[論文レビュー] Performance Analysis of Multi-Hop Underwater Wireless Optical Communication Systems (Extended Version)

Mohammad Vahid Jamali, Ata Chizari+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2016

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、吸収、散乱、乱流によるフェージングを軽減するために、ビット検出・フォワーディングリレーリングを用いたマルチホップ水中光通信（UWOC）システムを提案する。ガウス＝エアミートル台形則を用いて閉形式のBER式を導出し、光子数計数法による検証を実施した結果、45 mの沿岸水域において、2ホップ伝送が単一ホップの限界をはるかに超えて通信距離を延長できることが示された。10⁻⁶ BERにおける性能向上は最大39 dBに達する。

ABSTRACT

In this paper, we evaluate the end-to-end bit error rate (BER) of point-to-point underwater wireless optical communication (UWOC) systems with multi-hop transmission. To do so, we analytically derive the BER expression of a single-hop UWOC link as the building block for end-to-end BER evaluation. We also apply photon-counting method to evaluate the system BER in the presence of shot noise. Moreover, we use Gauss-Hermite quadrature formula to obtain the closed-form solutions for the system BER in the case of log-normal underwater fading channels. Our analytical treatment involves all the impairing effects of the underwater optical channel, namely absorption, scattering and fading. Numerical results demonstrate that multi-hop transmission by alleviating the aforementioned impairing effects of the channel, can significantly improve the system performance and extend the viable end-to-end communication distance. For example, dual-hop transmission in $22.5$ m and $45$ m coastal water links can provide $17.5$ dB and $39$ dB performance enhancement at the BER of $10^{-6}$, respectively.

研究の動機と目的

• 吸収、散乱、乱流に起因するフェージングのため、単一ホップUWOCシステムの通信距離が制限されることに対処すること。
• ビット検出・フォワーディング（BDF）リレーリングを用いたリレーヘンジ付きマルチホップUWOCシステムを設計し、各ホップの劣化要因を低減すること。
• 対数正規分布によるフェージング、ショットノイズ、チャネル劣化を考慮した、エンドツーエンドのビット誤り率（BER）の閉形式式を導出すること。
• 光子数計数法とモンテカルロシミュレーションを用いて、解析的BER結果の妥当性を検証すること。

提案手法

• インパulse応答に吸収および散乱効果を反映させるために、モンテカルロシミュレーションを用いて水中光チャネルをモデル化する。
• 弱い海洋乱流フェージングをモデル化するため、対数正規分布を適用し、平均電力を保持するように正規化されたフェージング係数を用いる。
• 対数正規フェージング下でのエンドツーエンドBERの閉形式解を導出するために、ガウス＝エアミートル台形則を適用する。
• 信号依存性のないノイズを仮定し、ショットノイズを含む状況でのBER評価に光子数計数法を用いる。
• 個々のホップBERを補完確率の積として合成することで、マルチホップシステムのエンドツーエンドBERを導出する。
• 解析的結果をモンテカルロシミュレーションおよび光子数計数に基づく数値評価と照合して検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 吸収、散乱、乱流を伴う水中光チャネルにおいて、マルチホップリレーリングはBER性能をどのように向上させるか？
• RQ2 弱い海洋乱流下におけるマルチホップUWOCシステムのエンドツーエンドBERの閉形式式は何か？
• RQ3 ショットノイズを考慮したUWOCシステムにおいて、光子数計数法はBERをどの程度正確に推定できるか？
• RQ4 リレーノードは、UWOCリンクにおける有効なパスロスをどの程度低減し、通信距離をどの程度延長できるか？
• RQ5 データレートを増加させることで、マルチホップUWOCシステムの性能にどのような影響が生じるか（特に散乱による符号間干渉（ISI）の観点から）？

主な発見

• 45 mの沿岸水域において、2ホップ伝送は単一ホップシステムと比較して、BER = 10⁻⁶の条件下で最大39 dBの性能向上を達成する。
• 22.5 mの沿岸水域において、2ホップ伝送はBER = 10⁻⁶の条件下で17.5 dBの性能向上を達成する。
• ガウス＝エアミートル台形則に基づく解析的BER式は、モンテカルロシミュレーション結果と極めて近い一致を示し、特に低BER領域で優れた一致を示す。
• 光子数計数法は、検出確率を無視するため高BER領域でわずかな差異を示すが、システムBERの信頼性の高い近似を提供する。
• N個の中継ノードを備えたリレーヘンジ付きシステムは、距離が(N+1)分の1に短縮された単一ホップシステムと同等の性能を達成でき、ビットあたりの送信電力は約10 log(N+1) dB増加する必要がある。
• データレートを20 Mbpsから10 Gbpsに引き上げると、散乱による符号間干渉（ISI）の影響でシステム性能が劣化するため、高データレートUWOCでは送信電力とデータレートの適応制御が不可欠である。