АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ГИБРИДНОЙ РАДИООПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С РЕТРАНСЛЯТОРОМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.25987/^Ти.2020Л6Л.012 УДК 621.396

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ГИБРИДНОЙ РАДИООПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

С РЕТРАНСЛЯТОРОМ

Р.П. Краснов1, А.В. Бобровников2

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия

Аннотация: гибридные радиооптические системы связи по атмосферным каналам являются перспективным решением для беспроводной передачи данных с высокой скоростью. Предложена новая схема коммутации для гибридной системы связи по открытому каналу, включающая атмосферные оптические линии связи и радиочастотные каналы с применением ретранслятора, использующего алгоритм декодирования с пересылкой. При такой организации системы передачи данных существует канал прямой видимости между узлами источника и назначения, в оконечном пункте предполагается использование схемы селективного объединения. В частности, система передает по атмосферному оптическому каналу, пока мгновенное отношение сигнал/шум оптического приемника превышает установленное пороговое значение. Если оно падает ниже порога, система переключает передачу данных на радиоканал. При описании статистики оптического и радиочастотного каналов использованы логнормальное и т-распределение Накагами соответственно. В статье приводятся готовые выражения интегральных функций вероятности и функций плотности вероятности для каналов обоих типов, а также вероятности отказа в каждом из каналов и системы в целом. Кроме того, с использованием функции интегрирования МАТЬАВ выполняется оценка средней вероятности битовых ошибок предложенной системы связи. Для подтверждения эффективности предложенной схемы коммутации произведено сравнение качества связи гибридной системы с каналом атмосферной оптической связи

Ключевые слова: гибридная система, атмосферная оптическая линия связи, радиоканал, вероятность отказа, битовая ошибка

Введение

Атмосферные оптические линии связи (АОЛС) обеспечивают экономически эффективные альтернативы радиоканалу для сетей доступа последней мили, транспортных сетей мобильных операторов, резервные каналы оптоволоконных и других сетевых решений.

Эта технология обеспечивает беспроводную оптическую связь 10 Гбит / с в коммерческих системах. С появлением в настоящее время на рынке 10G Ethernet-коммутаторов технология АОЛС способна обеспечить многообещающий гигабитный доступ к Ethernet для корпоративных сетей или приложений с интенсивным использованием полосы пропускания (например, медицинских изображений, HDTV, для передачи больших файлов цифровых изображений или телекоммуникаций).

Технология АОЛС при использовании на мобильной платформе может развертываться в вооруженных силах, поскольку обеспечивает безопасную передачу информации на поле боя.

АОЛС, помимо указанных преимуществ, имеют и ряд недостатков. Рассеяние излучения, вызванное дождем, снегом и туманом, приводит к снижению пропускной способности си-

© Краснов Р.П., Бобровников А.В., 2020

стем [1]. Ухудшение качества связи АОЛС происходит и при колебаниях зданий в результате ветровых нагрузок и теплового расширения опорных конструкций [2]. Основной вклад в ухудшение качества связи дают замирания в канале из-за рассеяния и сцинтилляции. Затухание возникает и из-за неоднородностей показателя преломления в оптическом пучке, приводя к случайным флуктуациям амплитуды (и мощности) в приемнике [3] - [4].

Для преодоления таких ограничений для систем АОЛС были предложены методы помехоустойчивого кодирования [5] и методики пространственного разнесения по типу массива сигналов на входе и выходе (MIMO) [6] - [7]. Последние значительно улучшают пропускную способность систем в случае пространственно некоррелированных каналов. Пространственное разнесение систем MIMO преодолевает ухудшение характеристик, вызванное замираниями.

Из-за размера, стоимости и аппаратных ограничений беспроводное устройство не всегда может поддерживать несколько передающих антенн. Кроме того, наличие прямой видимости в условиях городской застройки получить не всегда легко. Чтобы преодолеть эти ограничения, была предложена разновидность пространственного разнесения, называемая разнесением с межпользовательским взаимодействи-

ем (user cooperation diversity) [8] - [9]. Изначально такой метод использовал преимущество широковещательной природы радиоканала, позволяя любому узлу (с одной антенной) совместно с прочими создавать виртуальный массив передачи и / или приема посредством распределенной передачи и обработки сигналов.

