Performance Analysis of Hybrid FSO Systems Using FSO/RF-FSO Link Adaptation
Loading...
Date
2018-05-16
ORCID
Advisor
Referee
Mark
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
IEEE
Altmetrics
Abstract
Free-space optical (FSO) links are considered as cost-effective, non-invasive alternative to fiber optic cables for 5G cellular backhaul networking. For FSO based backhaul networks we propose an additional millimeter-wavelength (MMW) radio-frequency (RF)-FSO link, used as a backup. Uninterrupted and reliable network connection is possible by switching between primary FSO link and the secondary RF-FSO link; when the primary link is under atmospheric turbulence, the secondary link maintains connectivity as the MMW RF link exhibits complementary characteristics to atmospheric effects. In order to analytically assess the improvement, we also derive concise mathematical expressions for different performance metrics like outage probability, average bit error rate (BER) and capacity. Our results demonstrate that FSO/RF-FSO topology performs better than a single FSO link in terms of outage probability and BER. The dual-hop mixed RF-FSO link is realized with an amplify and forward (AF) relay that adapts an average power scaling (APS) strategy. The irradiance fluctuations in the FSO links are modeled by gamma-gamma distribution assuming strong atmospheric turbulence while it is assumed that the RF link experiences multipath Rayleigh fading. For switching between links a single FSO threshold is considered first, followed by a dual FSO threshold to prevent unnecessary switching.
Spoje komunikující volným prostorem (FSO) jsou považovány za nákladově efektivní neinvazivní alternativu k optickým kabelům pro 5G síť. Pro páteřní sítě založené na FSO jsou v práci navrženy radiofrekvenční (RF)/FSO spoje v pásmu milimetrových vln (MMW), které se používají jako záloha. Nepřetržité a spolehlivé připojení k síti je možné přepnutím mezi primárním spojem FSO a sekundárním spojem RF-FSO. Pokud je primární spoj ovlivněn atmosférickou turbulencí, sekundární propojení udržuje konektivitu, protože MMW RF linka vykazuje komplementární vlastnosti vůči atmosférickým vlivům. Abychom analyticky zhodnotili zlepšení spolehlivosti, prezentujeme matematické výrazy pro různé metriky komunikačních vlastností, jako je pravděpodobnost výpadku, průměrná chybovost chyb (BER) a kapacita. Naše výsledky ukazují, že topologie FSO/RF-FSO má lepší vlastnosti než jedno spojení FSO, pokud jde o pravděpodobnost výpadku a BER. Dual-hop smíšené spojení RF-FSO používá zesílení na základě strategie APS (average power scaling). Kolísání záření za předpokladu silné atmosférické turbulence je v FSO modelováno gama-gama rozdělením, a předpokládá se, že RF spoj vykazuje víceúrovňový Rayleighův únik. Pro přepínání mezi spoji je nejprve uvažována jedna prahová hodnota FSO, následovaná dvojitým prahem FSO, aby se zabránilo zbytečnému přepínání.
Spoje komunikující volným prostorem (FSO) jsou považovány za nákladově efektivní neinvazivní alternativu k optickým kabelům pro 5G síť. Pro páteřní sítě založené na FSO jsou v práci navrženy radiofrekvenční (RF)/FSO spoje v pásmu milimetrových vln (MMW), které se používají jako záloha. Nepřetržité a spolehlivé připojení k síti je možné přepnutím mezi primárním spojem FSO a sekundárním spojem RF-FSO. Pokud je primární spoj ovlivněn atmosférickou turbulencí, sekundární propojení udržuje konektivitu, protože MMW RF linka vykazuje komplementární vlastnosti vůči atmosférickým vlivům. Abychom analyticky zhodnotili zlepšení spolehlivosti, prezentujeme matematické výrazy pro různé metriky komunikačních vlastností, jako je pravděpodobnost výpadku, průměrná chybovost chyb (BER) a kapacita. Naše výsledky ukazují, že topologie FSO/RF-FSO má lepší vlastnosti než jedno spojení FSO, pokud jde o pravděpodobnost výpadku a BER. Dual-hop smíšené spojení RF-FSO používá zesílení na základě strategie APS (average power scaling). Kolísání záření za předpokladu silné atmosférické turbulence je v FSO modelováno gama-gama rozdělením, a předpokládá se, že RF spoj vykazuje víceúrovňový Rayleighův únik. Pro přepínání mezi spoji je nejprve uvažována jedna prahová hodnota FSO, následovaná dvojitým prahem FSO, aby se zabránilo zbytečnému přepínání.
Description
Citation
IEEE Photonics Journal. 2018, vol. 10, issue 3, p. 1-18.
https://ieeexplore.ieee.org/document/8360015
https://ieeexplore.ieee.org/document/8360015
Document type
Peer-reviewed
Document version
Published version
Date of access to the full text
Language of document
en