[論文レビュー] Optical Wireless Communication Systems, A Survey

Osama Zwaid Alsulami, Ahmed Taha Hussein+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2018

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 168被引用数 8

ひとこと要約

本サーベイは、赤外線（IRC）および可視光通信（VLC）を用いた室内応用に焦点を当てた、光無線通信（OWC）システムに関する包括的なチュートリアルを提供する。システム設計、変復調器アーキテクチャ、チャネルモデリング、移動性、障害要因の取り扱いをカバーし、混雑するRF帯域の代替としてTbps対応の高速通信を実現する技術的対策と未解決の研究課題を提示する。

ABSTRACT

In the past few years, the demand for high data rate services has increased dramatically. The congestion in the radio frequency (RF) spectrum (3 kHz ~ 300 GHz) is expected to limit the growth of future wireless systems unless new parts of the spectrum are opened. Even with the use of advanced engineering, such as signal processing and advanced modulation schemes, it will be very challenging to meet the demands of the users in the next decades using the existing carrier frequencies. On the other hand, there is a potential band of the spectrum available that can provide tens of Gbps to Tbps for users in the near future. Optical wireless communication (OWC) systems are among the promising solutions to the bandwidth limitation problem faced by radio systems. In this paper, we give a tutorial survey of the most significant issues in OWC systems that operate at short ranges such as indoor systems. We consider the challenging issues facing these systems such as (i) link design and system requirements, (ii) transmitter structures, (iii) receiver structures, (iv) challenges and possible techniques to mitigate the impairments in these systems, (v) the main applications and (vi) open research issues. In indoor OWC systems we describe channel modelling, mobility and dispersion mitigation techniques. Infrared communication (IRC) and visible light communication (VLC) are presented as potential implementation approaches for OWC systems and are comprehensively discussed. Moreover, open research issues in OWC systems are discussed.

研究の動機と目的

• RF帯域（3 kHz–300 GHz）におけるスペクトル混雑化に起因する高データレート無線サービスへの需要増加に対応する。
• 無線周波数（RF）システムの代替としての光無線通信（OWC）の可能性を検討し、免許不要の光スケールを活用してギガビットからテラビット/秒のデータレートを実現する。
• 短距離OWCシステムにおける主な技術的課題、特にリンク設計、送信機および受信機構造、信号劣化の原因を調査する。
• 室内OWCの実装プラットフォームとしての赤外線通信（IRC）および可視光通信（VLC）の可能性を検討する。
• 将来のネットワークにおける移動性管理、分散低減、システム統合といった、OWC分野における未解決の研究課題を特定する。

提案手法

• 短距離室内応用に焦点を当てたOWCシステムの体系的サーベイを実施し、その技術的要件を分析する。
• 送信機および受信機アーキテクチャ、特にOWCシステムにおける変調方式およびフォトダイオード設計を分析する。
• 統計的および幾何学的アプローチを用いてOWCチャネルをモデリングし、マルチパス効果および移動性に起因するフェージングを考慮する。
• シンボル間干渉（ISI）、強度歪み、移動性に起因するドップラー拡散といった信号劣化の緩和技術をレビューする。
• スペクトル効率、電力効率、導入可能性の観点から、IRCおよびVLCシステムを比較する。
• QoS、移動性サポート、複数アクセス技術を含む、システムレベルの考慮事項を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来の高データレート無線ネットワークにおいて、光無線通信（OWC）システムはどのようにしてRFスケールの混雑状態を克服できるか？
• RQ2 特にリンクバジェット、移動性、チャネルモデリングの観点から、室内OWCシステムにおける主な設計課題は何か？
• RQ3 赤外線通信（IRC）と可視光通信（VLC）は、性能、実装、応用適合性においてどのように異なるか？
• RQ4 OWCにおいてISIや強度歪みといった劣化要因を効果的に低減するための信号処理および変調技術は何か？
• RQ5 特に移動性、QoS、システムスケーラビリティの観点から、OWC分野における主な未解決の研究課題は何か？

主な発見

• OWCシステムは、数十GbpsからTbpsまでのデータレートをサポートでき、RFスケールの限界を超えた帯域需要の解決策として有効である。
• 可視光通信（VLC）は、同時に照明と高速データ伝送を実現でき、実用的な室内環境で1Gbpsを超えるデータレートを達成できる。
• 赤外線通信（IRC）は視線（LoS）状態においてRFよりも高いデータレートを実現できるが、厳密なアライメントと視線条件が求められる。
• OWCのチャネルモデリングには、マルチパス伝播および移動性の影響を考慮する必要があり、幾何学的および統計的モデルが室内環境において良好な精度を示す。
• イコライゼーション、高度な変調（例：PAM、OFDM）、ダイバーシティ結合といった技術は、移動性およびフェージング下でもOWCシステムの性能を顕著に向上させる。
• 未解決の研究課題には、モバイルOWCにおけるシームレスなハンドオーバー、既存RFシステムとの統合、スケーラブルな展開を目的としたOWCプロトコルの標準化が含まれる。