[論文レビュー] Effects of Turbulence Induced Scattering on Underwater Optical Wireless Communications

Callum T. Geldard, John Thompson+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 24被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、水中光乱流を小角度散乱としてモデル化し、吸収および散乱と統合することで、高精度なUOWCチャネルシミュレーションを実現している。乱流は空間的・時間的拡散を増大させ、データレートを低下させるが、高散乱水中ではその影響が弱いことが示された。これは対数正規フェージングを確認するものであり、現実的な性能予測のためには、吸収および散乱と併せて乱流を統合的にモデル化する必要があることを強調している。

ABSTRACT

This paper presents a comprehensive description of the relative effect of optical underwater turbulence in combination with absorption and scattering. Turbulence induced scattering is shown to cause and increase both spatial and temporal spreading at the receiver plane. It is also demonstrated that the relative impact of turbulence on a received signal is lower in a highly scattering channel. Received intensity distributions are presented confirming that fluctuations in received power from this method follow the commonly used Log-Normal fading model. The impact of turbulence induced scattering on maximum achievable data rate in the underwater channel is investigated.

研究の動機と目的

• 乱流を単独で扱う代わりに、吸収および散乱と統合した包括的なUOWCチャネルモデルの構築を目的とする。
• 異なる水質において、乱流に起因する散乱が空間的・時間的拡散に与える相対的影響を定量化すること。
• 乱流が水中光リンクにおける受信信号強度分布および最大実現可能データレートに与える影響を分析すること。
• 乱流の影響が高散乱チャネルでは弱まることを示し、自由空間光通信からの仮定に疑問を呈すること。
• 受信電力のフラクチュエーションが乱流条件下で対数正規分布に従うことを検証すること。

提案手法

• 乱流は、温度および塩分濃度の変動に起因する屈折率の揺らぎに起因する小角度散乱としてモデル化される。
• 光子の伝播は、吸収、散乱、および乱流に起因する屈折率の揺らぎが変動する水中を個々の光子を追跡することでモンテカルロ法を用いてシミュレートされる。
• 全減衰を表す減衰係数 c(λ) = a(λ) + b(λ) が使用され、b(λ) は体積散乱関数 β(θ) から導出される。
• スチルレーション指数 σ²_I は、受信強度の分散を平均強度で正規化することで、電力のフラクチュエーションを定量化する。
• データレート推定には、ユニポーラOOK変復調と固定送信電力20 mWを用いたDGF（ゲイン係数の分布）法が使用される。
• シミュレーションでは、海岸（澄んだ水）、海岸（濁った水）、港（高濁り）の水質タイプを、異なるリンク距離（15 mおよび30 m）で比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流に起因する散乱は、水中チャネルにおける光信号の空間的・時間的拡散にどのように影響するか？
• RQ2 散乱および吸収の程度が異なる水質において、乱流の影響が信号フェージングおよびデータレートに与える相対的影響は何か？
• RQ3 乱流条件下での受信強度分布は、水中光無線通信における対数正規フェージングモデルに従うか？
• RQ4 乱流の増大に伴い最大実現可能データレートはどのように変化するか。また、異なるチャネル条件においてその変化はどのように異なるか？
• RQ5 乱流は散乱の一形態として正確にモデル化可能であり、単独の乱流モデルと比較してチャネルシミュレーションの忠実度が向上するか？

主な発見

• 乱流に起因する散乱は、受信側での空間的および時間的拡散を増大させ、その程度は水質およびリンク距離に依存する。
• 高散乱チャネル（例：港）では、複数回の散乱が個々の乱流イベントの影響をマスキングするため、乱流が信号フラクチュエーションに与える相対的影響が低減される。
• スチルレーション指数 σ²_I はリンク距離の増加に伴い増大する。例えば、海岸水中では15 mで0.1518、30 mで0.4273に増加し、長距離リンクでのフェージングが顕著であることが確認された。
• 30 mの海岸リンクでは、乱流なしでは最大データレートが80 Gbpsに達するが、乱流が存在すると著しく低下し、より高いリンクマージンまたはエクイリブレーションが必要になる。
• 15 mの港リンクでは、乱流なしで最大データレートは3.8 Gbpsであるが、乱流によりさらに低下し、海岸水中と比較して同じ σ²_I を達成するにはより高い b_tmax 必要となる。
• 乱流条件下での受信強度分布は、対数正規フェージングモデルに従うことが確認され、UOWCシステムの性能解析におけるその適用の妥当性が裏付けられた。