다중 홉 하이브리드 광학무선 시스템의 성능 평가와 수신 다이버시티

초록

본 논문은 장거리 모바일 사용자를 위한 고정 이득 증폭‑전달(A F) 릴레이와 다중 수신 안테나를 결합한 1단계와, 이후에 복조‑전달(D F) 방식을 적용한 다중 홉 병렬 FSO/RF 링크를 제안한다. Gamma‑Gamma 및 Negative‑Exponential 대기 난류 모델(포인팅 오류 포함)과 Rayleigh 페이딩을 고려해 폐쇄형 정확식 및 고SNR 근사식으로 outage probability와 BER을 유도하고, MATLAB 시뮬레이션으로 검증한다. 제안 구조는 채널 상태에 관계없이 안정적인 성능을 제공하며, 전력·처리·지연 제한이 있는 모바일 통신에 적합함을 보여준다.

상세 분석

본 연구는 기존의 하이브리드 FSO/RF 시스템이 주로 단일 홉 혹은 단일 안테나 구성을 사용하던 점을 보완하고, 두 가지 서로 다른 릴레이 프로토콜을 결합함으로써 시스템 전반의 효율성을 극대화한다. 첫 번째 구간에서는 모바일 단말이 전송한 RF 신호를 고정 이득 증폭‑전달 릴레이가 수신하고, 다중 수신 안테나에 대해 선택 결합(Selection Combining, SC) 방식을 적용한다. SC는 각 안테나에서 측정된 SNR 중 최댓값을 선택함으로써 다이버시티 게인을 확보하고, 고정 이득 G는 최악 상황을 기준으로 설계돼 전력 소모를 최소화한다. 선택된 RF 신호는 복제되어 하나는 직접 RF로, 다른 하나는 광학 변환 효율 η를 통해 FSO 신호로 변환된 뒤 동시에 전송된다. 이때 병렬 전송 구조는 두 채널이 독립적으로 페이딩·대기 난류에 영향을 받으므로, 어느 한쪽 채널이 급격히 악화돼도 다른 채널을 통해 데이터 전달이 가능해 시스템 신뢰성을 크게 향상시킨다.

두 번째 구간부터는 다중 홉 병렬 구조가 적용된다. 각 릴레이는 도착한 FSO와 RF 신호의 instantaneous SNR을 비교해 더 높은 SNR을 가진 신호를 선택하고, 이를 복조·재생·복제 후 다시 병렬 FSO/RF 링크로 전송한다. 이 과정은 ‘opportunistic selection’이라 부르며, 각 홉마다 최적의 전송 경로를 동적으로 선택함으로써 전체 네트워크의 평균 SNR을 크게 끌어올린다. 복조‑전달(D F) 방식을 채택한 이유는 증폭‑전달에 비해 잡음 증폭이 없고, 전력 효율이 높으며, 복잡도가 낮아 다중 홉 환경에 적합하기 때문이다.

채널 모델링 측면에서 저자는 Gamma‑Gamma 분포에 포인팅 오류를 포함한 모델을 중·강 난류 영역에 적용하고, 포화 영역에서는 Negative‑Exponential 모델을 사용한다. 두 모델 모두 Meijer‑G 함수 형태의 PDF와 CDF를 갖으며, 이를 이용해 전체 시스템의 SNR 분포를 정확히 기술한다. RF 링크는 Rayleigh 페이딩을 가정해 전통적인 지수형 CDF를 사용한다. 이러한 복합 채널 모델을 기반으로, 저자는 먼저 각 홉의 SNR CDF를 구하고, 병렬 구조에서의 선택 결합에 대한 전체 CDF를 곱셈 형태로 전개한다. 이후 outage probability는 목표 SNR γ_th에 대한 누적분포함수값으로 정의하고, BER은 OOK 변조에 대한 평균 오류 확률을 적분 형태로 표현한다.

수학적 유도 과정에서 핵심은 다중 Meijer‑G 함수와 지수함수의 곱을 적분하는 것이었으며, 저자는 기존 문헌(특히