[論文レビュー] Free Space Optical Communication: Challenges and Mitigation Techniques

Hemani Kaushal, Georges Kaddoum|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 183被引用数 47

ひとこと要約

本論文は、大気乱流を特に含めた自由空間光（FSO）通信の課題について包括的なサーベイを提供し、物理層および上位層の両方における緩和技術を評価している。分散結合、適応オプティクス、高度な変復調および符号化、ハイブリッドRF/FSOシステム、ARQ、ルーティングプロトコル、および軌道角運動量をレビューし、地上および宇宙リンクにおける高いデータレートと信頼性の高いリンクを実現する。

ABSTRACT

In recent years, free space optical (FSO) communication has gained significant importance owing to its unique features: large bandwidth, license free spectrum, high data rate, easy and quick deployability, less power and low mass requirement. FSO communication uses optical carrier in the near infrared (IR) and visible band to establish either terrestrial links within the Earths atmosphere or inter-satellite or deep space links or ground to satellite or satellite to ground links. However, despite of great potential of FSO communication, its performance is limited by the adverse effects (viz., absorption, scattering and turbulence) of the atmospheric channel. Out of these three effects, the atmospheric turbulence is a major challenge that may lead to serious degradation in the bit error rate (BER) performance of the system and make the communication link infeasible. This paper presents a comprehensive survey on various challenges faced by FSO communication system for both terrestrial and space links. It will provide details of various performance mitigation techniques in order to have high link availability and reliability of FSO system. The first part of the paper will focus on various types of impairments that poses a serious challenge to the performance of FSO system for both terrestrial and space links. The latter part of the paper will provide the reader with an exhaustive review of various techniques used in FSO system both at physical layer as well as at the upper layers (transport, network or link layer) to combat the adverse effects of the atmosphere. Further, this survey uniquely offers the current literature on FSO coding and modulation schemes using various channel models and detection techniques. It also presents a recently developed technique in FSO system using orbital angular momentum to combat the effect of atmospheric turbulence.

研究の動機と目的

• 地上および宇宙リンクにおけるFSO通信性能を低下させる主な障害要因（特に大気乱流）を特定・分析すること。
• 大気影響を緩和し、システムの信頼性および可用性を向上させる物理層および上位層技術を評価すること。
• 軌道角運動量を含む、変復調、符号化、検出技術の最新の進展をレビューし、FSOシステム性能の向上を図ること。
• 悪天候および深刻なフェイド状態下でもリンクの可用性を維持するための補完的ソリューションとしてのハイブリッドRF/FSOシステムを検討すること。
• 通信スタックの複数のレイヤー（物理層からネットワークおよびトランスポート層まで）にわたるFSO技術を統合的にレビューすること。

提案手法

• 対数正規分布およびガンマガンマ分布などの統計的チャネルモデルを用いた、吸収、散乱、乱流を含む大気障害要因の体系的レビュー。
• 物理層緩和技術の分析：開口部平均化、空間的および偏光的分散、適応オプティクス、および高度な変復調方式（例：MPPM、OFDM）。
• ビット誤り率の低下を是正するための前向き誤り訂正（FEC）符号化技術（例：トゥルーボ符号、LDPC）の評価。
• チャネル状態に応じてRFリンクとFSOリンクを切り替えるハイブリッドRF/FSOシステムの調査により、キャリアクラスの可用性を確保すること。
• リンク層およびトランスポート層プロトコル（例：ARQ、改変TCP）の検討により、FSOシステムにおける信頼性およびスループットの向上を図ること。
• スペクトル効率の向上および乱流に起因するフェイドに対するレジリエンスを高めるために、軌道角運動量多重化などの新技術のレビュー。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上および宇宙リンクにおけるFSO通信に影響を与える主な大気障害要因は何であり、それらがシステム性能にどのように悪影響を及えるか？
• RQ2 分散結合、開口部平均化、適応オプティクスなどの物理層技術が、大気乱流の影響をどれほど効果的に緩和できるか？
• RQ3 ハイブリッドRF/FSOシステムは、あらゆる天候条件および深刻なフェイド状態下でも信頼性の高い通信を確保できるか？
• RQ4 高度な変復調および符号化技術は、BER性能およびスペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ5 ネットワーク層プロトコル（例：ARQ、改変TCP）およびルーティングアルゴリズムは、FSOリンクの信頼性向上に果たす役割は何か？

主な発見

• 大気乱流は、特に地上リンクにおいて、FSOシステムの主要な障害要因であり、深刻なフェイドと顕著なBER劣化を引き起こす。
• 開口部平均化および空間的分散技術により、スニペットフェイドが最大20 dBまで低減され、リンクの可用性が顕著に向上する。
• ハイブリッドRF/FSOシステムは、深刻なフェイド時にRFに切り替えることで、ほぼ100％のリンク可用性を達成し、キャリアクラスの信頼性を確保する。
• LDPCやトゥルーボ符号などの高度な符号化方式により、特に強い乱流条件下でもBERが数個のオーダー低下する。
• 軌道角運動量多重化により空間多重が可能となり、スペクトル効率が向上し、乱流に起因するフェイドに対してレジリエンスが向上する。
• リンク層およびトランスポート層での改変ARQおよびTCPプロトコルにより、フェイド状態時のスループットの崩壊が抑制され、FSOネットワーク全体のエンドツーエンド信頼性が向上する。