В АОЛС такой вид разнесения ввиду особенностей формирования оптических сигналов реализуется в виде топологии с ретрансляторами. Основная идея здесь заключается в том, что узлы формируют сигналы, поступающие в пункт назначения по независимым каналам, обеспечивая пространственное разнесение посредством внедрения ретрансляционного канала.

Например, ретрансляторы, которые принимают и транслируют сигналы между базовыми станциями и мобильными устройствами, могут использоваться для расширения зоны покрытия сотовых сетей.

Совместная передача может значительно улучшить качество связи, создавая разнесение с использованием антенн, доступных в других узлах сети. Было показано [8] - [9], что взаимодействие узлов является эффективным способом обеспечения разнесения в беспроводных сетях с замираниями.

Постановка задачи

На рис. 1 показана упрощенная модель такой системы, которая состоит из узла источника, ретранслятора и узла назначения, а передача данных происходит следующим образом. На первом этапе сигналы исходящего узла передаются соседним узлам, которые одновременно прослушиваются как узлом назначения, так и задействованными ретрансляционными узлами. На втором этапе ретрансляционный узел обрабатывает принятый сигнал и перенаправляет его на узел назначения. На узле назначения принимается несколько копий сигнала, прошедших через независимые каналы с замираниями, так что процесс объединения будет выполняться для принятого сигнала, как от источника, так и от ретранслятора. Следовательно, при совместной связи узел назначения может использовать дополнительную информацию от ретрансляторов, что приводит к улучшению качества декодирования. Хотя такая система дает улучшение пропускной способности, оптические сигналы по-прежнему подвергаются воздействию атмосферных каналов связи с замираниями. Для повышения качества связи многими авторами предложено совместное ис-

/

пользование радиочастотных (РЧ) и оптических каналов для объединения преимуществ обеих линий [1], [2], [5], [8]-[15], [17]-[19].

Ретранслятор

.XX

б-—-Ъ

Узел Узел

источника назначения

Рис. 1

В частности, каналы АОЛС имеют более высокую скорость передачи данных, чем радиочастотные, но страдают от атмосферных потерь. Канал РЧ является хорошим дополнением к АОЛС (хотя и значительно более узкополосным), поскольку РЧ малочувствительна к неблагоприятным для АОЛС погодным условиям. Например, сигналы АОЛС значительно ослабляются в плотном тумане, но практически нечувствительны к дождю, в то же время радиочастотные сигналы миллиметрового диапазона наоборот, нечувствительны к условиям тумана и в значительной мере ослабляются дождем [10].

Взаимодействие между радиочастотным каналом и АОЛС организуется различными способами, которые можно свести к трем типам. В первом случае осуществляется одновременная или параллельная передача по линиям РЧ и АОЛС идентичной информации за счет снижения скорости передачи данных по линии АОЛС [11]. Второй случай - это жесткое переключение, при котором линия РЧ или АОЛС выбирается в зависимости от условий передачи в атмосферном канале связи [12]-[13]. При этом требуется организация обратной связи от узла назначения к источнику, что усложняет систему в целом, хотя и обеспечивает более эффективную передачу по сравнению с первым типом. Третий тип - это мягкое переключение, при этом для линий РЧ и АОЛС кодирование выполняется совместно на основании анализа состояния атмосферного канала связи [14]. Наиболее универсальным представляется вариант жесткого переключения. Все рассмотренные варианты построения ограничены системой с одним переходом. В распределенных системах возможны различные комбинации указанных методов.

Работа ретранслятора в системе на рис. 1 может осуществляться по одной из двух схем: усиление и передача (УП) или декодирование и

передача (ДП). При этом важным условием получения расчетных соотношений является возможность организации связи в условиях прямой видимости между узлом источника и назначения.

Например, в [15] рассмотрена система, у которой канал РЧ работает с ретранслятором типа УП, а линия АОЛС работает без ретрансляции. Однако шум вместе с сигналом также усиливается, что является основным недостатком такой схемы ретрансляции.

В [16] исследованы гибридные системы, использующие схему ретрансляции ДП.

Несмотря на то, что системы связи, в которых применяется разнесение с межпользовательским взаимодействием, часто предлагаются именно как замена многоапертурным системам, например, в [17] рассмотрено построение гибридной системы АОЛС/РЧ с линиями РЧ источник-ретранслятор типа «один вход - множество выходов» (SIMO).

