 确定在部署 RIS 的条件下，光波长（红、绿、蓝）对系统性能的影响。

提出的方法

• 采用 Gamma-Gamma (G-G) 分布对大气湍流进行建模，以实现精确的统计表征。
• 推导出端到端 SNR 的概率密度函数、累积分布函数和矩生成函数的精确闭式表达式。
• 利用 SNR 统计特性评估二进制调制方案下的中断概率、遍历容量和平均误比特率。
• 在相同信道条件下，分析外差检测 (HD) 和强度调制-直接检测 (IM/DD) 技术的性能表现。
• 在不同湍流水平和指向误差方差下评估性能，以评估系统鲁棒性。
• 通过比较不同光波长（红、绿、蓝）下的系统性能，识别最优传输波长。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 G-G 湍流和指向误差影响下，RIS 部署如何提升 nT-FSO 链路的性能？
• RQ2 在 RIS 辅助的 nT-FSO 系统中，外差检测 (HD) 相对于强度调制-直接检测 (IM/DD) 的性能增益如何？
• RQ3 在 RIS 辅助的 nT-FSO 系统中，不同光波长（红、绿、蓝）如何影响遍历容量和误比特率？
• RQ4 在湍流与指向误差共同作用下，RIS 辅助 nT-FSO 系统中端到端 SNR 的精确统计表达式是什么？
• RQ5 湍流水平和指向误差方差的增加如何影响中断概率和系统可靠性？

主要发现

• 在外差检测 (HD) 与强度调制-直接检测 (IM/DD) 的所有湍流和指向误差水平下，HD 在中断概率和误比特率方面均优于 IM/DD。
• 与红光和绿光相比，蓝光的遍历容量显著更高，表明在 RIS 辅助的 nT-FSO 系统中，蓝光具有更高的频谱效率。
• 推导出了 SNR 的概率密度函数 (PDF)、累积分布函数 (CDF) 和矩母函数 (MGF) 的精确闭式表达式，实现了无需蒙特卡洛仿真即可精确评估系统性能。
• 中断概率随湍流水平和指向误差方差的增加而上升，但 RIS 部署能有效缓解这种性能退化。
• 在低湍流和低指向误差条件下，遍历容量达到最大值，其中蓝光波长提供的容量最高。
• 在强湍流和高指向误差条件下，RIS 的性能增益最为显著，证明其在恶劣传播环境中的价值。