[论文解读] Free-Space Optical Communication With Reconfigurable Intelligent Surfaces

Liang Yang, Wang Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用 29

一句话总结

本文提出了一种通过可重构智能表面（RIS）增强的自由空间光（FSO）通信系统，以缓解大气湍流和指向误差引起的性能退化。通过利用大数量RIS单元的中心极限定理，推导出中断概率、平均误比特率（BER）和信道容量的闭式表达式，结果表明RIS部署显著提升了系统可靠性与频谱效率，尤其在强湍流和高指向误差敏感条件下表现突出。

ABSTRACT

Despite the promising gains, free-space optical (FSO) communication is severely influenced by atmospheric turbulence and pointing error issues, which make its practical design a bit challenging. In this paper, with the aim to increase the communication coverage and improve the system performance, reconfigurable intelligent surfaces (RISs) are considered in an FSO communication setup, in which both atmospheric turbulence and pointing errors are considered. Closed-form expressions for the outage probability, average bit error rate, and channel capacity are derived assuming large number of reflecting elements at the RIS. Specifically, according to central limit theorem (CLT), while assuming multiple reflecting elements approximate expressions are proposed. It is shown that the respective accuracies increase as the number of elements at the RIS increases. Illustrative numerical examples are shown along with insightful discussions. Finally, Monte Carlo simulations are presented to verify the correctness of the analytical results.

研究动机与目标

• 解决FSO通信因大气湍流和指向误差导致的性能限制问题。
• 研究可重构智能表面（RIS）在FSO系统中的集成，以提升链路可靠性和覆盖范围。
• 在真实信道损伤条件下，推导中断概率、平均BER和信道容量等分析性能指标。
• 通过大数量RIS单元的中心极限定理验证近似方法的准确性。
• 量化系统参数（如RIS尺寸、湍流严重程度和指向误差方差）对系统性能的影响。

提出的方法

• 通过具有N个反射单元的RIS建模FSO链路，假设源与目的地之间无直视路径。
• 将级联信道增益表征为大气湍流（Gamma-Gamma分布）与指向误差（Málaga-G模型）的乘积。
• 应用中心极限定理（CLT）近似多个独立同分布衰落增益之和，从而实现闭式分析。
• 利用互补误差函数和正态Q函数，推导出中断概率的近似闭式表达式。
• 基于矩生成函数的近似方法，推导BPSK调制下平均BER的表达式，整合湍流与指向误差参数。
• 采用四阶指数近似方法处理对数容量函数，以实现信道容量的解析推导。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS的部署如何缓解FSO系统中大气湍流与指向误差的联合影响？
• RQ2 在考虑真实信道损伤的RIS辅助FSO系统中，中断概率、平均BER和信道容量的闭式表达式是什么？
• RQ3 RIS反射单元数量（N）如何影响分析近似的准确性及系统性能？
• RQ4 指向误差与大气湍流对系统可靠性与误码性能的相对影响如何？
• RQ5 系统参数（如光束宽度（wz）、孔径尺寸（a）以及湍流参数（α, β））如何影响系统的中断与BER性能？

主要发现

• 随着RIS单元数量N的增加，中断概率显著降低，且分集增益阶数与N成正比，证实了分集增益的提升。
• 平均BER性能随N增大而改善，且BER近似精度随RIS单元数量增加而提高。
• 信道容量随N增加而提升，且在RIS部署后显著增强，尤其在高信噪比（SNR）区域表现明显。
• 指向误差对系统性能的负面影响大于大气湍流，尤其当σθ超过1 mrad时更为显著。
• 减小比值wz/a（光束宽度与孔径尺寸之比）可改善中断性能，表明相对于光束宽度，更大的RIS孔径能增强系统鲁棒性。
• 蒙特卡洛仿真验证了理论结果，理论近似与仿真结果高度一致，尤其在N较大时表现紧密吻合。