بررسی عملکرد سامانه‌های ترکیبیFSO/RF با استفاده از توزیعℳ وتابع مارکوف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی برق، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی کامپیوتر، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

3 استادیار، دانشکده مهندسی برق، مکانیک و کامپیوتر، دانشگاه ایوانکی، سمنان، ایران

4 استادیار، دانشکده مهندسی برق، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران

چکیده

در پدافند غیرعامل امنیت ارتباطات بسیار مهم است. مخابرات نوری فضای آزاد  (FSO)دارای مزایای زیادی نظیر امنیت و پهنای باند است. اما بسیار تحت تأثیر تلاطم اتمسفری است. برای کاهش این اثرات در کارایی مخابرات FSO روش­هایی پیشنهاد شده‌اند، مانند ارسال با نرخ وفقی (AR) و درخواست تکرار خودکار (ARQ). در این مقاله کارایی یک سامانه ترکیبی ­FSO/RF با طرح چند لایه و ارسال نرخ وفقی و درخواست تکرار خودکار تحت شرایط مختلف اتمسفری با استفاده از مدل ℳ برای کانال نوری مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند. برای دو طرح (چند لایه با  AR و  ARQاستاندارد و چند لایه با  AR ­وARQ  و با ترکیب فریم­ها) معیار­های راندمان طیفی، متوسط عدد انتظار ارسال و نرخ‌ عبور از سطح (LCR) مورد مقایسه قرار گرفته‌اند. نتایج شبیه‌سازی نشان می­دهند در نرخ ارسال اول، ­80 LCR=است که در نسبت ‌سیگنال‌ به‌ نویز (SNR) برابر ­dB­6 و ­dB­­2­ به ترتیب برای طرح­های اول و دوم رخ می‌دهد. همچنین در راندمان طیفیbits/sym.  ­­5/3 و در سطح اصرار برابر 2 به ترتیب برای طرح اول و دوم در SNR برابر ­dB­25 و ­dB­­20 رخ می­دهد؛ که نشان‌دهنده مزیت طرح دوم نسبت به طرح اول است. اگرچه برای به‌دست آوردن مزایای فوق نیاز به صرف هزینه بیشتر می‌باشد. به‌طور مثال در SNR برابر ­dB­­20، متوسط عدد انتظار ارسال در طرح اول 00057/1 و در طرح دوم برابر 35/1 است که نشان دهنده مصرف انرژی بالاتر طرح دوم است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Performance Analysis of Hybrid FSO/RF Systems Using the ℳ Distribution and Markov Function

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Aghaei 1
  • Ali Mohammad Afshin Hemmatyar 2
  • Abolfazl Chamanmotlagh 3
  • Majid Fouladian 4
1 PhD student, Faculty of Electrical Engineering, Saveh Branch, Islamic Azad University, Saveh, Iran
2 Assistant Professor, Faculty of Computer Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
3 Assistant Professor, Faculty of Electrical, Mechanical and Computer Engineering, Ivanki University, Semnan, Iran
4 Assistant Professor, Faculty of Electrical Engineering, Saveh Branch, Islamic Azad University, Saveh, Iran
چکیده [English]

In passive defense, communication security is very important. Free space optic (FSO) communication has a lot of advantages such as high security and high bandwidth, but it suffers from atmospheric turbulence. For the mitigation of this effect on FSO performance, some methods have been proposed, such as adaptive rate (AR) transmission and automatic repeat request (ARQ). In this paper, the performance of hybrid multi-layer design FSO/RF systems with AR transmission and ARQ, in different atmospheric turbulence conditions is evaluated using the ℳ distribution model for the optical channel. For two designs (namely multi-layer with AR and standard-ARQ, and multi-layer with AR and frame combining ARQ), the spectral efficiency (SE) criteria, the average expected number (AEN) and the level crossing rate (LCR) have been compared. The simulation results show that at the first transmission rate, the maximum LCR= 80, occurs at SNRs 6dB and 2dB, for the first and second designs, respectively. Also, at average spectral efficiency (3.5 bits /sym) and at the persistence level k=2, the maximum LCR= 80 occurs at the SNRs equals to 25dB and 20dB, for the first and second designs, respectively; which shows the advantages of the second design over the first, although these advantages are achieved at higher costs. For example, when SNR equals to 20 dB, the average expected number is 1.00057 in the first and 1.35 in the second design, which indicates the higher energy consumption of the second design.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hybrid FSO/RF
  • ℳ Distribution
  • Level Crossing Rate
  • Spectral Efficiency
  • Expected Number of Transmissions