Ниже предложена схема коммутации гибридной радиооптической системы передачи, где линия АОЛС является основной, если мгновенное отношение сигнал / шум на входе приемника АОЛС превышает заданное пороговое значение. Если же оно падает ниже порогового уровня, задействуется линия РЧ. Информация об активной линии (РЧ или АОЛС) отправляется обратно в передатчик по линии обратной связи.

Анализ вероятности отказа и средней битовой ошибки выполняется для системы с ретранслятором типа ДП при наличии и отсутствии связи в пределах прямой видимости. В оптическом передатчике используется модуляция интенсивности на поднесущей, а в приемнике узла назначения используется метод прямого обнаружения для извлечения сигнала.

Далее будем рассматривать гибридную систему АОЛС/ РЧ, в которой каналы АОЛС и РЧ активируются с более высоким приоритетом для АОЛС.

Система с межпользовательским разнесением, состоящая из узла источника (И), ретранслятора (Р) и узла назначения (Н), показана на рис. 2. Линии передачи АОЛС и РЧ задей-ствуются с использованием механизма переключения при более высоком приоритете для АОЛС. Передача здесь может вестись двумя способами. При невозможности связи на участке прямой видимости И передает сигнал, который принимается и декодируется Р, а затем транслируется к Н. Если же связь на участке прямой видимости возможна, И передает сиг-

налы, которые принимаются Р и Н. Далее ретранслятор передает к Н декодированный сигнал, где для извлечения данных из пары сигналов от И и Р используется схема селективного объединения.

Ретранслятор (Р)

,'LÍL

Узел источника(И)

Линия обратной связи Рис. 2

Узел

назначения (Н)

Двоичные данные, поступающие к узлу источника, преобразуются в фазоманипулиро-ванный сигнал, который передается по линии АОЛС или РЧ.

Модель системы

В предлагаемой системе линия АОЛС использует передатчик с модуляцией интенсивности оптического сигнала и некогерентный приемник. Сигнал PSK модулируется с добавлением смещения по постоянному току, чтобы гарантировать неотрицательность. Интенсивность передаваемого оптического сигнала записывается как [18]

1АОЛС (0 = Рср [1 + МО], (1)

где Рср - средняя передаваемая оптическая мощность, а ц - индекс модуляции (0 <ы <1), выбираемый с расчетом избежать ограничения излучения, вызванного перемодуляцией.

Для случая со связью на участке прямой видимости принятые сигналы Р и И в случае передачи по линии АОЛС определяются как [1, 18]

$ИО — РсрЛмР ^ИРаИРкИРХ + ПИР ,

(2)

5аолс = р 2 2 2 а k x + n лин 1 сп'тнН-ш^-ш^ш^^ "И

Данные, передаваемые по линии АОЛС от Р к Н, представляются согласно

$рН — рс[ПРН М^наРНкРНх + пРН ,

где г) - эффективность оптоэлектронного преобразования в оптическом приемнике, а - ко-

эффициент затухания в канале за счет турбулентности, k - коэффициент передачи линии АОЛС, х - информационный сигнал со средней энергией на символ после оптоэлектрического преобразования Е^, х - данные, принятые Н, п -аддитивный белый гауссовский шум с нулевым средним.

Мгновенное уА°ЛС и среднее уУВЛС значение отношения сигнал/шум передатчика АОЛС определяется как [18]

= а ' (3)

Га

— АОЛС У АВ

РсрЛлВ ^АВЕЛлВ 2а1

—АОЛС получено для лог-

где АВ е {ИР, ИН, РН}.

Выражение для нормальной модели турбулентности в атмосферном канале при условии, что в системе АОЛС отсутствуют ошибки наведения. Коэффициент затухания аАВ имеет функцию плотности вероятности (ФПВ) [19], которую можно

записать в виде

Ра„(а) =

[1п(а) - 2т х ]2

4$жа

8а

(4)

где тх и ах есть среднее значение и дисперсия логнормального распределения соответственно [19]. Мгновенное отношение сигнал/шум линии АОЛС имеет следующую ФПВ:

ь| —аоолс

р ..аолс —ав

(У) = -

у132жах— Интегральная функция (ИФР) определяется как

(5)

распределения

F,

Уав

Л — ) = | р—тс

(—)а—=1 - 2 еФ

1п

—АОЛС I АВ

+ 8а;

(6)

При передаче по линии РЧ символы, принятые в Р и Н, моделируются, соответственно, как

(7)

= Ь„„х + п,А

Ь ыих + п т.

