A New Framework for Precise Performance Analysis of Mixed RF/FSO Relaying Schemes Employing both HD & IM-DD Receivers

A New Framework for Precise Performance Analysis of Mixed RF/FSO Relaying Schemes Employing both HD & IM-DD Receivers. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Haj_signed_stampedprint.pdf
Restricted to Repository staff only until 17 June 2021.

Download (1MB)

Arabic Abstract

هذه الرسالة تقدم تحليل دقيق لاداء نظام الترحيل اللاسلكي المبني على فك التشفير ثم اعادة الارسال ذو المرحلتين المخلط من الترددات الراديوية والترددات البصرية. في هذة الدراسة يتم بصورة تحليلية موحدة اعتبار كل من الكشف المتسق والكشف المباشر لشدة الاضاءة المعدلة في استقبال اشارات الضوء. لتحليل هذا النظام نقوم باشتقاق الصيغ الرياضية لكل من: احتمال الانقطاع، ومتوسط معدل الخطأ في استقبال البيانات الثنائية، والسعة الارقودية لقناة النظام. هذة الاشتقاقات مبنية على افتراض نمازج عامة للخبو. في هذة الدراسة التحليلية يتم -لاول مرة حسب علمنا- إستعمال نتائج دقيقة لسعة القناة الضوئية. علاوة على ذلك هذة هي المرة الاولى التى يعتبر فيها نموذجيين لقناة الكشف المباشر لشدة الاضاءة المعدلة. BERايضا في اشتقاق ال ليست كل انواع 􀔽􀔲 رسال يمكن ان يكونا مختلفين، وهذا مهم 􀔽􀔲 نقوم بافتراض ان نوعي التعديل في مرحلتي التعديل مناسبة لوص هتمام 􀕏􀕄 ت جديدة -لم يتم نشرها- عن درجة التنوع وكسب التشفير لهذا النظام. ومن المثير ل 􀕏􀕄 هذا الفحص يظهر تحلي .(high SNRs) الى الضجيج التى تم دراستها- تؤدي الى نفس درجة التنوع في - FSO رسال العالية، أن جميع كاشفات اشارات ال 􀔽􀔲 عند قدرات ا ،FSO أننا نجد في وصلة ال رقودية في حالة 􀔽􀔲 نجد ان معامل الدالة اللوغريثمية للسعة إ ،FSO رسال العالية، في وصلة ال 􀔽􀔲 حين ان كسوب تشفيرها مختلفة. ايضا عند قدرات ا إضافة .IM-DD cost-dependent بينما يساوي ضعف نظيره في حالة ال ،IM-DD input-independent يساوي نظيره في حالة ال HD ال ذات القدرة AWGN رقودية للنظام عند استخدام صيغة شانون المشهورة لسعة قناة ال 􀔽􀔲 نقطاع و السعة إ 􀔽􀔲 لذلك يتم عرض الخطأ في تقدير احتمال ا خيرة. و يؤدي هذا الخطأ في التقدير إلى صورة مغلوطة عند مقارنة ادائي 􀕏􀕄 من السعة التقريبية الدقيقة ل 􀔽􀔲 بد IM-DD AWGN المحدودة لقناة ال وة على ذلك يتم تقديم نتائج محاكاة لهذا النظام والتي بها نتحقق من صحة التعبيرات التحليلية الدقيقة والتقريبية التي 􀕏􀕄 ع .IM-DD و ال HD ال تم الحصول عليها. ولى هي قناة ترددات راديوية 􀔽􀔲 ول مرة حسب علمنا. في ذلك النظام المرحلة ا 􀔽􀔲 سلكي اخر تتم دراسة ادائه في هذه الرسالة و 􀔽􀔲 هنالك نظام ترحيل يتم (FSO) ذات تداخل مرصوف، بينما المرحلة الثانية هي قناة ترددات بصرية (MIMO) ت و المخرجات 􀕏􀕄 متعددة المدخ (IC) مشوشة (RF) في مرحلة (IA) ستفادة من تقنية رصف (محاذاة ) التداخل 􀔽􀔲 بطريقة تحليل موحدة. و في هذا