[论文解读] Performance Analysis of FSO System with Spatial Diversity and Relays for M-QAM over Log-Normal Channel

Pranav Kumar Jha, Nitin Kachare+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2017

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种采用解码转发中继和空间分集的多跳MISO FSO系统，使用M-QAM调制在对数正态衰落信道下进行传输。该文分析推导出精确的误比特率（BER）表达式，并表明在轻雾条件下，与SISO-OOK相比，采用多跳MISO中继的M-QAM可实现高达47.5 dB的信噪比（SNR）增益，且在相同频谱效率下显著优于其他配置。

ABSTRACT

The performance analysis of free space optical communication (FSO) systems using relays and spatial diversity at the transmitter end is presented in this paper. The impact of atmospheric turbulence and attenuation caused by different weather conditions and geometric losses has also been taken into account. The effect of turbulence is modeled over a log-normal probability density function. We present the exact closed form expressions of bit-error rate (BER) for M-ary quadrature amplitude modulation (M-QAM). The FSO system link performance is compared for on-off keying, M-ary pulse amplitude modulation and M-QAM modulation techniques. For relay based free space optical communication systems, M-QAM is proved to be superior than other systems considering the same spectral efficiency for each system. A significant performance enhancement in terms of BER analysis and SNR gains is shown for multi-hop MISO FSO system.

研究动机与目标

• 分析在对数正态衰落模型下，大气湍流、天气引起的衰减和几何损耗对FSO系统性能的影响。
• 评估空间分集（MISO）和基于中继的多跳传输对M-QAM调制下误比特率（BER）性能的影响。
• 在相同系统条件下，比较M-QAM与OOK和M-PAM在频谱效率和BER方面的表现。
• 量化在晴朗和雾天条件下，与使用OOK/RCs的SISO和MISO系统相比，多跳MISO FSO系统在SNR增益方面的优势。
• 验证在真实大气损伤条件下，M-QAM在多跳MISO FSO系统中的优越性。

提出的方法

• 使用对数正态概率密度函数建模光强波动，以描述大气湍流影响。
• 通过归一化的路径损耗系数β，引入由几何扩展、吸收和散射引起的路径损耗。
• 基于统计信道建模，推导出在对数正态信道下M-QAM的精确闭式误比特率（BER）表达式。
• 在多跳FSO链路中采用解码转发（DF）中继，以提高可靠性并扩展通信距离。
• 在接收端采用最大似然（ML）译码进行M-QAM信号检测。
• 在保持相同频谱效率的前提下，比较不同配置下的系统性能：SISO-OOK、MISO-OOK/RCs、采用M-PAM和M-QAM的多跳SISO/MISO系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 在对数正态衰落信道下，采用空间分集和中继的FSO系统中，M-QAM的性能与OOK和M-PAM相比如何？
• RQ2 在晴朗天气和轻雾条件下，大气状况对多跳FSO系统BER性能有何影响？
• RQ3 与单跳系统相比，多跳中继和MISO分集在降低BER和提升SNR增益方面能带来多大程度的改善？
• RQ4 在MISO和多跳FSO系统中，增加发射机数量对BER性能有何影响？
• RQ5 在相同频谱效率下，采用M-QAM的多跳MISO系统相较于使用OOK和RCs的SISO和MISO系统，其SNR增益是多少？

主要发现

• 在中等湍流的晴朗天气下，与使用OOK和RCs的MISO系统相比，采用M-QAM的多跳MISO FSO系统在目标误比特率下实现了22 dB的SNR增益。
• 在轻雾条件下，与使用OOK的SISO系统相比，多跳SISO系统实现了37 dB的SNR增益；而与使用OOK和RCs的MISO系统相比，多跳MISO系统实现了33 dB的SNR增益。
• 对于采用8-QAM的双中继多跳系统，与单发射机的MISO-OOK/RCs配置相比，MISO配置实现了13 dB的SNR增益，并比多跳SISO系统高出1.2 dB。
• 在使用三发射机和8-PAM调制时，多跳MISO系统相比MISO-OOK/RCs配置实现了19.5 dB的SNR增益，且比多跳SISO系统高出2.8 dB。
• 在轻雾条件下，双中继多跳系统相比单跳系统实现了10 dB的性能提升，其中多跳SISO和MISO系统相对于SISO-OOK和MISO-OOK/RCs的SNR增益分别达到47.5 dB和42.8 dB。
• 基于M-QAM的多跳MISO FSO系统在所有情况下均显著优于使用OOK和RCs的SISO和MISO系统，展现出更高的频谱效率和在湍流及天气引起的衰落下的更强鲁棒性。