[论文解读] Underwater Optical Communication System Relayed by $\alpha-\mu$ Fading Channel: Outage, Capacity and Asymptotic Analysis

Mohammed Amer, Yasser Al-Eryani|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用 7

一句话总结

本文提出了一种采用解码转发（DF）中继的双跳水下光学通信（UWOC）系统，其中光链路经历指数-广义伽马（EGG）衰落以建模水下湍流，而射频（RF）中继链路遵循广义α−µ衰落。在本振检测下，推导出中断概率、平均符号错误率（ASEP）和遍历容量的闭式表达式，结果表明：在弱湍流条件下，RF衰落主导中断性能；而在严重条件下，光学湍流主导性能，从而在有利条件下实现Gbps量级的高速率通信。

ABSTRACT

We investigate underwater optical communication system that is relayed by a single decode-and-forward (DF) relay through an exponential-generalized Gamma distribution (EGG) into a final destination. Specifically, a certain terminal device sends data through underwater wireless optical link (UWO) that utilizes the so-called blue laser technology into a nearby relay that in term sends a decoded (and modulated) version of the received signal into a remote destination. The RF link is assumed to follow the generalized $\alpha-\mu$ distribution; which include many distributions as a special cases, e.g., Rayleigh. In the other hand, the UWO link is presumed to follow the state-of-art Exponential-Generalized Gamma distribution (EGG) which was recently proposed to model the underwater optical turbulence. Closed-form expressions of outage probability, average error rate and ergodic capacity are derived assuming heterodyne detection technique (HD). Also, asymptotic outage expression is obtained for more performance insights. Results show that high achievable rate is obtained for high-speed underwater communication systems when turbulence conditions underwater are relatively weak. In addition, the RF link is dominating the outage performance in weak optical turbulence while UWO link is dominating the outage performance in severe optical turbulence.

研究动机与目标

• 为解决现有UWOC系统假设对数正态衰落且无法准确建模水下光湍流的问题。
• 分析一种混合UWO/RF中继系统，其中光链路采用新型EGG分布来建模由气泡、盐度和温度变化引起的湍流。
• 在本振检测下，推导关键性能指标——中断概率、ASEP和遍历容量的闭式表达式。
• 研究高信噪比（SNR）下的渐近中断行为，以获得更深入的性能洞察。
• 评估系统参数（如α−µ衰落参数、水体类型和气泡浓度）对整体系统性能的影响。

提出的方法

• 采用指数-广义伽马（EGG）分布建模源节点到中继节点（U→R）链路，以捕捉由盐度、温度和空气泡引起的水下光湍流。
• 采用广义α−µ衰落分布建模中继节点到目的地（R→D）链路，该分布包含瑞利、莱斯（Nakagami-m）和威布尔分布等作为特例。
• 利用端到端信噪比（SNR）的累积分布函数（CDF），推导出端到端中断概率的精确闭式表达式。
• 在本振检测下，假设采用M-ary PPM调制，推导出平均符号错误率（ASEP）的闭式表达式。
• 利用SNR的概率密度函数的Meijer G函数表示，推导出遍历容量的闭式表达式。
• 在高信噪比下进行渐近中断分析，以识别分集增益和编码增益，揭示主导衰落链路的行为特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统的对数正态衰落相比，EGG衰落模型在UWOC系统性能分析中如何提升准确性？
• RQ2 在EGG和α−µ衰落条件下，采用DF中继的双跳UWOC/RF中继系统的精确中断概率是多少？
• RQ3 α−µ和EGG分布的参数如何影响系统的中断和误码性能？
• RQ4 在高信噪比下，中断概率的渐近行为如何？在不同湍流条件下，哪条链路（光链路或RF链路）主导系统性能？
• RQ5 空气泡和水体盐度等环境因素如何影响系统的可达数据速率和可靠性？

主要发现

• 在弱水下光湍流（UOT）条件下，RF链路主导中断性能；而在严重UOT条件下，UWO链路主导性能，原因在于其分集阶数不同。
• 在弱湍流条件下，系统可实现高数据速率（Gbps量级）且编码损耗极小，表明其在高速水下通信中具有巨大潜力。
• 渐近中断表达式表明，分集增益由两跳分集阶数的最小值决定，而编码增益取决于衰落参数。
• 在弱UOT和有利的α−µ参数条件下，Nakagami-m RF信道的ASEP性能最佳，而指数分布RF信道性能最差。
• 降低空气泡浓度可显著改善平均符号错误率（ASEP）并提高遍历容量，表明水体透明度对系统性能至关重要。
• 推导出的中断、ASEP和容量的闭式表达式在数学上易于处理，适用于包括咸水和淡水在内的多种UWOC场景。