[论文解读] Asymptotic analysis of V-BLAST MIMO for coherent optical wireless communications in Gamma-Gamma turbulence

Yiming Li, Chao Gao+2 more|PubMed|Jul 12, 2021

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 18被引用 5

一句话总结

本文针对相干光无线通信中Gamma-Gamma衰落信道下的V-BLAST MIMO系统，提出了误比特率（BER）的渐近分析。通过推导BER和分集增益的数学表达式，揭示了V-BLAST在发射端天线数等于复用增益、接收端天线数等于分集增益时，可在强湍流环境下实现比传统方案（如A-STBC或重复编码）更高的数据速率。

ABSTRACT

This paper investigates the asymptotic BER performance of coherent optical wireless communication systems in Gamma-Gamma turbulence when applying the V-BLAST MIMO scheme. A new method is proposed to quantify the performance of the system and mathematical solutions for asymptotic BER performance are derived. Counterintuitive results are shown since the diversity gain of the V-BLAST MIMO system is equal to the number of the receivers. As a consequence, it is shown that when applying the V-BLAST MIMO scheme, the symbol rate per transmission can be equal to the number of transmitters with some cost to diversity gain. This means that we can simultaneously exploit the spatial multiplexing and diversity properties of the MIMO system to achieve a higher data rate than existing schemes in a channel that displays severe turbulence and moderate attenuation.

研究动机与目标

• 在Gamma-Gamma湍流信道下，对相干光无线通信中V-BLAST MIMO的渐近BER性能进行理论推导。
• 确定V-BLAST MIMO系统在湍流光信道中的分集增益，其中传统基于RF的MIMO分析方法不适用。
• 研究在强大气湍流条件下，空间复用是否可在相干OWC系统中有效利用。
• 提供一种严格的理论分析框架，以克服以往仅依赖数值模拟研究的局限性。
• 证明在严重湍流条件下，V-BLAST可实现比A-STBC或重复编码等现有方案更高的频谱效率。

提出的方法

• 通过将信道建模为Gamma-Gamma分布，提出一种新颖的解析方法，用于计算相干OWC中V-BLAST MIMO的渐近BER。
• 通过将复平面上的圆形积分区域近似为方形区域，简化积分计算，推导出条件误码概率。
• 基于信道的强度分布和信号星座图间距，采用改进的积分公式计算误码概率。
• 引入校正因子 $ rac{ au}{4} $，将方形区域的概率映射回原始圆形区域，确保近似结果的准确性。
• 将误差度量的累积分布函数（CDF）表述为 $ F_1(r) = C_r r^2 $，其中 $ C_r $ 为信道与信号统计特性的积分。
• 推导出误差度量的概率密度函数（PDF）为 $ f_1(r) = 2C_r r $，从而支持在高信噪比（SNR）下对渐近BER行为的进一步分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Gamma-Gamma衰落信道下，相干OWC系统中V-BLAST MIMO的渐近BER性能如何？
• RQ2 在湍流光链路中，V-BLAST MIMO的分集增益如何随接收孔径数量变化？
• RQ3 在强湍流条件下，V-BLAST能否同时实现空间复用与分集增益？
• RQ4 在OWC系统中，V-BLAST MIMO的频谱效率（复用增益）与分集增益之间存在何种权衡？
• RQ5 所提出的解析方法在高信噪比区域预测BER性能方面，与数值仿真相比表现如何？

主要发现

• V-BLAST MIMO系统的分集增益等于接收孔径数量，而非发射天线数量，这与RF MIMO系统的情况相反，出人意料。
• V-BLAST MIMO的复用增益等于发射孔径数量，从而实现每轮传输的符号速率等于发射天线数。
• 在严重湍流和中等衰减的信道中，该系统实现的数据速率高于A-STBC和重复编码方案。
• 推导出的渐近BER表达式在高信噪比区域有效，其BER趋近于零的行为与 $ ext{SNR}^{-2C_r r^2} $ 成正比，表明分集阶数为2。
• 该理论框架可在无需依赖仿真模拟的情况下实现精确的性能预测，为系统设计中的权衡提供了更深入的洞察。
• 采用方形区域替代圆形积分区域的近似方法在高信噪比区域被证明有效，并通过应用 $ rac{ au}{4} $ 的校正因子，成功恢复了原始概率。