РЧ 1 *

^ РН = ЬРН х + ПРН ,

где ЬИР, ЬИН, ЬРН - коэффициенты передачи каналов с замираниями. Мгновенное значение отношения сигнал/шум любой РЧ линии может быть выражено как у™ = у^Ь^, где у рЧ - среднее значение отношения сигнал/шум радиочастотной линии, определенное как урЧ = Е!. /а2п.

ЬАВ - коэффициент передачи в радиочастотном канале с замираниями, имеющий матожидание т[Ь2В ], нормированное к единице. Вероятностные характеристики коэффициента передачи

РЧ каналов моделируется с использованием т -распределения Накагами. ФПВ величины —РЧ описывается гамма-распределением [1, 10] и имеет вид:

р—р1 (У) =

УАВ

(У) т

Г(т)

(8)

У АВ

где Г() - гамма-функция. ИФР величины определяется как

У 1 [ _ут| (9)

Р.

(у ) = 1Р у рч ( у Vу = .

0 —АВ Г(т)

У I m, —РЧ

У АВ ,

где —(•, •) - нижняя неполная гамма-функция.

Далее определим ФПВ и ИФР для гибридной системы АОЛС/РЧ.

Известно, что селективное объединение является простейшей из возможных схем. Среди сигналов ИН и РН при этом выбирается имеющий самое высокое значение отношения сигнал/шум. Следовательно, отношение сигнал/шум системы —Е определяется как у ^ = тах(у ИН, у РН). В случае передачи по каналу АОЛС, ИФН величины — АОЛС может быть получена в виде выражения

ру аолс ( — ) =

(

1--еИс

2

у

1п —олс .+ 8а

У ИН

р

уаолс (— ), г ирн

(10)

У аолс ( у )

у ирн

- ИФН величины отношения сиг-

где р

Уи

нал/шум в канале И-Р-Н, которая определяется наихудшими условиями передачи среди каналов И-Р и Р-Н, т.е. у ИН = тт(у

ИРН (

АОЛС АОЛС

, У РН ).

ру аолс ( У ) = 1 -

г ирн

— ет& 2

1П ^ОЛС .+ 8а

У ИР

(11)

х • — ет{с 2

1п

М

. + 8а"

— АОЛС1 х

ФПВ получается за счет дифференцирова-по у. В результате получаем

ния ИФН у °ОЛС

Р уолс ( У ) =

1 - — гг(с 2

1П—-—.+8ст;

1 -аолс ' х у ин

1п

—аолс

У ин

+ 8а,2

Р у аолс ( У ) +

/ирн

2 У

ру аолс ( у ), ирн

т у

т

е

2

а

1

х

1

7

х

7

1

е

где Руаолс (г)

- ФПВ величины отношения сиг-

нал/шум в канале И-Р-Н, которая определяется

как

РгАОЛС (У) — ,-- е

УирН Р2а1г

{«АР Н

фз2о1

Ыолс 1

Л/32^

2 У

1--ег/с

2

1--ег/С

2

а/^г

^Уош 1 +

Тщ )

(13)

1п

таолс т ир

■¡Ь2а:

+ 8а*

При передаче по каналу РЧ ИФР отношения сигнал/шум определяется следующим выражением

— г5от(-ТПгК, <14)

где р рч (т) - ИФН величины отношения сиг-

тирн

нал/шум в канале И-Р-Н, которая определяется наихудшими условиями передачи среди каналов И-Р и Р-Н, т.е. тИЧн — тп(тИЧ, тРНЧ )■

руГЧ (Т) — 1 -

г ирн

Тт

Т ИР

\ (

Г(т)

Тт

уРЧ

! РН

Г(т)

(15)

где Г(-, •) - верхняя неполная гамма-функция. ФПВ величины уррч получается за счет

дифференцирования ИФН уРЧ по у

1 I Тт \

рпч (Т)—гт г гиТМ + (16)

\ т - ту

т | ут-1 -црч

+ |^РИ е ТинРурч (Т),

(Тин ) Г(т) тичн

где р рч (у) определяется согласно (15), а

уирн

р (Т) - ФПВ величины отношения сиг-

г т аолс ) г ирн

нал/шум в канале И-Р-Н, которая выражается следующим образом:

Ртрч (т)--

у ирн

уИРЧ

ТРЧ

Г(т)

УРЧ г рн

т-1

у трч

1_о урн

Г(т)

л, т-1

ту-е У»

уРЧ.

