[論文レビュー] Temporal CSI Correlation in Mixed RF/FSO Cooperative Relaying Systems Under Joint Effects of HPA Nonlinearities and IQ Imbalance

Elyes Balti, Neji Mensi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2021

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、高力増幅器（HPA）の非線形性（SELおよびTWTA）とIQアンバランスを併存させる状況下で、混合RF/自由空間光（FSO）協調リレーシステムにおける時系列状態情報（CSI）相関を分析する。遅延したCSI下での中断確率およびエルゴディック容量の式を導出し、高SNRにおいて不具合が避けられない中断フロアと容量の上限を引き起こす一方で、複数のリレーや高いダイバーシティゲイン、より優れた耐障害性により、従来のRFシステムに比べて混合RF/FSOシステムが優れた性能を示すことを示している。

ABSTRACT

In this paper, we present the performance analysis of mixed RF/FSO system with multiple relays. To select the best relay, we adopt partial relay selection with outdated CSI wherein we investigate the effect of the temporal correlation of the channels. Unlike the vast majority of work, we introduce the impairments to the relays and the destination and we compare the performance against conventional RF relaying systems. We further derive the expressions of the outage probability and the ergodic capacity as well as the bounds to unpack engineering insights into the system robustness.

研究の動機と目的

• 遅延したCSIにおける時系列相関が混合RF/FSO協調リレーシステムに与える影響を分析すること。
• リレーにおける高力増幅器（HPA）非線形性（SELおよびTWTA）と受信側におけるIQアンバランスがシステム性能に与える影響を調査すること。
• ハードウェア不具合を伴う状況下で、提案された混合RF/FSOシステムと従来のRFリレーシステムの性能を比較すること。
• 中断確率およびエルゴディック容量の閉形式式を導出し、システムの耐障害性と性能限界を定量化すること。
• 時系列相関およびリレーセレクション順位が、不完全なCSI下でのスペクトル効率と信頼性に与える影響を評価すること。

提案手法

• N個のアンプアンドフォワード（AF）リレーを備えた混合RF/FSO協調リレーシステムを用い、遅延したCSIに基づく部分的リレーセレクション（PRS）を採用する。
• リレーのHPA不具合を、ソフトエンベロープリミッタ（SEL）およびトランジットウェーブチューブ増幅器（TWTA）の2つの非線形アンプモデルでモデル化する。
• 受信側のIQアンバランスを、FSOリンクにおける位相および振幅歪みの原因としてモデル化する。
• 一般化されたメイジャーG関数表現と統計的チャネルモデル（例：FSOのためのガンマガンマフェーディング）を用いて、中断確率およびエルゴディック容量を導出する。
• 選択時刻と送信時刻におけるCSI間の時系列相関を相関係数ρを用いて組み込む。
• 順序統計と期待値演算を用いた数学的解析により、性能指標の閉形式式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HPA非線形性（SEL対TWTA）は、遅延したCSIを伴う混合RF/FSO協調システムにおける中断確率およびエルゴディック容量にどのように影響するか？
• RQ2 受信側におけるIQアンバランスは、システムのスペクトル効率および信頼性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 リレー選択時刻と送信時刻におけるCSI間の時系列相関（ρ）は、部分的リレーセレクションにおける性能にどのように影響するか？
• RQ4 複数のリレーを備えた混合RF/FSOシステムは、ハードウェア不具合下で、どの程度従来のRFリレーシステムを上回る性能を示すか？
• RQ5 高SNRにおけるハードウェア不具合によって、どのような性能限界（中断フロアおよび容量上限）が生じるか？

主な発見

• HPA非線形性は高SNRにおいて避けられない中断フロアを引き起こし、TWTAモデルはSELモデルよりも著しく深刻な性能劣化を引き起こす。
• ハードウェア不具合のため、高SNRにおいてエルゴディック容量が上限に達し、「容量上限」としての制限が生じ、スペクトル効率の向上が制限される。
• 時系列相関（ρ ≈ 1）では、遅延したCSIが精度を保つため、リレーセレクション順位（m）が高いほど性能が向上する。一方、ρ ≈ 0 の場合、CSIが信頼できないため、mが高くなると性能が悪化する。
• 複数のリレーを備えた混合RF/FSOシステムは、高いダイバーシティゲインのおかげで、特に低SNRにおいて従来のRFリレーシステムよりも低い中断確率と高いスペクトル効率を達成する。
• モンテカルロシミュレーション（10⁶回の実現）による妥当性評価において、導出した式は解析結果と非常に一致しており、高い整合性を示している。
• FSOのダイバーシティと複数のリレーのおかげで、従来のRFオンリーシステムに比べてハードウェア不具合の影響が緩和され、システムの耐障害性が向上する。