[論文レビュー] Maritime Communications: A Survey on Enabling Technologies, Opportunities, and Challenges

Fahad S. Alqurashi, Abderrahmen Trichili+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

Optical Wireless Communication Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本サーベイは、RFおよび光帯域、チャネルモデリング、変調、リソース管理、および海上のインターネット（IoS）や水中IoTといった新規アプリケーションを含む、海上通信技術の包括的分析を提供する。深海におけるブロードバンド接続と媒質間通信の課題を特定し、太赫ルツおよび可視光通信、および機械学習駆動の伝搬モデリングを含む将来の研究方向性を提案する。

ABSTRACT

Water covers 71% of the Earth's surface, where the steady increase in oceanic activities has promoted the need for reliable maritime communication technologies. The existing maritime communication systems involve terrestrial, aerial, and satellite networks. This paper presents a holistic overview of the different forms of maritime communications and provides the latest advances in various marine technologies. The paper first introduces the different techniques used for maritime communications over the RF and optical bands. Then, we present the channel models for RF and optical bands, modulation and coding schemes, coverage and capacity, and radio resource management in maritime communications. After that, the paper presents some emerging use cases of maritime networks, such as the Internet of Ships (IoS) and the ship-to-underwater Internet of things (IoT). Finally, we highlight a few exciting open challenges and identify a set of future research directions for maritime communication, including bringing broadband connectivity to the deep sea, using THz and visible light signals for on-board applications, and data-driven modeling for radio and optical marine propagation.

研究の動機と目的

• 航海、オフショアエネルギー、観光などの海洋活動の増加に伴い、信頼性が高く高速な海上通信のニーズを満たすため。
• 4G/5Gおよび衛星ネットワークの現行システムの制限要因（カバレッジ、コスト、帯域、深海接続性）を特定するため。
• 自由空間光通信（FSO）、無人航空機（UAV）、およびハイブリッドRF-FSOシステムなどの新技術を活用し、データレートと信頼性を向上させるため。
• 環境的および運用的モニタリングのための新規ユースケース（海上のインターネット（IoS）および船から水中IoT（IoUT））を調査するため。
• 未解決の課題を強調し、将来的な研究方向性（太赫ルツおよび可視光通信、海洋伝搬チャネルのデータ駆動モデリングを含む）を提案するため。

提案手法

• RF（VHF、UHF、HF）および光（FSO）帯域における既存の海上通信技術をサーベイし、分類し、伝搬特性と制限要因を分析する。
• 気象状態、海面反射、大気乱流を考慮したRFおよびFSOリンクのチャネルモデルをレビューし、比較する。
• 変調および符号化方式（例：QAM、OOK、DPSK）、無線リソース管理（RRM）、および海上ネットワークにおけるエネルギー効率を分析する。
• 動的な海洋環境におけるフェージングを軽減し、信頼性を向上させるために、RFとFSOを統合したハイブリッド通信アーキテクチャを検討する。
• 空気-水界面の課題に焦点を当て、船から水中への媒質間通信技術（例：レーザー基盤の振動検出）を調査する。
• 機械学習およびAIを用いて、海洋環境における電波および光伝搬のモデリングを提案する。これには、FSOの閃光およびポイント誤差も含む。

Figure 1: Maritime communication use cases.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RFおよび光帯域における高容量海上通信のための主要なエンabling技術およびシステムアーキテクチャは何か？
• RQ2 気象、波、大気乱流などの環境要因が、海上環境におけるRFおよびFSO伝搬にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ハイブリッドRF-FSOシステムの性能限界および設計上の課題は何か？
• RQ4 機械学習は、複雑な海洋環境における電波および光波伝搬のモデリングをどのように改善できるか？
• RQ5 深海および水中通信ネットワークにおけるブロードバンド接続を実現するにあたり、未解決の課題と将来的な研究方向性は何か？

主な発見

• VHF/UHFおよび衛星リンクに依存する既存の海上通信システムは、特に沿岸地域を越えての範囲において、データレートとカバレッジに制限を受ける。
• 自由空間光通信（FSO）は高いデータレートを提供するが、海面の揺れによるポイント誤差および霧や大気乱流による信号劣化の影響を受ける。
• ハイブリッドRF-FSOシステムは、RFの diversity gain と FSO の高帯域幅を組み合わせることで、信頼性と容量を向上させることができる。
• 空気-水界面を越える媒質間通信は、依然としてほとんど調査されておらず、信号の反射、屈折、フェージングのための大きな課題を抱えている。
• 海洋電波および光伝搬の機械学習ベースモデリングは、信号劣化の予測およびリンク性能の最適化において有望な成果を示している。
• 将来的な研究は、船内用途の太赫ルツおよび可視光通信に焦点を当て、深海ブロードバンド接続のための堅牢でスケーラブルなソリューションの開発に注力すべきである。

Figure 2: Electromagnetic spectrum in frequency and wavelength. ELF: extremely low frequency; VLF: very low frequency; LF: low frequency; MF: middle frequency; HF: High frequency; VHF: very high frequency; UHF: ultra high frequency: SHF: super high frequency; EHF: extremely high frequency; IR: infra