[论文解读] Mixing RIS-Assisted Sources with FSO Link

Anas M. Salhab, Liang Yang|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用 6

一句话总结

本文提出了一种采用可重构智能表面（RIS）辅助的混合射频/自由空间光（FSO）中继网络，并结合机会式源调度。推导了中断概率和平均符号错误概率的闭式表达式，表明系统分集增益受最弱跳变限制，且反射单元数量N对编码增益的影响大于源数量K。

ABSTRACT

This letter proposes and evaluates the performance of reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted source multiuser mixed radio frequency (RF)/free space optical (FSO) relay network with opportunistic user scheduling. Closed-form analytical approximations are derived for the outage probability and average symbol error probability (ASEP) assuming Rayleigh and Gamma-Gamma fading models for the RF and FSO channels, respectively. Moreover, to gain more insight into the system behavior, the system is studied at the high signal-to-noise ratio (SNR) regime whereby the diversity order and coding gain are derived and analyzed. The results illustrate that the system performance is dominated by the worst hop and that the diversity order is equal to Gd = min(KN,alpha,beta,zeta^2), where K is the number of RF users, N is the number of reflecting elements at each user, alpha and beta are the atmospheric turbulence parameters of the FSO link, and zeta^2 is a measure for the alignment quality of the FSO link. In addition, findings show that for the same diversity order, N is more impactful on the system performance than K through the coding gain Gc.

研究动机与目标

• 为解决无线网络中的‘最后一公里’问题，通过结合RIS增强的射频源与FSO回传链路实现。
• 提升受大气湍流和路径损耗限制的FSO系统的覆盖范围与可靠性。
• 研究在源端集成RIS所带来的性能增益，通过相位控制增强信号波束成形。
• 在瑞利衰落与伽马-伽马衰落模型下，推导分析性能指标（中断概率、ASEP）。
• 在高信噪比（SNR）条件下评估系统分集增益与编码增益，识别关键性能限制因素。

提出的方法

• 采用机会式源调度，根据中继端的瞬时信噪比（SNR）选择最强的射频源。
• 将第一跳（射频链路）建模为瑞利衰落，第二跳（FSO链路）建模为伽马-伽马衰落。
• 利用统计信道模型，推导中断概率与平均符号错误概率（ASEP）的闭式近似表达式。
• 在高SNR条件下进行渐近分析，推导分集增益为 $ G_d = \min(KN, \alpha, \beta, \zeta^2) $，其中 $ \alpha, \beta $ 为湍流参数，$ \zeta^2 $ 为对准质量。
• 引入基于广义伽马分布的FSO信道SNR分布的统计近似方法。
• 通过蒙特卡洛仿真验证分析结果，确认在不同K、N及湍流条件下的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在源端集成RIS如何影响混合射频/自由空间光中继网络的性能？
• RQ2 反射单元数量（N）与射频源数量（K）对系统分集增益与编码增益的影响如何？
• RQ3 是射频链路还是FSO链路主导系统中断性能？这对分集增益有何影响？
• RQ4 大气湍流参数（α, β）与对准质量（ζ²）如何影响系统的误码与中断性能？
• RQ5 在真实衰落条件下，闭式表达式能否准确预测中断与ASEP性能？

主要发现

• 系统的分集增益为 $ G_d = \min(KN, \alpha, \beta, \zeta^2) $，表明性能受限于最弱链路。
• 当 $ G_d $ 固定时，增加反射单元数量（N）带来的编码增益高于增加源数量（K）。
• 在相同 $ G_d $ 条件下，单个源搭配两个反射单元的性能优于两个源各配一个反射单元，因其具有更高的编码增益。
• 当射频链路SNR超过FSO链路SNR时，会出现性能噪声底限，因为FSO链路成为主导并限制进一步性能提升。
• ASEP性能随对准质量（$ \zeta^2 $）提高及湍流参数（$ \alpha, \beta $）增大而改善，尤其在高SNR区域表现显著。
• QPSK调制相比BPSK具有更好的误码性能，尽管两者具有相同的分集增益，原因在于更高的编码增益。