[论文解读] Temporal CSI Correlation in Mixed RF/FSO Cooperative Relaying Systems Under Joint Effects of HPA Nonlinearities and IQ Imbalance

Elyes Balti, Neji Mensi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2021

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用 7

一句话总结

本文分析了在高功率放大器（HPA）非线性（SEL 和 TWTA）与IQ不平衡联合影响下，混合射频/自由空间光（FSO）协作中继系统中时间相关信道状态信息（CSI）的相关性。在信道状态信息过时的情况下，推导了中断概率和遍历容量的表达式，结果表明：尽管在高信噪比（SNR）下，信道非线性导致不可消除的中断地板和容量上限，但具有多中继的混合RF/FSO系统由于具有更高的分集增益和更强的鲁棒性，其性能仍优于传统RF系统。

ABSTRACT

In this paper, we present the performance analysis of mixed RF/FSO system with multiple relays. To select the best relay, we adopt partial relay selection with outdated CSI wherein we investigate the effect of the temporal correlation of the channels. Unlike the vast majority of work, we introduce the impairments to the relays and the destination and we compare the performance against conventional RF relaying systems. We further derive the expressions of the outage probability and the ergodic capacity as well as the bounds to unpack engineering insights into the system robustness.

研究动机与目标

• 分析过时CSI中时间相关性对混合RF/FSO协作中继系统的影响。
• 研究中继端HPA非线性（SEL和TWTA）与接收端IQ不平衡对系统性能的联合影响。
• 在硬件受限条件下，比较所提出的混合RF/FSO系统与传统RF中继系统的性能。
• 推导中断概率和遍历容量的闭式表达式，以量化系统的鲁棒性和性能极限。
• 评估时间相关性及中继选择等级对在CSI不完美条件下频谱效率和可靠性的影响。

提出的方法

• 采用包含N个放大转发（AF）中继的混合RF/FSO协作中继系统，并基于过时CSI实施部分中继选择（PRS）。
• 使用两种非线性放大器模型对中继端HPA非线性进行建模：软包络限幅器（SEL）和行波管放大器（TWTA）。
• 将接收端IQ不平衡建模为FSO链路中相位和幅度失真的来源。
• 利用广义Meijer G函数表示和统计信道模型（如FSO的Gamma-Gamma衰落）推导中断概率和遍历容量。
• 通过相关系数ρ引入信道状态信息在选择时刻与传输时刻之间的时序相关性。
• 通过顺序统计和期望运算进行数学分析，推导出性能指标的闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 HPA非线性（SEL与TWTA）如何影响具有过时CSI的混合RF/FSO协作系统中的中断概率和遍历容量？
• RQ2 接收端IQ不平衡对系统频谱效率和可靠性有何影响？
• RQ3 中继选择时刻与传输时刻之间CSI的时间相关性（ρ）如何影响部分中继选择中的系统性能？
• RQ4 在硬件受限条件下，具有多个中继的混合RF/FSO系统相较于传统RF中继系统，其性能提升程度如何？
• RQ5 在高SNR下，硬件非线性对系统性能极限（中断地板与容量上限）有何影响？

主要发现

• HPA非线性在高SNR下引入了不可消除的中断地板，其中TWTA模型导致的性能退化远甚于SEL模型。
• 由于硬件非线性，遍历容量在高SNR下受到限制，形成‘容量上限’，从而限制了频谱效率的增益。
• 当时间相关性较高（ρ ≈ 1）时，更高的中继选择等级（m）可提升性能，因为过时的CSI仍具准确性；但当ρ ≈ 0时，更高的m反而导致性能下降，因CSI不可靠。
• 具有多个中继的混合RF/FSO系统在低SNR下相比传统RF中继系统表现出更低的中断概率和更高的频谱效率，主要得益于更高的分集增益。
• 通过10⁶次蒙特卡罗仿真验证了中断概率和遍历容量的推导表达式，仿真结果与理论分析高度一致。
• FSO分集增益和多中继结构增强了系统的鲁棒性，相比仅使用RF的传统系统，能更有效地缓解硬件非线性带来的影响。