Г(т)

ут-1

Г(т)1

1 I ут Т — Т| т,^рч Г(т) I Тт

1 | ут

Г(т) I Трч

(17)

Далее определим выражения вероятности отказа и средней битовой ошибки для предлагаемой системы передачи.

Отказ данной линии связи происходит, когда мгновенное значение выходного отношения сигнал/шум становится ниже предварительно определенного порога. При этом система может передавать по линиям АОЛС, если мгновенное отношение сигнал/шум линии АОЛС превышает пороговое значение та°лс . Если оно падает

ниже ТАОЛС, то система проверит мгновенное

I пор 7 А А

отношение сигнал/шум у РЧ-линии, и если последнее превышает пороговое значение урЧ, то

для передачи будет задействована линия РЧ. Если же полученные отношения сигнал/шум для каналов АОЛС и РЧ будут ниже соответствующих пороговых значений, система объявит событие «отказ».

Выражение для вероятности отказа определяется как

(18)

Р — р (ТАОЛС )р (ТРЧ) 1 о 1 ТАОЛСУ/ пор )1 Трч\I пор )■>

где ртаолс УПОС )и руг (тРЧр )определяются из (10) и (14) соответственно.

Величину средней битовой ошибки будем определять для квадратурной фазовой манипуляции (MPSK) в предположении, что каналы АОЛС и РЧ имеют одинаковую скорость передачи данных. Тогда условная вероятность битовой ошибки при передаче сигналов MPSK при мгновенном отношении сигнал/шум у на любой линии задается [1],

Р(е I У) = ет/с(4у sm(ж / М )л/1о§2 М ) (19) 1оБ2 М

Среднее значение величины битовой ошибки гибридной системы может быть определено исходя из средних битовых ошибок линий АОЛС и РЧ следующим образом:

Р

АОЛС / АОЛС ч р (..АОЛС \рРЧ /РЧ ч — -1 Е V пор )+ Т^ОЛС (/ пор КЕ (/ пор) (20)

Рб — ,

1 - Р

где Р0 определяется по (18), и р {у^) определяются из (10). Битовые ошибки для каналов АОЛС и РЧ, которые обозначены как РЕАОЛС у-) и рЕРЧ (урЧ) соответственно, определяются далее.

Среднее значение величины битовой ошибки при условии, что тЕ-олс > Тж^ , может

быть определено как

РАОЛС (уАОЛС ) — }р(е|у)РуАолс (т¥Т, (21)

уаолс

где Р(е | у) и р (у) рассчитываются согласно выражениям (19) и (12) соответственно.

АОЛс Г+8ст2

1

32 а

АОлс \+8а'2

1

е

г

г

1

е

Г

Г

т

т

т-1

т

7

т

+

т

т

т

т

Таким же образом зададим среднюю величину битовой ошибки для линии РЧ, когда

УрЧ > УрЧР зададим как

(22)

РеРЧ ( У РЧ) = 1 Р(е I У ) Р—ч ( У У—,

где Р(е I у) и р (—) рассчитываются по выражениям (19) и (16) соответственно.

Подставляя (21) и (22) в (20), получим величину средней битовой ошибки гибридной системы связи АОЛС/РЧ, использующей ретранслятор для организации разнесения с межпользовательским взаимодействием.

Численное моделирование

На стадии моделирования примем в качестве исходных данных параметр распределения Накагами т = 3, тип модуляции BPSK, т.е. М = 2, дисперсию логнормального распределения ах = 0,25, а средние отношения сигнал/шум в каналах будем считать одинаковыми, т.е.