العمل تتم ا IM-DD و ال HD فيها اعتبار كل من ال رسال في تلك المرحلة، و تبعا لذلك يتحسن اداء النظام 􀔽􀔲 للقضاء على التداخل (التشويش) و بالتالي تحسين كسب تعدد إ MIMO RF IC ال .OR-ML يتم باستخدام خوارزمية IA ككل. تصميم مصفوفة ما قبل التشفير -في المرسل- و مصفوفة التخلص من التداخل -في المستقبل- لتقنية ال في حين Rayleigh تتبع الخبو MIMO RF ت ال 􀕏􀕄 نقوم بافتراضٍ ان وص (IA MIMO RF IC) / (FSO) في هذا النظام للترحيل المخلط من بالنسبة لهذا النظام يتم اشتقاق الصيغ الرياضية .Málaga (M) turbulence with pointing error تواجه الخبو FSO نفترض ان وصلة ال وة على ذلك يتم 􀕏􀕄 ع .FSO ستفادة من ادق النتائج -المعروفة حاليا- لسعة قناة ال 􀔽􀔲 رقودية، و في هذة الصيغ تتم ا 􀔽􀔲 نقطاع و السعة إ 􀔽􀔲 حتمال ا 􀔽􀔲 ضافة 􀔽􀔲 شتقاقات. بإ 􀔽􀔲 في هذة ا IM-DD cost-dependent AWGN و قناة ال IM-DD input-independent AWGN اعتبار كل من قناة ال حيث يتم تحليل ،(high SNRs) شارة الى الضجيج 􀔽􀔲 إلى ذلك تتم دراسة أداء هذا النظام بطريقة تقريبية دقيقة في حالة النسب العالية لمتوسط قدرة إ ت􀕏􀕄 على اداء النظام فان درجة التنوع تساوي مربع عدد مدخ RF درجة تنوع النظام و كسب تشفيره. و يظهر هذا التحليل انه عند سيطرة مرحلة ال على اداء النظام فان درجة التنوع تعتمد FSO . في المقابل فانه عند سيطرة مرحلة ال (d2) معلومات التردد الراديوي التي تم تنقيتها من التداخل “ عند سيطرة مرحلة d رقودية الكلية للنظام تتحسن بزيادة ” 􀔽􀔲 حظ أيضًا ان السعة ا 􀕏􀕄 ضطرابات الجوية و انحرافات التوجيه. من الم 􀔽􀔲 ت ا 􀕏􀕄 على معام ظهار صحة التعبيرات الرياضية الدقيقة و التقريبية المتحصل عليها. 􀔽􀔲 وة على ذلك نقوم بعرض نتائج محاكاة لهذا النظام 􀕏􀕄 على اداء النظام. ع RF ال (imperfect IA MIMO RF IC) / (FSO) سلكي -ذو المرحلتين- المخلط من 􀕏􀕄 من جهة اخرى يتم استكشاف التدهور في أداء نظام الترحيل ال يعني أنه لن يتم القضاء على التداخل تماما في هذه الحالة. بالنسبة لهذا النظام CSI إعتبار الخطأ في ال .(CSI) نتيجة للخطأ في معرفة حالة القناة لة 􀔽􀔲 رقودية بد 􀔽􀔲 و ايضا يتم اشتقاق الصيغة الرياضية للسعة إ ،Meijer و دالة Whittaker لة دالة 􀔽􀔲 نقطاع بد 􀔽􀔲 حتمال ا 􀔽􀔲 يتم اشتقاق الصيغة الرياضية يؤدي إلى عدم وجود أي تباين (يجعل درجة التنوع تساوي صفر) ويظهر ذلك CSI حظ ان الخطأ في ال 􀕏􀕄 ثنائية المتغيرات. و من الم Meijer دالة يسوء هذا الحد ،(high SNRs) شارة الى الضجيج 􀔽􀔲 نقطاع عند النسب العالية لمتوسط قدرة إ 􀔽􀔲 حتمال ا 􀔽􀔲 يتغير- 􀔽􀔲 في صورة وجود حد ادنى ثابت - يتغير- للسعة 􀔽􀔲 نجد ان هنالك سقفا -حد اعلى ثابت CSI “. ايضا تحت تاثير الخطأ في ال d او قلت ” CSI دنى كلما زاد الخطأ في ال 􀔽􀔲 ا يصبح هذا السقف اسوء كلما زاد عدد اشارات التشويش او قلت ،(high SNRs) شارة الى الضجيج 􀔽􀔲 رقودية عند النسب العالية لمتوسط قدرة إ 􀔽􀔲 إ .(d) ت معلومات التردد الراديوي المنقاة من التداخل 􀕏􀕄 او نقص عدد مدخ CSI دق

