[论文解读] Performance of Wireless Optical Communication With Reconfigurable Intelligent Surfaces and Random Obstacles

Haibo Wang, Zaichen Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 33被引用 41

一句话总结

本文提出了一种使用 optical RIS (ICRN) 的多分支光学无线系统以创建多个人工信道，推导了指向误差和遮挡的概率密度函数，并分析了单分支和多分支配置下的渐近 BER 与中断，展示了由于冲击分量而产生的性能提升与阈值。

ABSTRACT

It is difficult for free space optical communication to be applied in mobile communication due to the obstruction of obstacles in the environment, which is expected to be solved by reconfigurable intelligent surface technology. The reconfigurable intelligent surface is a new type of digital coding meta-materials, which can reflect, compute and program electromagnetic and optical waves in real time. We purpose a controllable multi-branch wireless optical communication system based on the optical reconfigurable intelligent surface technology. By setting up multiple optical reconfigurable intelligent surface in the environment, multiple artificial channels are built to improve system performance and to reduce the outage probability. Three factors affecting channel coefficients are investigated in this paper, which are beam jitter, jitter of the reconfigurable intelligent surface and the probability of obstruction. Based on the model, we derive the closed-form probability density function of channel coefficients, the asymptotic system's average bit error rate and outage probability for systems with single and multiple branches. It is revealed that the probability density function contains an impulse function, which causes irreducible error rate and outage probability floors. Numerical results indicate that compared with free-space optical communication systems with single direct path, the performance of the multi-branch system is improved and the outage probability is reduced.

研究动机与目标

• 在充满障碍的环境中利用 optical RIS 技术推动稳定的光通信。
• 建模一个多分支光学 RIS 系统并识别关键损伤（束偏斜、RIS 偏斜、遮挡）。
• 推导信道衰落的闭式 PDF 并分析单分支和多分支系统下的渐近 BER 与中断。
• 展示增加智能信道数量如何影响性能并提出高信噪比下的功率分配策略。
• 提供数值结果以验证分析模型并突出因冲击分量导致的性能阈值。

提出的方法

• 用多节点 ICRN 将信号反射到中央接收机来建模光学智能信道系统。
• 推导包含束偏斜和 ICRN 偏斜的指向误差 PDF，得到瑞利分布的叠加指向误差。
• 通过对 h_o 的两点衰落模型引入遮挡概率，并推导得到的信道 PDF h_k。
• 将整体信道表示为 h_k = h_p_k h_o_k 并推导其 CDF/PDF。
• 使用渐近分析（MGF 与泰勒展开）在 IM/DD、OOK 下获得单分支和多分支系统的 BER 与中断表达式。
• 对多分支进行最大比合并（MRC），SNR 为 γ = ∑ α_k^2 γ_k，并给出高信噪比下的功率分配洞察。

实验结果

研究问题

• RQ1 束偏斜、RIS 表面偏斜与障碍概率如何影响光学信道衰落及接收性能？
• RQ2 单分支与多分支 RIS-辅助 OWC 系统的信道系数、BER 与中断的闭式表达式是什么？
• RQ3 增加更多智能信道如何影响中断概率与 BER，是否存在边际效用递减？
• RQ4 在高信噪比下对多分支配置的功率分配策略如何优化性能？

主要发现

• 研究推导出包含冲击分量的信道衰落闭式 PDF，导致不可消除的错误率与中断阈值。
• 使用光学 RIS (ICRN) 的多分支配置在性能上优于单直通路径，降低中断概率。
• 增加智能信道数量可以带来性能提升，但随着通道数量的增加收益递减。
• 提出了在高信噪比下多分支系统的最优功率分配方案。
• 数值结果验证在所考虑的损伤条件下分析 PDF、BER 与中断表达式的正确性。