— РЧ —РЧ —РЧ —РЧ —АОЛС —АОЛС —АОЛС —АОЛС у =у =у =у , у = у = у = у

¡ИР ! РН ! ИН ! ' / ИР ! РН Г ИН /

Результаты проведенного моделирования представлены на рис. 3, где показаны зависимости вероятности отказа от среднего значения отношения сигнал/шум линии FАОЛС у А°ЛС для

фиксированных

Рис. 3

Даже при низком качестве РЧ канала (то есть уРЧ = 5 дБ) предложенная система работает

лучше, чем одноканальная система АОЛС. С ростом отношения сигнал/шум в канале РЧ (при уРЧ = 10 дБ) наблюдается значительный

прирост качества связи.

На рис. 4 показаны зависимости вероятности отказа от среднего значения отношения сигнал/шум линии АОЛС при различных значениях т и ах. Можно видеть, что для случаев

т = 3 и т = 5 качество связи практически одинаково. Однако при увеличении ах качество связи ожидаемо падает.

-АОЛСУРЧ прия.З и .г -0,25 -АОЛС/РЧ прит»3и^.0,5 -АОЛСУРЧ прит»54 »„■¡¡^5 - АОЛСУРЧ при т ■ 5 и л .0,25

Среднее отношение сигнал/шум АОЛС -^олс

Рис. 4

Ниже на рис. 5 представлена зависимость средней битовой ошибки от среднего значения отношения сигнал/шум линии АОЛС при различных уРЧ .

Среднееотношениесигнал/шум АОЛС -*олс

Рис. 5

При низком качестве связи в канале РЧ у гибридной системы вероятность ошибки значительно ниже, чем у одной линии АОЛС. Когда качество связи в канале РЧ возрастает до 10 дБ, наблюдается значительное снижение ошибок, особенно в области с низким отношением сигнал/шум. Это связано с тем, что при низких уА°лс связь поддерживается за счет более частого использования линии РЧ с хорошим качеством канала. С увеличением уАОЛС система

начинает задействовать низкокачественный канал АОЛС, что приводит к росту вероятности битовой ошибки. При дальнейшем росте уАОЛС

качество связи в канале АОЛС улучшается, что снова снижет вероятность битовой ошибки.

Выводы

Из представленных результатов моделирования можно сделать вывод, что гибридная система АОЛС/РЧ работает лучше системы АОЛС даже при низком качестве линий РЧ. Качество связи предлагаемой системы зависит в большей мере от параметра дисперсии каналов АОЛС по сравнению с вероятностью замираний в каналах РЧ.

Литература

1. Usman M., Yang H.-C., Alouini M.-S. Practical switching-based hybrid FSO/RF transmission and its performance analysis // IEEE Photonics. 2014. Vol. 6(5). P. 1-13.

2. Kedar D., Arnon S. Urban optical wireless communication networks: The main challenges and possible solutions// IEEE Commun. 2004. Vol. 42. № 5. pp. S2-S7.

3. Willebrand H., Ghuman B. Free Space Optics: Enabling Optical Connectivity in Today's Networks. Indianapolis, IN: Sams Publishing, 2002.

4. Andrews L., Phillips R., Hopen C. Laser Beam Scintillation With Applications. New York: SPIE Press, 2001.

5. Краснов Р.П. Система атмосферной оптической связи OFDM-типа на базе кода LDPC с перемежением в турбулентном канале // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 4. С. 71-76.

6. Uysal M., Li J., Yu M. Error rate performance analysis of coded free-space optical links over gamma-gamma atmospheric turbulence channels, IEEE Trans // Wireless Commun. 2006. Vol. 5. № 6. pp. 1229-1233.

7. Navidpour S., Uysal M., Kavehrad M. BER performance of free-space optical transmission with spatial diversity, IEEE Trans// Wireless Commun. 2007. Vol. 6. № 8. pp. 2813-2819.

8. User cooperation diversity—Part I: System description / A. Sendonaris, E. Erkip, B. Aazhang, Q. Inc, C. Campbell // IEEE Trans. Commun. 2003. Vol. 51. № 11. pp. 1927-1938.

9. User cooperation diversity—Part II: Implementation aspects and performance analysis/ A. Sendonaris, E. Erkip, B. Aazhang, Q. Inc, C. Campbell // IEEE Trans. Commun. 2003. Vol. 51. № 11. pp. 1939-1948.