English Abstract

In this dissertation a precise performance analysis is provided for the dual-hop mixed radio frequency (RF)/unified free space optical (FSO) decode-and-forward (DF) relaying system, in which the heterodyne detection (HD) and the intensity modulation-direct detection (IM-DD) are considered in a unified analysis manner for FSO detection. To this end, we derive closed-form expressions for the outage probability, average bit error rate (BER), and the ergodic channel capacity of this system assuming generalized fading models, i.e., Nakagami-m and Málaga (M) turbulence with pointing error for the RF and FSO channels, respectively. In this analysis, we utilize, for the first time as per our knowledge, a precise channel capacity result for the IM-DD channel. Moreover, this is the first time that not only the IM-DD input-independent but also the IM-DD cost-dependent AWGN channel is considered in such system analyses. Also, in BER derivation, we assume that the modulation schemes in the two hops can be different, since not all modulation schemes are suitable for IM-DD FSO links. In addition, the system performance is investigated asymptotically at high signal to noise ratios (SNRs). This investigation leads to new non-reported coding gain and diversity order analyses of such system. Interestingly, we find that in the FSO hop, at high transmitted powers, all the considered FSO detectors result in the same diversity order, whereas their coding gains are different. Also, at high transmitted powers, we find that, in the FSO hop, the ergodic capacities pre-logs for HD and IM-DD input-independent are identical and equal twice the one of the IM-DD cost-dependent. Additionally, we show the overestimations which occur in the outage and ergodic capacity of the system when the well-known Shannon’s capacity formula for the power-constrained AWGN channel is used for IM-DD instead of its precise capacity approx. These overestimations lead to misconception in the comparison between HD and IM-DD. Furthermore, we provide simulation results for this system that verify the accuracy of the obtained analytical and asymptotic expressions. One more relaying scheme that its performance is studied, for the first time as per our knowledge, in this dissertation is the one in which the first hop is an interferencealigned multiple-input multiple-output (MIMO) RF interference channel (IC), while the second hop is an FSO channel in which HD as well as IM-DD are considered in a unified analysis manner. In this work, the Interference alignment (IA) technique is utilized in the MIMO RF IC hop to eliminate the interference, and hence this leads to enhance the multiplexing gain in this hop, and accordingly the overall system performance is improved. The design of the IA precoding matrix and receiving interference eliminating matrix is performed by using orthogonalized minimum leakage (OR-ML) algorithm. In this mixed (IA MIMO RF IC)/(FSO) relaying, it is assumed that the MIMO RF links follow Rayleigh fading, whilst the FSO link encounters Málaga (M) fading with pointing errors. For this scheme, exact closed-form expressions are derived for the outage probability and ergodic capacity, in these expressions the best-known FSO channel capacity results are utilized. Moreover, both the IM-DD input-independent AWGN and the IM-DD cost-dependent AWGN channel are considered in this derivation. In addition, the system performance is studied asymptotically at the high SNRs region, where the diversity order and coding gain analyses are illustrated. It is found that under RF hop domination, the diversity order equals the square of the number of the interference-eliminated RF info streams ( d2). Alternatively, under FSO hop domination, the diversity order depends on the parameters of the atmospheric turbulences and pointing errors. Also, It is observed that the overall system ergodic capacity enhances by increasing “d” when the RF hop dominates the system. Further, we allocate simulation results for this scheme that verify the deduced analytical and asymptotic expressions. Furthermore, we explore the performance deterioration in the dual hop mixed (imperfect IA MIMO RF IC)/(FSO) relaying due to the consideration of the imperfect channel state information (CSI). Considering imperfect CSI means that the interference will not be totally eliminated in this case. For this scheme, closed-form expressions are derived for the outage probability in terms of Whittaker and Meijer functions and for the ergodic capacity in terms of the bivariate Meijer’s G-function. It is found that imperfect CSI results in zero diversity order causing a floor in the outage probability at high SNRs. This floor worsen with either the reduction in the CSI accuracy, or the decrement in “d”. Also under imperfect CSI, It is found that there is a ceil in the ergodic capacity at high SNRs, this ceil becomes worse with more interferers or when the CSI accuracy or the number of RF info streams (d) decreases.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Electrical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Electrical Engineering Dept
Committee Advisor: Zummo, Salam
Committee Members: Zerguine, Azzedine and Alghadhban, Samir and Alouini, Mohamed-Slim
Depositing User: OMER ELHAG (g201207580)
Date Deposited: 18 Jun 2020 10:12
Last Modified: 23 Jun 2020 11:10
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141627