[论文解读] Performance analysis of hybrid FSO/RF communication systems with Alamouti Coding or Antenna Selection

Sayehvand, Javad, Mohammad Ali Amirabadi|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2018

Optical Wireless Communication Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出了一种采用双跳混合自由空间光（FSO）/射频（RF）中继系统的方案，发射端使用阿拉穆蒂编码（AC）或波束选择（AS）以增强在大气衰落和指向误差下的性能。推导了误比特率（BER）和中断概率的闭式表达式，结果表明AC与AS之间的性能差异极小，因此在长距离、移动及功率受限的应用中，推荐采用AS，因其复杂度更低、功耗更小。

ABSTRACT

In this work a novel dual-hop relay-assisted hybrid Free Space Optical / Radio Frequency (FSO / RF) communication system is presented. In this system, RF signal is transmitted from two antennas, and then forwarded by a single antenna relay through FSO channel. This is the first time that performance of using Alamouti Coding (AC) or Antenna Selection (AS) at the transmitter of a hybrid FSO / RF system is investigated. FSO link has Gamma-Gamma atmospheric turbulence, and in order to get closer to the actual results, the effect of pointing error is also considered. For the first time closed-form expressions are derived for Bit Error Rate (BER) and Outage Probability of the proposed system and validated through MATLAB simulations. Results indicate that in this structure, there is slight performance difference between AC and AS schemes. Hence due to more complexity, power consumption and latency of AC, AS is recommended. Dual-hop, hybrid FSO / RF system significantly improves performance and reliability of the system, and is particularly suitable for long-range applications that direct RF communication between source and destination is not possible. Considering these advantages this structure is particularly suitable for mobile communications which has power and processing limitations.

研究动机与目标

• 为解决移动通信中长距离RF与FSO链路不可靠的问题，提出一种混合FSO/RF双跳中继系统。
• 研究在真实信道条件下，阿拉穆蒂编码（AC）与波束选择（AS）技术在混合FSO/RF系统中的性能表现。
• 推导在Gamma-Gamma衰落与指向误差影响下，关键性能指标——误比特率（BER）与中断概率的闭式表达式。
• 从性能、复杂度、功耗与时延等方面比较AC与AS，以确定最优传输策略。

提出的方法

• 设计了一种双跳中继系统，源端通过两个RF天线向单天线中继站发送信号，中继站再通过FSO链路将信号转发至目的地。
• FSO链路采用Gamma-Gamma分布建模，以表征大气湍流效应，并引入指向误差以实现更真实的性能评估。
• 在发射端应用阿拉穆蒂编码（AC），通过空时块编码实现空间分集增益。
• 波束选择（AS）作为AC的低复杂度替代方案，基于信道状态信息选择最佳RF天线进行传输。
• 采用统计信道模型，利用矩生成函数（MGF）方法推导BER与中断概率的闭式表达式。
• 通过MATLAB仿真验证分析结果，并在相同系统条件下比较AC与AS的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Gamma-Gamma衰落与指向误差条件下，阿拉穆蒂编码与波束选择在双跳混合FSO/RF系统中的性能表现如何比较？
• RQ2 在采用AC或AS的混合FSO/RF系统中，误比特率（BER）与中断概率的闭式表达式是什么？
• RQ3 与直接传输相比，双跳中继架构是否显著提升了系统可靠性与性能，特别是在长距离或视距受阻的链路中？
• RQ4 在该混合系统中，AC与AS在性能增益与系统复杂度、功耗及时延之间的权衡关系如何？
• RQ5 在移动及功率受限的通信系统中，波束选择是否是阿拉穆蒂编码的可行且更优的替代方案？

主要发现

• 在相同系统条件下，阿拉穆蒂编码与波束选择在BER与中断概率方面的性能差异极小。
• 成功推导出BER与中断概率的闭式表达式，并通过仿真验证，实现了性能的精确预测。
• 混合FSO/RF双跳系统显著提升了系统可靠性与性能，尤其在长距离或视距受阻的场景中表现突出。
• 尽管性能相近，但由于波束选则复杂度更低、功耗更小且时延更低，因此推荐采用波束选择而非阿拉穆蒂编码。
• 在FSO链路模型中引入指向误差，使性能评估更加贴近实际，验证了所提方案在实际 impairments 下的鲁棒性。
• 该系统特别适用于移动通信，其中能量效率与处理时延是关键约束条件。