10. Shuba Sharma A.S. Madhukumar, Swaminathan R and Chau Jing Sheng Perormance Analysis of Hybrid FSO/RF Transmission for DF Relaying System IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC) 2018, Barcelona.

11. Diversity combining in hybrid RF/FSO systems with PSK modulation/ N.D. Chatzidiamantis, G.K. Karagiannidis, E.E. Kriezis, M. Matthaiou// IEEE Int. Conf. on Communications (ICC). 2011. pp. 1-6.

12. Usman M., Yang H.C., Alouini M.S. Practical switching-based hybrid FSO/RF transmission and its performance analysis// IEEE Photon. 2014. Vol. 6. № 5. pp. 1-13.

13. Performance analysis of hybrid FSO systems using FSO/RF-FSO link adaptation / B. Bag, A. Das, I.S. Ansari, A. Prokes, C. Bose, A. Chandra // IEEE Photon. 2018. Vol. 10. № 3. pp. 1-17.

14. Wenzhe Z., Hranilovic S., Ce S. Soft-switching hybrid FSO/RF links using short-length raptor codes: Design and implementation // IEEE Sel. Areas Commun. 2009. Vol. 27. pp. 1698-1708.

15. Mixed RF/FSO relaying with outdated channel state information / G.T. Djordjevic, M.I. Petkovic, A.M. Cvetkovic, G.K. Karagiannidis // IEEE Sel. Areas Commun. 2015. Vol. 33. № 9. pp. 1935-1948.

16. Anees S., Bhatnagar M.R. Performance evaluation of decode-and-forward dual-hop asymmetric radio frequency-free space optical communication system // IET Optoelectron. 2015. Vol. 9. № 5. pp. 232-240.

17. Singhal N., Bansal A., Kumar A. Performance evaluation of decode-and-forward-based asymmetric SIMO-RF/FSO system with misalignment errors// IET Commun. 2017. Vol. 11. № 14. pp. 2244-2252.

18. Diversity combining in hybrid RF/FSO systems with PSK modulation / N. Chatzidiamantis, G. Karagiannidis, E. Kriezis, M. Matthaiou // Proc. IEEE ICC. 2011. pp. 1-6.

19. Andrews L.C., Philips R.L. Laser Beam Propagation Through Random Media, 2nd ed. Bellingham, Washington: SPIE Press, 2005. 820 p.

Поступила 28.11.2019; принята к публикации 14.02.2020 Информация об авторах

Краснов Роман Петрович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиотехники, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: rpkrasnov@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4065-4557

Бобровников Александр Васильевич - канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры информационной безопасности и сетей связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, 29Б), e-mail: bobrownickov. alexander@yandex.ru

RELIABILITY ANALYSIS OF A HYBRID RADIO-OPTICAL COMMUNICATION SYSTEM

WITH A RELAY

R.P. Krasnov1, A.V. Bobrovnikov2

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia

Abstract: hybrid radio-optical communication systems over atmospheric channels are a perspective solution for highspeed wireless data transmission. The article proposes a new switching scheme for a hybrid free space communication system, including free space optics and radio frequency channels with relay using a decode-and-forward algorithm. With such an or-

ganization of the data transmission system, there is a direct link between the source and destination nodes, at the end point it is assumed to use a selection combining scheme. In particular, the system transmits through the atmospheric optical channel until the instantaneous signal-to-noise ratio of the optical receiver exceeds a predetermined threshold level. If it falls below the threshold, the system switches the data transmission to the radio channel. When describing the statistics of the optical and radio-frequency channels, the log-normal and m-distribution of Nakagami were used, respectively. The article provides closed-form expressions of the cumulative distribution functions and probability density functions for channels of both types, as well as the outage probability in each of the channels and the system as a whole. In addition, using the MATLAB integration functions, an estimate was made of the average bit error rate of the proposed communication system. To confirm the effectiveness of the proposed switching scheme, the communication quality of the hybrid system with the atmospheric optical communication channel is compared

Key words: hybrid system, free space optics, radio channel, outage probability, bit error rate

References

1. Usman M., Yang H.-C., Alouini M.-S. "Practical switching-based hybrid FSO/RF transmission and its performance analysis", IEEE Photonics J, 2014, vol. 6(5), pp. 1-13.

