[论文解读] Asymmetric RF/FSO Relaying with HPA non-Linearities and Feedback Delay Constraints

Elyes Balti, Brian K. Johnson|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 47被引用 8

一句话总结

本文研究了存在高峰值功率放大器（HPA）非线性与信道状态信息（CSI）过时的非对称射频/自由空间光（RF/Fso）双跳中继系统。在混合瑞利衰落与双重通用伽马衰落条件下，推导了中断概率、误比特率和遍历容量的闭式表达式，结果表明在严重FSO衰落下系统性能显著下降，且在相同输入压缩比（IBO）约束下，SEL放大器在频谱效率和线性度方面优于TWTA。

ABSTRACT

In this work, we investigate the performance of a dual-hop multiple relays system consisting of mixed Radio-Frequency (RF)/Free Space Optical (FSO) channels. The RF channels are subject to Rayleigh fading while the optical links experience the Double Generalized Gamma including atmospheric turbulence, path loss and the misalignment between the transmitter and the receiver aperture (also known as the pointing error). The FSO model also takes into account the receiver detection technique which could be either heterodyne or intensity modulation and direct detection. Partial Relay Selection with outdated Channel State Information is assumed based on the RF channels to select a relay and we also consider fixed and variable Amplify-and-Forward relaying schemes. In addition, we assume that the relays are affected by the high power amplifier non-linearities and herein we discuss two power amplifiers called Soft Envelope Limiter and Traveling Wave Tube Amplifier. Furthermore, novel closed-forms and tight upper bounds of the outage probability, the bit error probability, and the ergodic capacity are derived. Capitalizing on these performance, we derive the high SNR asymptotic to get engineering insights about the system gains such as the diversity and the coding gains. Finally, the mathematical expressions are validated using the Monte Carlo simulation.

研究动机与目标

• 分析在包含高峰值功率放大器非线性和过时信道状态信息（CSI）等实际损伤下的双跳混合RF/FSO中继系统性能。
• 采用双重通用伽马分布建模FSO链路，以精确捕捉大气湍流、路径损耗和指向误差的影响。
• 评估两种高峰值功率放大器类型——软包络限幅器（SEL）与行波管放大器（TWTA）——对系统性能的影响。
• 在部分中继选择与过时CSI条件下，推导中断概率、误比特率和遍历容量的紧致闭式表达式。
• 提供高信噪比渐近分析，以提取分集增益与编码增益，为系统设计提供洞见。

提出的方法

• 将RF链路建模为瑞利衰落，采用双重通用伽马分布建模FSO链路，以捕捉湍流、路径损耗和指向误差的影响。
• 引入两种HPA模型——SEL与TWTA——以考虑中继放大过程中的非线性失真。
• 基于来自RF链路的过时CSI实施部分中继选择，以降低反馈开销。
• 利用梅杰-G函数与福克斯-H函数，推导中断概率的精确与紧致上界表达式。
• 结合统计信道模型与随机微积分，推导在可变增益与固定增益中继下的遍历容量表达式。
• 应用高信噪比渐近分析，提取分集增益与编码增益，为系统可扩展性与鲁棒性提供工程洞见。

实验结果

研究问题

• RQ1 HPA非线性（SEL与TWTA）如何影响非对称RF/Fso中继系统中的中断概率与遍历容量？
• RQ2 过时CSI对系统性能有何影响，特别是在中断概率与分集增益方面？
• RQ3 双重通用伽马模型在同时存在湍流、路径损耗与指向误差时，对FSO衰落的建模精度如何？
• RQ4 系统在高信噪比下的渐近行为如何，体现在分集增益与编码增益方面？
• RQ5 检测技术选择（相干混频与强度调制直接检测）如何影响系统的误比特率与容量？

主要发现

• 即使在最优中继选择与高信噪比条件下，系统性能在严重FSO衰落下仍显著下降。
• 中断概率随信道状态信息（CSI）相关性提高而降低，表明更精确的CSI可提升系统可靠性。
• 对于TWTA，遍历容量在约30 dB后趋于饱和，这是由于非线性失真所致；而SEL放大器在高信噪比下能维持更高容量。
• 在给定回退量（IBO）下，HPA非线性对遍历容量的影响可忽略不计，表明在实际应用中可假设线性中继。
• 在相同IBO约束下，SEL放大器比TWTA具有更高的频谱效率，从而在系统运行中表现更优。
• 在CSI辅助中继中，随着IBO增加，遍历容量显著提升，这是由于峰值功率约束放宽，且信号放大效率提高。