[論文レビュー] Cellular Underwater Wireless Optical CDMA Network: Potentials and Challenges

Farhad Akhoundi, Mohammad Vahid Jamali+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2016

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、光学直交符号（OOCs）を用いた細胞型水中光通信CDMA（UW-OCDMA）ネットワークを提案し、移動および固定型水中ユーザー向けに高帯域幅・低遅延通信を実現する。全方向性トランシieverを備えたOBTSと、WDMを用いたOOC符号再利用、パワー制御を組み合わせることで、従来のOCDMAに比べ最大3倍の容量を達成し、シミュレーションでは適応的パワー制御により6 dBのSNRゲインを達成した。

ABSTRACT

Underwater wireless optical communications is an emerging solution to the expanding demand for broadband links in oceans and seas. In this paper, a cellular underwater wireless optical code division multiple-access (UW-OCDMA) network is proposed to provide broadband links for commercial and military applications. The optical orthogonal codes (OOC) are employed as signature codes of underwater mobile users. Fundamental key aspects of the network such as its backhaul architecture, its potential applications and its design challenges are presented. In particular, the proposed network is used as infrastructure of centralized, decentralized and relay-assisted underwater sensor networks for high-speed real-time monitoring. Furthermore, a promising underwater localization and positioning scheme based on this cellular network is presented. Finally, probable design challenges such as cell edge coverage, blockage avoidance, power control and increasing the network capacity are addressed.

研究の動機と目的

• 軍事的および商業的応用における高帯域幅・低遅延水中通信の需要増加に対応するため。
• 水中無線光通信（UWOC）の範囲制限および干渉問題を克服するため、セルラ構造を導入するため。
• OOCを用いた光CDMAにより、移動および固定型水中ユーザーのマルチアクセスを可能にするため。
• 水中センサネットワークおよび位置特定応用を強化し、リアルタイム監視およびナビゲーションを向上させるため。
• 遮断、セル端部カバレッジ、パワー制御、容量制限といった主な設計課題を特定し、解決策を提案するため。

提案手法

• 六角形セルの中心に全方向性光ベースステーション（OBTS）を配置し、各OBTSに60個のLEDと32個のフォトダイオードを装備することで、3次元空間全体をカバーする。
• 非同期ユーザーアクセスを可能にするために、OOCを固有のシグネチャシーケンスとして用い、中央集権的制御なしで干渉のない多重アクセスを実現する。
• データ伝送にオフ・オン・キーイング（OOK）と強度変調（IM）を採用し、水中光チャネルとの互換性を確保する。
• 距離に基づくリング（NR=2,3）にユーザーを分割するパワー制御アルゴリズムを導入し、チャネル品質に応じたパワー割り当てを実施することで、BER性能を向上させる。
• 3つの不重複な符号サブセット（S1, S2, S3）を用いてOBTS間でOOC符号を再利用することで、共信道干渉を最小限に抑えながらネットワーク容量を増加させる。
• OCDMAと波長分割多重（WDM）を統合し、ユーザーに波長/符号ペアを割り当てることで、さらに容量をスケーリングする（WDM/OCDMA）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 移動ユーザーをサポートする高帯域幅・マルチアクセス水中通信を実現するためのセルラ型UW-OCDMAネットワークアーキテクチャは、どのように設計できるか？
• RQ2 水中環境における実際の吸収、散乱、乱流といった要因がUW-OCDMAの主要な性能制限要因となる場合、その影響は何か？
• RQ3 パワー制御戦略は、水中光ネットワークにおけるBER性能とエネルギー効率をどのように向上させることができるか？
• RQ4 隣接するOBTS間の干渉を最小限に抑えながら、ネットワーク容量を増加させるために、どのような符号再利用およびWDM技術が有効か？
• RQ5 提案されたUW-OCDMAネットワークは、リレーサポート型センサネットワークや水中位置特定といった高度な応用をサポートできるか？

主な発見

• 3リングパワー制御アルゴリズム（NR=3）を用いることで、均一パワー割り当てと比較して、BER = 10⁻⁶におけるSNRが6 dB向上する。
• 3つの不重複なOOCサブセット（S1, S2, S3）を用いた符号再利用により、(Nc/3) × N_OBTSのネットワーク容量が達成され、サポート可能なユーザー数が顕著に増加する。
• OCDMAとWDMを統合することで、システム容量が(Nw/3) × Nc × N_OBTSにまで拡大され、Nwは利用可能な波長数を表す。
• サッカーボール形状のOBTS設計（60個のLEDおよび32個のフォトダイオード）により、全方向カバレッジが実現され、3次元水中空間におけるユーザー接続性が向上する。
• 高帯域幅の光リンクと低遅延伝送を活用することで、リアルタイム動画やセンサ監視などの高レート応用をサポートする。
• 複数のOBTSからの飛行時間測定に基づく位置特定スキームにより、正確な水中位置特定が可能となり、UUVやダイバーのナビゲーションを支援する。