[论文解读] An optimization problem on the performance of FSO communication system

Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用 5

一句话总结

本文提出解析优化模型，通过调节发射机波长来提升大气湍流和指向误差下自由空间光（FSO）通信的性能。采用新颖的精确解析方法，而非以往的渐近方法，实现了10⁻¹³的误码率（BER），显著优于渐近方法的10⁻⁹，证明了精确波长匹配可实现即使在恶劣条件下也高度可靠、低功耗的FSO链路。

ABSTRACT

Performance of Free Space Optical (FSO) communication system is affected by atmospheric turbulences and pointing errors. These effects can easily be mitigated by adapting natural system parameters such as wavelength. In this paper, considering effects of pointing error and atmospheric turbulence, two optimization models are presented on FSO communication system. In Model 1, the normalized transmitter power is objective function, Bit Error Rate (BER) is equality subjective. In Model 2 normalized transmitter power is equality subjective, the BER is objective function. In both of them the normalized wavelength is variable parameter. These models were previously investigated using numerical methods; in the sense that they were solved asymptotically. From this point of view, this paper regenerated these models and solved them by a completely different analytical method, and derived a new exact solution. Comparing exact and asymptotic methods shows some interesting results; the asymptotic method achieves BER=10^(-9), but the presented new exact method achieves BER=10^(-13), which is a significant difference. It means that even at the worst case scenario such as pointing error, it is possible to have a very good performance by only the transmitting wavelength a bit. Proposed models are practical and obtained results show that this system is cost and power effective.

研究动机与目标

• 解决大气湍流和指向误差导致的FSO系统性能退化问题。
• 开发解析优化模型，在保持严格误码率（BER）约束的前提下最小化发射机功率。
• 用精确解析解替代以往的渐近解，以提升精度和性能。
• 证明仅通过波长调节即可在最坏指向误差条件下实现超可靠FSO通信。
• 验证所提出的优化框架在实际FSO系统设计中的成本与功耗效率。

提出的方法

• 构建两种不同的优化模型：一种是在BER等式约束下最小化归一化发射机功率，另一种是在功率等式约束下最小化BER。
• 将归一化波长作为两种模型中的唯一可变参数，实现对其对系统性能影响的系统性分析。
• 采用与以往渐近方法截然不同的数学方法，推导出全新的精确解析解。
• 在求解优化问题时未依赖近似，确保了BER和功率预测的更高精度。
• 通过与先前报道的渐近解直接比较，验证了分析结果的正确性。
• 使用闭式表达式表征不同波长下发射机功率与可实现BER之间的权衡关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 精确解析解是否能在指向误差和大气湍流条件下，优于渐近方法预测FSO系统性能？
• RQ2 通过优化FSO系统的发射机波长，BER可降低到何种程度？
• RQ3 所提出的精确方法在性能极限上相比渐近分析有何改进？
• RQ4 在最坏指向误差条件下，仅通过波长调节可实现的最低BER是多少？
• RQ5 所提出的优化框架能否实现成本与功耗高效的FSO通信系统？

主要发现

• 所提出的精确解析方法实现了10⁻¹³的BER，显著优于使用渐近方法获得的10⁻⁹ BER。
• 即使在最坏指向误差条件下，通过最优波长选择，系统仍能实现超可靠通信。
• 精确解揭示了比以往渐近近似估计更优的功率-BER权衡关系。
• 结果证实，仅通过波长调节即可实现高效且鲁棒的FSO通信系统。
• 该分析框架为设计满足严格可靠性要求的FSO链路提供了一种实用且低成本的方法。
• 本研究证明，精确解对于高可靠性FSO系统中的性能准确预测至关重要。