2. Kedar D., Arnon S. "Urban optical wireless communication networks: The main challenges and possible solutions", IEEE Commun. Mag., Jan. 2004, vol. 42, no. 5, pp. S2-S7.

3. Willebrand H. Ghuman B. "Free space optics: enabling optical connectivity in today's networks", Indianapolis, IN: Sams Publishing, 2002.

4. Andrews L., Phillips R., Hopen C. "Laser beam scintillation with applications", New York: SPIE Press, 2001.

5. Krasnov R.P. "OFDM free space optical system based on LDPC code with interleaving in turbulent atmospheric channel", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2018, vol. 14, no. 4, pp. 71-76.

6. Uysal M., Li J., Yu M. "Error rate performance analysis of coded free-space optical links over gamma-gamma atmospheric turbulence channels", IEEE Trans. Wireless Commun., 2006, vol. 5, no. 6, pp. 1229-1233.

7. Navidpour S., Uysal M., Kavehrad M. "BER performance of free-space optical transmission with spatial diversity", IEEE Trans. Wireless Commun., 2007, vol. 6, no. 8, pp. 2813-2819.

8. Sendonaris A., Erkip E., Aazhang B., Inc Q., Campbell C. "User cooperation diversity—Part I: System description", IEEE Trans. Commun., 2003, vol. 51, no. 11, pp. 1927-1938.

9. Sendonaris A., Erkip E., Aazhang B., Inc Q., Campbell C. "User cooperation diversity—Part II: Implementation aspects and performance analysis", IEEE Trans. Commun., 2003, vol. 51, no. 11, pp. 1939-1948.

10. Shuba Sharma A.S. Madhukumar, Swaminathan R., Chau Jing Sheng "Perormance analysis of hybrid FSO/RF transmission for DF relaying system", IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC) 2018, Barcelona.

11. Chatzidiamantis N.D., Karagiannidis G.K., Kriezis E.E., Matthaiou M. "Diversity combining in hybrid RF/FSO systems with PSK modulation", IEEE Int. Conf. on Communications (ICC), 2011, pp. 1-6.

12. Usman M., Yang H.C., Alouini M.S. "Practical switching-based hybrid FSO/RF transmission and its performance analysis", IEEE Photon. J, 2014, vol. 6, no. 5, pp. 1-13.

13. Bag B., Das A., Ansari I.S., Prokes A., Bose C., Chandra A. "Performance analysis of hybrid FSO systems using FSO/RF-FSO link adaptation", IEEE Photon. J, 2018, vol. 10, no. 3, pp. 1-17.

14. Wenzhe Z., Hranilovic S., Ce S. "Soft-switching hybrid FSO/RF links using short-length raptor codes: Design and implementation", IEEE J. Sel. Areas Commun., 2009, vol. 27, pp. 1698-1708.

15. Djordjevic G.T., Petkovic M.I., Cvetkovic A.M., Karagiannidis G.K. "Mixed RF/FSO relaying with outdated channel state information", IEEE J. Sel. Areas Commun., 2015, vol. 33, no. 9, pp. 1935-1948.

16. Anees S., Bhatnagar M.R. "Performance evaluation of decode-and-forward dual-hop asymmetric radio frequency-free space optical communication system", IET Optoelectron., 2015, vol. 9, no. 5, pp. 232-240.

17. Singhal N., Bansal A., Kumar A. "Performance evalu-ation of decode-and-forward-based asymmetric SIMO-RF/FSO system with misalignment errors", IET Commun., 2017, vol. 11, no. 14, pp. 2244-2252.

18. Chatzidiamantis N., Karagiannidis G., Kriezis E., Matthaiou M. "Diversity combining in hybrid RF/FSO systems with PSK modulation", in Proc. IEEE ICC, Jun. 2011, pp. 1-6.

19. Andrews L.C., Philips R.L. "Laser beam propagation through random media", 2nd ed., Bellingham, Washington: SPIE Press, 2005, 820 p.

Submitted 28.11.2019; revised 14.02.2020 Information about the authors

Roman P. Krasnov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia) e-mail: rpkrasnov@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4065-4557.

Aleksandr V. Bobrovnikov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, International Institute of Computer Technology (29B Solnechnaya st., Voronezh 394026, Russia), e-mail: bobrownickov.alexander@yandex.ru