Smiley face

مراجع

[1]    M. H. Tavazeh, I. Kouroshian, and A. Rouhi Qadiklayi, "Study of Free Space Optical Communication Systems as a Secure Communication System in Crisis Conditions," National Conference on Passive Defense in Science and Engineering with Emphasis on Camouflage, Concealment, Passive Defense Organization of the Country, FebruARy 20, 2014 (In Persian).
[2]    M. Feizi and A. Chaman Motlagh, "Simulation of Optimal FSM Algorithm in Automatic Tracking Systems for Stabilizing Secure Links of Free Space Optical Communications," Scientific-ReseARch Journal Electronic and CyBER Defense, Second YeAR, No.1, Spring 2014, pp. 61-69 (In Persian).
[3]    H. R. Khodadadi, M. H. Ghezeliagh, H. Khaleghi Bizaki, and A. Chaman Motlagh, “Reducing the Effects of AiRFlow Turbulence on Free Space Optical Communications by Using Space-Time Codes Based on Structure Several Sources,” Scientific-ReseARch Journal of Passive Defense Sciences and Technologies, Fourth YeAR, No. 3, Fall 2013, pp. 231-237 (In Persian).
[4]    K. Prabu and S. ThakkAR, “Analysis of FSO Link with Time Diversity over 𝑀-distribution Channel Model with Pointing Errors and GVD Effects,” Elsevier, Optics Communications 421, pp. 115–124, 2018.
[5]    O. M. S. Al-Ebraheemy, A. M. Salhab, A. Chaaban, S. A. Zummo, and M. S. Alouini, “Precise PeRFormance Analysis of Dual-Hop Mixed RF/Unified-FSO DF Relaying with Heterodyne Detection and Two IM-DD Channel Models,” IEEE Photonics Journal, IWCMC, vol. 11, [M1] no. 1, 2017.
[6]    K. O. Odeyemi, P. A. Owolawi, and V. M. Srivastava, “A CompARison  between Mathematical Tools for Analyzing FSO Systems over Gamma-Gamma Atmospheric Channel,” IEEE Africon, Proceedings,  978-1-5386-2775-4/17, 2017. 
[7]    J. Balsells, F. MARtinez, M. Vazquez, A. Navas, and A. NotARio, “PeRFormance Analysis of FSO Communications under LOS Blockage,” Optics Express, Vol. 25, No. 21, [M2] 2017.
[8]    M. A. Khalighi, M.Uysal, “Survey on Free Optical  Communication: A Communication Theory  Perspective,” IEEE Communication Surveys & Tutorials, vol. 16, no. 4, 2231–2258, 2014.
[9]    N. Cherif, I. Trigui, and S. Affes, “Dual-Hop Málaga-M FSO Systems with Pointing Errors,” IEEE, 28 Anuual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications,[M3]  2017.
[10]  K. O. Odeyemi and P. A. Owolawi, “Impact of Transmission Techniques in Asymmetric RF/FSO System over Nakagami and Gamma Fading Channels with Pointing Errors,” John Wiley & Sons, pp. 1 -20, 2018.
[11]   M. Z. Hassan, M. J. Hossain, J. Cheng, and V. Leung, “Delay-QoS-AwARe Adaptive Modulation and Power Allocation for Dual-Channel Coherent OWC,” Journal of Opt. Commun. Netw, [M4] vol. 10, no. 3, pp. 131-151, [M5] 2018.
[12]  ­M.­ R. ­Aghaei, A. M. A. HemmatyAR, A. Chamanmotlagh, and M.  Fouladian, “Analysis of Adaptive Multi-Rate FSO/RF Hybrid Systems Using Málaga-ℳ Distribution Model in Turbulent Channels,” Journal of Modern Optics, vol. 67, [M6] no. 13, pp. 1159-1169, 2020.
[13]  A. Jurado-Navas, J. M. GARrido-Balsellss, J. F. PARis, and A. Puerta-NotARio,  “A Unifying Statistical Model for Atmospheric Optical Scintillation,” Numerical Simulations of Physical and Engineering Processes, Chapter 8, pp. 181-206, 2011. 
[14]  S. ShARma, A. S. MadhukumAR, and R. Swaminathan, “Switching-Based Hybrid FSO/RF Transmission for DF Relaying System,”­ IEEE­, WCNC, 978-1-5386-1734-2/18, 2018. 
[15]  V. V. Mai and A. T. Pham, “Adaptive Multi-Rate Designs For Hybrid FSO/RF Systems Over Fading Channels,” in Proceeding of IEEE GLOBECOM WS-OWC, pp. 554–559, 2014.
[16]  H. D. Le, V. V. Mai, C. T. Nguyen, and A. T. Pham,        “Sliding Window Protocols with Rate Adaptation for FSO Burst Transmission over Turbulence Channels,” IEEE, 978-1-5386-5041-7/18, pp.821–826,  2018. 
[17]   I. Trigui, N. Cherif, S. Affes, X. Wang, V. Leung, and A. S. Ephenne, “InteRFerence-Limited Mixed M´alaga-M and
[18]  Generalized -K Dual-Hop FSO/RF Systems,” NSERC, IEEE, 978-1-5386-3531-5/17, 2017. 
[19]  V. V. Mai and A. T. Pham, “Cross-Layer Designs And Analysis of  Adaptive-Rate Transmission and ARQ for Free-Space Optical Communications,” IEEE Photonics Journal, , vol. 3, [M7] no. 1, pp. 1-90, 2016.
[20]  J. Mo, “PeRFormance Modeling of Communication Networks with MARkov Chains,” Synthesis Lectures on Data Management, vol. 3, no. 1, pp. 1–90, 2010.
[21]  Ch. T. Nguyen, H. D. Le, and V. V. Mai, “A Cross Layer Analysis of TCP/link Adaptation Technologies over Free-space Optical Links with MARkov Error Model,” Springer, Photonic Network Communications, pp. 279–288, 2018.
[22]  H. D. Le, C. T. Nguyen, V. V. Mai, N. T. Dang, and A. T. Pham, “On the PeRFormance of TCP Cubic over Fading Channels with AMC Schemes,” IEEE, 978-1-5386-2896-6/17, International Conference on Advanced Technologies for Communications, 2017.
[23]  N. Cherif, I. Trigui,  and S. Affes, “Dual-hop M´alaga-ℳ FSO Systems with Pointing Errors,” NSERC, IEEE, 978-1-5386-3531-5/17, 2017.
پدافند الکترونیکی و سایبری
دوره 10، شماره 2 - شماره پیاپی 38
شماره پیاپی 38، فصلنامه تابستان
مهر 1401
صفحه 1-10

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 29 آبان 1399
  • تاریخ بازنگری: 05 مرداد 1400
  • تاریخ پذیرش: 10 مرداد 1400
  • تاریخ انتشار: 01 مهر 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار